Cálculo de fuerza de salida del chorro y caudal

Últimos arreglos del diseño final

Al ir a probar nuestra embarcacion al laboratorio de hidraulica, nos encontramos con un problema, puesto que al poner el barco solo, este flotaba y avanzaba muy bien,pero con la botella perdia estabilidad y se volcaba, es por esto que tuvimos que agregarle una especie de "flotadores" de plumavit a ambos lados, justo en la linea de flotación, de esta forma impedimos que se vuelque cuando esta con la botella encima.

Al mirar la dirección que el barco adquiria al avanzar nos dimos cuenta que este tendia a desviarse un poco hacia la derecha, por lo que decimos ponerle una pequeña quilla, que lo ayudara a que su movimiento sea mas recto.

Por último finalmente decidimos que la placa receptora sea una esfera ovalada ( pote plástico de postre) puesto que con esa forma el impacto del chorro hace que sea mas rapido.

Modificaciones en el diseño y materiales

Comenzamos la construcción del barco aferrándonos al modelo presentado previamente en el blog. Sin embargo, durante el proceso de construcción nos encontramos con dificultades para poder afirmar la placa receptora del chorro de agua. Es por eso que decidimos modificar la parte de atrás de nuestro barco, haciendo que en lugar de terminar en punta al igual que adelante, termine simplemente con un lado plano. De esa manera nos será más fácil la correcta adhesión de nuestra placa receptora semi-esférica.

Otro problema que apareció fue el forrado del barco en Monokote. Debido a la forma muy irregular del casco, con muchos cambios de direcciones en su superficie, sumado a nuestra poca experiencia en el planchado del Monokote, no fuimos capaces de concretar el forrado. Por lo mismo estamos considerando cambiar la técnica de forrado y utilizar sellador de cal.
Este último es un producto más económico y de más fácil aplicación. Está formado a base de emulsión acrílica y al secarse forma una película plástica. Creemos que cumplirá nuestros objetivos pues posee gran resistencia y es impermeable.

Modelo construido

Proceso de Construcción

Tercera Parte: Sellado

Proceso de Construcción

Segunda Parte: Construcción del casco de la embarcación

Proceso de Construcción

Primera parte: Base de la embarcación

Placa receptora

Para la eleccion de la forma de nuestra placa receptora nos basamos en el laboratorio experimental del ramo "Impacto de chorro".

Podemos apreciar que la imagen anterior ilustra el impacto de un chorro en una placa simétrica. Si descomponemos la ecuación de cantidad de movimiento, por el equilibrio de la placa, la resultante radial del fluido sobre la placa se anula.

Suponiendo régimen permanente, solo los flujos de momentum hacia el volumen de control influyen en la variación de CDM.

Enfocandonos en el eje Y, y asumiendo velocidades de entrada y salida análogas:

Despreciando el peso propio, finalmente se tiene que la fuerza dependerá del caudal que impacta la placa, de la velocidad de impacto y de la forma que tenga la placa para devolver el chorro

De ahí nuestra elección de placa semi esferica, para mayor eficiencia del moviemiento de nuestra embarcación.

Eleccción de Materiales

Finalmente los materiales elegidos en la construcción de nuestra embarcación son:

1)Palos de maqueta: Utilizaremos esto para el esqueleto del casco, ya que es un material liviano y facil de moldear. Compramos 3 tipos, con distinto grosor.


2) Carton espuma: Este material sera utilizado para las seccciones transversales del barco, que le dan la forma. Elegimos esto porque nos parecio una opcion resistente y liviana para los objetivos que tiene nuestra embarcación.

3) Silicona-Cola fría: Ambos materiales son buenos al momento de pegar tanto madera como cartón.

4) Madera de balsa: Sera utilizado en terminaciones con mas detalles, ya que es mas flexible e igualmente es liviano como el carton espuma.

5) Monokote: Este material sera utilizado para forrar la embarcacion, puesto que debemos agregarle impermeabilidad. Ademas es facil de usar, liviano, moldeable y estético.

Render de nuestro modelo

Modelación de nuestro diseño

Vista del Barco

Vista en planta y corte transversal

Detalle parte inferior casco

Casco y placa receptora

Esqueleto interior

Introducción y proceso de diseño

El desafío de construir una embarcación con las características mencionadas de estabilidad y el hecho de soportar una botella de un litro de agua (1 kg) nos llevó a generar una serie de ideas y posibles alternativas en el diseño, pasando desde la más simples y simplificadas a otras con características más distintivas y elaboradas.

En primer lugar, es necesario tener presente que un cuerpo siempre está en equilibrio estable si su centro de gravedad está más abajo del centro de carena (o centro geométrico del volumen sumergido). En cuerpos homogéneos que flotan, esto es imposible, y es necesario cumplir otras condiciones, que todos los que estemos o hayamos pasado por el curso de mecánica de fluidos deberíamos saber. El barco que ideamos no es un cuerpo homogéneo, por lo que necesitamos ubicar el centro de gravedad lo más abajo posible, para lograr una mayor estabilidad.

El Diseño

Decidimos, una forma simétrica del barco en ambos ejes (transversal y longitudinal) para conseguir una mayor estabilidad del barco.

Nuestras primeras ideas consideraron secciones transversales triangulares (triángulos invertidos) , pero preferimos idear una forma para que el casco concentrara una mayor parte de masa de forma por lo que luego consideramos formas de trapecios, y posteriormente diseñamos una biconcavidad en la parte inferior de manera de estabilizar aun más la figura.

La base del barco esta compuesta por una forma elipsoidal, cuyas transversales son en lado mayor de la especie de trapecio antes mencionado . (todas estas secciones son proporcionales entre sí), los extremos tienen forma triangular para una mejor terminación.

Los ejes son 20 cm y 46 cm los ejes menor y mayor respectivamente, los triángulos finales son de base 8 cm y alto 5 cm, unidos a 2 cm del extremo. Por lo que el largo del barco queda finalmente de 52 cm. El alto en su sección central ( y por lo tanto mayor) es de 16 cm. (ver fotos)

El barco en su extremo posee una lamina metalica movible, para recibir el impacto del chorro de agua.

Análisis Estabilidad

Consideremos en primer lugar la condición de flotación.

E-W=0

En cuerpos flotantes, la fuerza de empuje (E) que se produce sobre este equivale al peso del volumen del fluido desplazado, o volumen de carena.

La línea de flotación, debe ubicarse 5 cm bajo la base del barco, por lo que recordando un poco el curso “calculo” y con mucha paciencia, obtuvimos que el volumen de carena es 3000 cc , (0.003m3)

E=VC*peso del agua = 0.003*1000*9.8 = 29.4 N

Por lo que la masa del barco (más la botella de agua) debe ser de 2.9 Kg y debe esta distribuida de forma de ubicar el centro de gravedad los mas abajo posible; ya que por simetría del barco (y notando también que la botella se ubicará al centro del barco) , el centro de gravedad y el centro de carena se ubican en la misma vertical

La construcción

La estructura del barco constará de una serie de láminas, de madera de balsa, con la forma de la sección transversal ya mencionada y con las dimensiones correspondientes al diseño, para luego forra este esqueleto con palos de maqueta. Finalmente se cubrirá con monokote, para sellar e impermeabilizar nuestro barco.

Estos materiales son de poca densidad y peso, para asegurar la flotabilidad en el agua.