capÍtulo i no newtonianos
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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
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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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