CAPÍTULO I

EL PROBLEMA

Contextualización del Problema

Los fluidos no newtonianos están siendo utilizados en investigaciones para la

fabricación de chalecos protectores, útiles para que su capacidad física absorba la

energía de un impacto de proyectiles de la alta velocidad. El fluido, en teoría, seguirá

siendo suave y flexible. Algunos fluidos no newtonianos también se utilizan por su

característica de unidad viscosa en acopladores para la transmisión de energía, es

decir, amortiguadores de impacto y movimiento.

La mecánica de los fluidos es la parte de la física que se ocupa de la acción de

los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de

ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan

diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la

meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.

La mecánica de los fluidos se subdivide en dos campos principales: la estática

de fluidos, o hidrostática, que se ocupa de los fluidos en reposo, y la dinámica de

fluidos, que trata de los fluidos en movimiento. El término de hidrodinámica se aplica

al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede

considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodinámica, o dinámica

de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad

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y presión son lo suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de

la compresibilidad.

Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro,

las turbinas, los compresores y las bombas.

Aunque el concepto de viscosidad es de uso general para caracterizar un

material, puede ser inadecuado describir el comportamiento mecánico de una

sustancia, particularmente líquidos no newtonianos.

Un fluido no newtoniano es un líquido el cuál no se puede describir por una

sola constante viscosidad. Más comúnmente, los cambios de viscosidad con una

determinada tensión aplicada. Muchos polímeros, las soluciones y los polímeros

fundidos, son fluidos no newtonianos.

Objetivos de la Investigación

Objetivo General

Se planteará en este trabajo la posibilidad hipotética de la utilización de un

fluido no newtoniano, para la fabricación de chalecos antibalas, con la finalidad de

abaratar los costos de fabricación y a la vez, presuntamente, aumentar su efectividad.

Resumiendo, una hipótesis es aquello que suponemos explica el problema, a

diferencia de los objetivos, que es lo que se espera llegar a conocer y comprobar.

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Objetivos Específicos

a) Se llevará a cabo un experimento para demostrar las propiedades

físicas de la mezcla en estudio, desde el punto de vista la mecánica de

los fluidos.

b) Extrapolando estos resultados se propondrá la utilización del fluido en

la fabricación del chaleco antibalas.

Justificación de la Investigación

La fabricación de los chalecos antibalas, implica la utilización de fibras

sintéticas de características muy especiales y particulares, además de un metal

sumamente costoso como es el titanio. Al usar un fluido no newtoniano, pretendiendo

lograr los mismos, o aún mejores resultados, valiéndose del comportamiento de esta

sustancia y aplicando la mecánica de fluidos, los costos de fabricación se reducirían

de manera importante. Podría demostrarse, con la suficiente experimentación, que los

resultados serían satisfactorios, en vista de que el fluido preparado con, por ejemplo,

el almidón de maíz, se comportaría en el reposo como un relleno líquido del chaleco,

haciéndolo más cómodo por amoldarse más fácilmente al cuerpo del que lo usa, y en

cambio, en presencia de la presión ejercida por el impacto de un proyectil de alta

velocidad, desviaría y repartiría la energía de ese impacto, con lo cual quizás se

mejoraría el efecto de protección deseado en estos casos.

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Alcances y Limitaciones

Alcances

Sería satisfactorio para los autores, contribuir, aunque en pequeña escala, con

el avance en el sentido de mejorar la seguridad personal y el abaratamiento de los

costos de los dispositivos antibalas mediante la utilización de componentes que

mejoren la eficiencia de éstos y con elementos de más fácil adquisición.

Limitaciones

Cuando se está construyendo una teoría y la misma contiene enunciados de

carácter general, los teoremas constituyen las proposiciones que afirman  juicios

demostrables, verificables. Normalmente los teoremas van acompañados de su

respectiva demostración. Lastimosamente no cuentan los investigadores con los

recursos y medios necesarios para la experimentación de estos planteamientos, razón

por la cual sólo esbozaremos una hipótesis cuya demostración, obviamente quedará

pendiente.

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CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

Antecedentes de la Investigación

Los autores desconocen si se ha realizado alguna investigación previa, en

relación con la utilización de este tipo de fluido para la confección de chalecos

absorbentes de impacto.

“Estudio de fluidos No Newtonianos con Los Métodos de Volúmenes y Elementos

Finitos”.

Autores: Guillermo Sánchez M., César Vial R., Nelson Moraga B.

16 de enero de 2002.

En este trabajo, se realizó un estudio numérico de mecánica de fluidos 2D en

una contracción brusca para fluidos no newtonianos tipo ley de potencia de Ostwald-

de-Waele. Se emplean dos métodos de resolución, el método de los volúmenes finitos

y el método de los elementos finitos. En el primer método se utiliza el algoritmo

SIMPLE, para la resolución de las ecuaciones de momentum lineal y de continuidad.

Para el método de elementos finitos se utilizó un código propio en lenguaje Fortran

90. En ambos métodos se estudia el comportamiento del fluido para diferentes índices

de potencia. Los cálculos se realizan con malla variable rectangular (método de

volúmenes finitos) y con malla apegada al contorno (método elementos finitos).

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Bases Teóricas

Un fluido no newtoniano es aquél cuya viscosidad varía con la temperatura y

la tensión cortante que se le aplica. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene

un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.

Una de las propiedades resaltantes de los fluidos no newtonianos se describe a

continuación: Aunque el concepto de viscosidad se usa habitualmente para

caracterizar un material, puede resultar inadecuado para describir el comportamiento

mecánico de algunas sustancias, en concreto, los fluidos no newtonianos. Estos

fluidos se pueden caracterizar mejor, mediante otras propiedades reológicas,

propiedades que tienen que ver con la relación entre el esfuerzo y los tensores de

tensiones bajo diferentes condiciones de flujo. Los fluidos en los cuales el esfuerzo de

corte no es directamente proporcional a la relación de deformación son no

newtonianos. 

Hipótesis. (Del latín hypothĕsis). Suposición de algo posible o imposible para

sacar de ello una consecuencia. La que se establece provisionalmente como base de

una investigación que de confirmar o negar la validez de aquella. Se compara con la

definición de Proposición concepto que en filosofía es como un enunciado en el que

se afirma algo, que puede ser verdadero o falso. Suele ser la expresión de un juicio y,

por lo tanto, todo lo que se considera en un juicio tiene su reflejo en la proposición.

Según la definición clásica de Aristóteles, una proposición es un discurso enunciativo

que expresa un juicio y posee un significado que es verdadero o falso.

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Variables

Sistemas de Variables

Según formula Tamayo y Tamayo (1995), una variable es: “La

relación causa-efecto que se da entre uno o más fenómenos estudiados. En toda

variable el factor que asume esta condición debe ser determinado mediante

observaciones y estar en condiciones de medirse para enunciar que de una

entidad de observación a otra el factor varió y por lo tanto cumple con su

característica”. (p. 63).

En el presente trabajo de investigación se estudió las variables dependientes que

están presentes en la parte experimental del fluido, definiendo ésta como: “Cualquier

característica o cualidad que es susceptible de asumir diferentes valores”. En la

primera parte del trabajo, es decir, la fase experimental de la mezcla no newtoniana,

la variable es dependiente, debido a que los autores adecuarán las condiciones en las

que se prepara el fluido (cantidades, proporciones, ambiente).

Cuadro de Operacionalización de Variable

Es una herramienta que permite mejorar y hacer más comprensible el diseño

del proyecto, en él se señala el o los objetivos sobre los cuales se lleva a cabo la

investigación, exteriorizando para cada uno de ellos sus variables, indicadores y

técnicas para su medición; puede decirse que es una síntesis de los componentes

básicos que se deben cubrir para lograr cada uno de los objetivos propuestos, por lo

tanto se presenta a continuación la estructura del cuadro de operacionalización de

variables.

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Cuadro de Operacionalización de la Variable

Objetivo Indicadores Instrumentos

1) Desarrollo de una

mezcla (fluido no

newtoniano) que

presentará ciertas

características.

2) Posibilidad

hipotética de la

utilización de un fluido

no newtoniano, para la

fabricación de chalecos

antibalas.

a) Definición del

concepto o fenómeno a

desarrollar.

b) Comportamiento de

esta sustancia y

aplicando la mecánica

de fluidos.

a) Observación.

b) Demostración del

experimento.

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Definición de Términos Básicos

Balística.- Ciencia que estudia el movimiento de los cuerpos proyectados a través del

espacio. La balística tiene que ver en general con proyectiles disparados por cañones

o armas ligeras, pero también puede examinar el vuelo libre de las bombas o de los

cohetes.

Chaleco.- Prenda de vestir sin mangas, que cubre el tronco hasta la cintura y se suele

poner encima de la camisa o blusa.

Dispositivo.- Mecanismo o artificio dispuesto para producir una acción prevista.

Fluido.- Se dice de las sustancias en estado líquido o gaseoso.

Hidrodinámica.- Parte de la mecánica que estudia el movimiento de los fluidos.

Impacto. Choque de un proyectil o de otro objeto contra algo. Huella o señal que

deja. Efecto de una fuerza aplicada bruscamente.

Newtoniano.- Perteneciente o relativo a Isaac Newton o a sus aportaciones

científicas.

Polímero.- Compuesto de varias partes). m. Compuesto químico, natural o sintético,

formado por polimerización y que consiste esencialmente en unidades estructurales

repetidas.

Proyectil.- Cuerpo arrojadizo, especialmente si se lanza con arma de fuego; por

ejemplo, una bala, una bomba, etc.

Reología.- Estudio de los principios físicos que regulan el movimiento de los fluidos.

Seguridad.- Dicho de un mecanismo: Que asegura algún buen funcionamiento,

precaviendo que este falle, se frustre o se violente.

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Viscosidad.- Cualidad de viscoso. Materia viscosa. Mecánica. Propiedad de los

fluidos que caracteriza su resistencia a fluir, debida al rozamiento entre sus

moléculas.

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CAPÍTULO III

MARCO METODOLÓGICO

Tipo, Nivel y Modalidad de la Investigación

Tipo de la Investigación

El trabajo de investigación que se presenta en este proyecto es de campo,

debido a que tenemos que establecer el proceso tecnológico para desarrollar la

mezcla, para poder realizar esta investigación se deben llevar a cabo los objetivos

planteados. Según Carlos A. Sabino (1986) una investigación puede definirse como:

“Un esfuerzo que se emprende para resolver un problema, claro está, un problema de

conocimiento es algo que se desea conocer y que aun no se sabe (o no se ha

verificado), es decir, un punto a resolver dentro de nuestra indagación acerca de la

realidad” (pág. 37).

De igual manera, según Arias, F. (1999), la investigación de campo está

definida como “la recolección de datos directamente de la realidad donde ocurren los

hechos, sin manipular o controlar variable alguna” (p. 48). De esta forma, el estudio

estará orientado hacia la observación directa con la finalidad de determinar la forma

en que se manejan sus variables.

El diseño de campo permite que el investigador se cerciore de las condiciones

en las que los datos se encuentren, para así posibilitar su revisión o modificación en el

caso de que surjan dudas con respecto a su calidad.

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De igual manera, la investigación es de tipo descriptivo, fundamentada en lo

señalado por Méndez, C. (2001), quien expresa que: “Es aquel en el cual se

identifican las características del universo de investigación, señalando las formas de

conducta, actitudes y comportamientos concretos” (p.137).

En este sentido las variables identificadas son las siguientes: temperatura

ambiente, cantidades y proporciones de maicena y agua, material del recipiente,

tiempo que se le da a las reacciones físico-químicas del fluido.

Técnica e Instrumentos para la Recolección de datos

Este método de investigación experimental está desarrollado dentro del

progreso de la ciencia, esto debido a que la mayoría de los conocimientos hallados en

los últimos tres siglos se deben al empleo y utilización de experimentos los cuales se

ha demostrado que aporta tecnologías y practicas.

Respecto a lo escrito, Sabino (1986) indica que:

“…un experimento consiste en someter un objeto en estudio a la

influencias de ciertas variables, en condiciones controladas y conocidas por el

investigador para observar los resultados que cada variable produce en el

objeto”. (pág. 82)

Descripción del experimento con fluidos No Newtonianos

Por definición, un fluido newtoniano es una sustancia homogénea que se

deforma continuamente en el tiempo ante la aplicación de una solicitación o tensión,

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independientemente de la magnitud de ésta. En otras palabras, es una sustancia que

debido a su poca cohesión intermolecular, carece de forma propia y adopta la forma

del recipiente que lo contiene. Los líquidos son fluidos.

Otro tipo de fluidos no newtonianos son: algunos tipos de barros como los de

arcilla, algunas variedades de mieles, algunos metales en su estado fundido,

algunos plásticos como la plastilina, el cemento o yeso con agua y otros.

Procedimiento

Materiales.

Maicena: es harina refinada de maíz o almidón de maíz.

Agua

Recipiente, preferiblemente de plástico.

Se mezclan muy bien la maicena con agua de una forma gradual para que no

se formen grumos. La cantidad de material empleado depende la cantidad que se

quiera conseguir. Debe tener una densidad suficiente, es decir, que tenga una cierta

viscosidad para que sea más representativo el experimento. Si se deja un tiempo, se

verás como la maicena precipita (se va al fondo).

Análisis e Interpretación de Resultados

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Un ejemplo barato y no tóxico de fluido no newtoniano puede hacerse

fácilmente añadiendo almidón de maíz en una taza de agua. Se añade el almidón en

pequeñas proporciones y se revuelve lentamente. Cuando la suspensión se acerca a la

concentración crítica es cuando las propiedades de este fluido no newtoniano se

hacen evidentes. La aplicación de una fuerza con la cucharilla hace que el fluido se

comporte de forma más parecida a un sólido que a un líquido. Si se deja en reposo

recupera su comportamiento como líquido. Se investiga con este tipo de fluidos para

la fabricación de chalecos antibalas, debido a su capacidad para absorber la energía

del impacto de un proyectil a alta velocidad, pero permaneciendo flexibles si el

impacto se produce a baja velocidad.

Los fluidos de este tipo se comportan como fluidos newtonianos cuando la

tensión o fuerza aplicada es pequeña. Sin embargo sobre ellos se le aplica una tensión

intensa en un corto espacio de tiempo, el material se estresa, aumentando su

viscosidad proporcionalmente a dicha solicitud.

Extrapolando estos resultados, puede inferirse que al rellenar un chaleco con

la mezcla que se ha estudiado, sin los materiales tan costosos que normalmente se

usan, debe obtenerse unos resultados similares, cuando no mejores.

Conclusiones

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Estrictamente hablando la definición de un fluido es válida solo para

materiales que tienen un esfuerzo de deformación cero.  Por lo común, los fluidos no

newtonianos se clasifican con respecto a su comportamiento en el tiempo, es decir,

pueden ser dependientes del tiempo o independientes del mismo. En función de su

reograma los fluidos no newtonianos pueden dividirse en:

• Plásticos

• Tixotrópicos

• Pseudo-plásticos

• Dilatantes (grupo al cual pertenece la mezcla en estudio en este trabajo)

• Irreversibles

Por todo lo anteriormente demostrado, podemos atrevernos a pronosticar éxito

y considerar como factible la utilización de esta mezcla o una de similares

propiedades para el desarrollo de una nueva generación de chalecos antibalas.

Referencias Bibliográficas

25

Tamayo y Tamayo M. Metodología formal de la investigación 1995.

Irving H. Shames. Mecánica de fluidos.  Pág. 15-18.

Guillermo Sánchez M., César Vial R., Nelson Moraga B. “Estudio de fluidos

No Newtonianos con Los Métodos de Volúmenes y Elementos Finitos”. 16 de

enero de 2002.

CD ROM de Liggett.

Rodrigo Cano Gallego. Flujo en tuberías y canales.

Enciclopedia Didáctica Ilustrada. Salvat editores. Tomo 2.

Direcciones en Internet:

www.pemex.com/r17_17.html www.cueronet.com/terminacion/fisicoquimica.htm www.kokone.com.mx/zona/baba.htmlwww2.ceniai.inf.cu/dpub/innovac/vol5num4/articulo2.htm

Ensayo fluidos no newtonianos. 25/07/2010 05:45 PM categoría: ciencia Montserrat fallas.

ANEXOS

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Pasos para realizar el experimento

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Materiales utilizados

Hicimos la medida de maizina y agua en un vaso común de plástico

Se procedió a echar el agua en el recipiente a utilizar (este era de plástico)

Se esparció la maizina en el agua para formar una mezcla homogénea, sin grumos

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Se comprobó la homogeneidad de la misma y la viscosidad

Agregamos un poco mas de maizina para obtener la viscosidad necesaria

Por último se procedió a comprobar a la eficacia de este Fluido No Newtoniano para realizar el experimento

Se obtuvieron buenos resultados ya que el Fluido No Newtoniano de maizina y agua tuvo buena resistencia a la fuerza que se aplico sobre él.

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