INTRODUCCIN
Marco terico.
En este trabajo podremos apreciar el principio de conservacin de
la energa, a travs del generador hidrulico para saber as, como es
que se transforma la energa mecnica a elctrica.
La conservacin de la energa mecnica1 es una ley y es el origen
de la expresin fuerza conservativa. Cuando la energa mecnica de un
sistema se conserva, podemos relacionar la energa mecnica final del
sistema con la energa mecnica sin tener que considerar el
movimiento intermedio ni el trabajo realizado por las fuerzas
involucradas. Por lo tanto, la conservacin de la energa mecnica nos
permite resolver problemas que podran ser difciles de resolver a
partir de las leyes de Newton. Cabe mencionar que la energa mecnica
no depende de la trayectoria, en caso de que no haya friccin; como
es el caso del generador hidrulico.
Para iniciar la elaboracin de este proyecto de tipo
experimental, comenc con la bsqueda de informacin de diversas
fuentes como lo son pginas de internet y libros para poder saber y
respaldar el principio en el que se basa este proyecto, que es un
generador hidrulico.
Conociendo los siguientes conceptos bsicos:Principio de
conservacin de la energa: El Principio de conservacin de la energa
indica que la energa no se crea ni se destruye; slo se transforma
de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energa total
permanece constante; es decir, la energa total es la misma antes y
despus de cada transformacin. En este prototipo las energas2 que
experimentan transformacin son:Energa potencial: Es la energa que
se le puede asociar a un cuerpo o sistema conservativo en virtud de
su posicin.Energa cintica: La energa cintica es una magnitud
escalar asociada al movimiento de cada una de las partculas del
sistema.Energa mecnica: Es la energa que se debe a la posicin y al
movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energas
potencial y cintica de un sistema mecnico.Energa hidrulica: Es
aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energas cintica y
potencial de la corriente del agua, saltos de agua o
mareas.Hidrulica: Es una rama de la fsica y la ingeniera que se
encarga del estudio de las propiedades mecnicas de los fluidos. Los
conceptos de la Mecnica de Fluidos se resumen en tres captulos:
esttica, cinemtica y dinmica. En la esttica se estudia el agua en
reposo; en la cinemtica se trata de las lneas de flujo y de las
trayectorias y en la dinmica se estudian las fuerzas que producen
el movimiento del agua.Principio de Bernoulli: Tambin denominado
ecuacin de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el
comportamiento de un flujo laminar movindose a lo largo de una
corriente de agua. Fue expuesto por Daniel Bernoulli expresa que en
un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en rgimen de
circulacin por un conducto, la energa que posee el fluido permanece
constante a lo largo de su recorrido. La energa de un fluido en
cualquier momento consta de tres componentes:1. Cintica: es la
energa debida a la velocidad que posea el fluido.2. Potencial
gravitacional: es la energa debido a la altitud que un fluido
posea.3. Energa de flujo: es la energa que un fluido contiene
debido a la presin que posee.
Su ecuacin es:P1 + 1/2pV12 + gph1 = P2 + 1/2pV22 + gph2Gasto
hidrulico: Tambin se llama ecuacin de continuidad, representa la
conservacin de la masa: significa que la masa no puede ser creada
ni destruida, slo se puede transformar, similar a la conservacin de
la energa. Para un fluido incompresible, es decir de densidad
constante, la ecuacin de continuidad se reduce a: G= AVLa misma
cantidad de fluido que entra por un lado del tubo es la que sale
por el otro lado, en el mismo intervalo de tiempo.Objetivos
Construir un generador de energa hidrulica que aproveche el
movimiento del agua. Obtener energa elctrica a partir de la energa
hidrulica que producir el generador a travs de un motor. Describir
donde y qu tipo de energa se transforma en dicho generador.
ProblemaEl principal problema que aborda este proyecto
experimental, es que se puede abastecer de energa elctrica a una
comunidad; aprovechando los grandes caudales de agua; como son ros,
cascadas, presas; entre otros, tomando en cuenta que deber ser un
generador hidrulico de mayor tamao; ya que en el prototipo
realizado; se podr observar que los voltios que genera, sirven para
cargar la pila de un celular; por lo que ser el principal uso de
energa elctrica que se le puede dar, a este. Observando que esta
energa ser generada sin contaminar el medio ambiente; debido a su
conservacin y transformacin.Hiptesis Dependiendo del agua
suministrada al bote dispensador; podemos afectar la intensidad
luminosa de los leds y los voltios generados.
DESARROLLOEl generador hidrulico se refiere a un sistema
generador de energa elctrica, a partir del movimiento del agua que
pasa, bien por un solo canal a travs de las cucharas; que recibirn
el agua, haciendo girar la rueda de madera, que a su vez esta har
girar un engrane adaptado al motor de 12volts, para as hacer
prender 3 leds y obtener energa elctrica, observando cuantos
voltios marca en el voltmetro.Posteriormente sabiendo porque
principio se rige el generador hidrulico y lo que se debe cumplir
comenc con la elaboracin del prototipo: se intenta obtener un
generador hidrulico que tenga las caractersticas de uno aplicado a
las presas, caudales, ros, etc.Utilizando los siguientes
materiales:Costos 1 motor de 12 v 5 cucharas de plstico Barra de
electrodo 1 dispensador de agua Base de madera (armada con bloques)
Recipiente para la cada del agua Una circunferencia Tecnopor Tubo
de pvc Voltmetro con sus respectivos cables. Bote con agua Leds (3)
Engrane, faja
CONSTRUCCIN DEL PROYECTO 1.- Se colocan las 5 cucharas en el
sostenedor circular de tecno por (dimetro 4cm, con un espacio entre
cada cuchara de 2 cm), de forma horaria, teniendo en medio un
balero para hacer girar la hlice (en medio de la hlice, ya con las
cucharas).
2.- En la base de madera fija ser de 30cm por 31cm: previamente
armada en cual se tendr un balde en el cual sostendr la hlice que
producir el giro, se coloca en forma diagonal, para que sirva como
cada del agua circulada a travs de las hlices de cucharas.
3.-Se deber colocar el recipiente para la cada del agua debajo
del tubo del pvc,
4.- Posteriormente se colocara la hlice en la parte media del
balde sujetada por una barra de electrodo a presin, (en los
extremos del palo se colocaran un electrodo, uno en cada lado
fijado en los bloques delanteros), de manera que alcance a sujetar
el engrane que ir al extremo.
5.-Se coloca el motor de 12 volt del lado de un bloque que
detiene a la hlice, sostenido por una pequea base cuadrada, de
medidas 4 por 5cm, encima de este se colocara el engrane; este har
girar el eje del motor, para que por medio de este, sea transferida
la energa. Sabiendo que un motor: es una mquina elctrica que
transforma energa mecnica en energa elctrica por medio de campos
electromagnticos variables. Algunos de los motores elctricos son
reversibles, pueden transformar energa mecnica en energa elctrica
funcionando como generadores, tal es el caso del que se utiliz.
6- En los extremos de tablero irn tres 3 leds que debern ser
encendidos por el movimiento del motor a travs del engrane,
7.-Finalmente puede ser probado dicho generador, para ello debe
conectrsele al motor un voltmetro, para tomar notas de los voltios
generados por el flujo del agua, y as observar el funcionamiento,
comprobar los objetivos y tomar nota de lo obtenido.
Observaciones:Una observacin que note con este generador; es que
se puede saber el gasto hidrulico a partir de:Ecuacin de
Continuidad :
Ecuacin de Bernoulli:P1 + 1/2pV12 + gph1 = P2 + 1/2pV22 + gph2g
ph = 1/2pV22 G=AVgph/1/2p = V22(2gh) 1/2 = VDatos:h=11 cm= 0.11m
(altura desde el orificio hasta el nivel mximo de agua)g=9.81 m/s2
(gravedad)d=1 cm=0.01m (dimetro del orificio donde saldr el
agua)A=7.8537X10-5 m2 (rea del dimetro del orificio del agua)V=
velocidad y P= presinSabiendo los datos podremos sustituir:V=
[2(9.81)(0.11)]1/2=1.47m/sPor lo tanto el gasto es: G=
(7.8539X10-5)(1.47)=1.15X10-4 m3/s=0.15 L/s.Hallando caudal: Q =
V/tQ=2L/ 21.74. segQ=0.09 L/s-Para lograr que funcionara
adecuadamente se tuvieron que colocar correctamente las cucharas,
porque sino estas no giraban uniformes y por lo tanto no se podra
generar energa elctrica (alcanzar 4 voltios).-Una complicacin que
surgi fue que se haba colocado un engrane ms pequeo, al usado
actualmente; este no hacia girar tan rpido el eje rotor del motor
generador, por lo que se le ingreso uno ms grande para acelerar el
eje rotor del motor; y al eje rotor se le coloco al contorno goma
neumtica para que alcanzara sin problemas el engrane (usado
actualmente), de esta manera se logro que funcionara correctamente
el generador hidrulico.RESULTADOSSe tom en cuenta diferentes
cantidades de agua (comenzando por 1 litro hasta llegar a un mximo
de 4 litros), para saber si la cantidad de agua empleada afecta a
los voltios generados y el encendido de los leds, sabiendo as de qu
depende. Se obtuvo lo siguiente:
Cada litro empleado afectaba el giro de la rueda, por lo que
conforme aumentaba la cantidad de agua se iban alcanzando mas
voltios; llegando as a un mximo de 4.7 voltios y obteniendo una
intensidad de luz alta en los leds; los voltios generados pueden
servir para la carga de batera de un celular; debido a que dicha
batera debe alcanzar de 4 a 5 voltios; lo que significa que se le
puede dar un uso en la vida cotidiana
ANALISIS E INTERPRETACION DE RESULTADOSCon respecto a los
resultados obtenidos, se puede saber que la intensidad de luz y los
voltios generados dependen de la cantidad de agua que se emplee;
pues esta, a mayor cantidad sale con mayor presin, esta presin hace
que la hlice de las cucharas se mueva con ms rapidez, conservndose
y transformndose, de esta forma la energa que va de potencial: al
momento de caer el agua; a cintica: al momento de girar la hlice, y
estas dos energas se transforman en mecnica, transformndose dicha
energa mecnica a energa elctrica, a partir del motor generador;
puesto que la corriente generada es producida cuando el campo
magntico creado por un imn o un electroimn fijo (inductor)
atraviesa una bobina rotatoria (inducido) colocada en su seno; es
decir, la bobina almacena energa elctrica en forma de campo
magntico cuando aumenta la intensidad de corriente, devolvindola
cuando sta disminuye; la intensidad de corriente ser medida por el
voltmetro.Los leds se logran prender con alta intensidad si se deja
caer 4 litros de agua, pues si es disminuido el flujo a 1 litro slo
prendern con intensidad baja; pues al dejar caer mayor flujo la
energa elctrica que se obtiene es un mximo de 4.7 volts; lo cual
solo se esperaba de 3 a 4, por lo tanto el prototipo resulto
satisfactorio para demostrar la conservacin y transformacin de la
energa.Por otro lado podemos decir, que si aumentamos la altura de
la cada del agua, caer esta con mayor presin haciendo girar aun ms
la rueda, logrando as el encendido de los leds a mayor intensidad
luminosa y obteniendo mayor voltaje, no se utilizo a mayor altura
debido a su medio de transporte. Tambin si se tomara en cuenta que
la rueda o hlice fuera ms pequea, teniendo el bote a la misma
altura que tenemos, aumentara la velocidad de esta, porque
disminuye su volumen y esto provocara prender los leds a alta
luminosidad y obtener un voltaje mayor, no se utilizo de esta
manera porque dificultara el ingreso de las cucharas.Al construir
el generador, obtuvimos los siguientes valores en la energa
elctrica: 3.6, 4.2, 4.5 y un mximo de 4.7 voltios; por lo tanto el
prototipo resulto satisfactorio para generar corriente elctrica. En
base a los objetivos, podemos decir que se cumple la transformacin
y conservacin de la energa debido a que las energas
presentes(potencial, cintica, mecnica y elctrica) en el
funcionamiento del generador conllevan a la energa hidrulica; ya
que es aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energas
cintica y potencial de la corriente del agua; y que genera energa
elctrica. Cabe mencionar que el principio de conservacin de la
energa mecnica se cumple debido a que no interviene la fuerza
friccin, puesto que si interviniera afectara al sistema, ya que
habra prdidas de energa, y la energa inicial sera diferente a la
final, por lo tanto no habra conservacin de energa.Por otro lado el
uso de la energa hidrulica tiene ventajas: es una energa renovable
y limpia de alto rendimiento energtico, es una energa inagotable y
ecolgica, debido al ciclo del agua su disponibilidad es inagotable,
es una energa totalmente limpia; no emite gases, no produce
emisiones txicas, y no causa ningn tipo de lluvia cida, permite el
almacenamiento de agua para abastecer fcilmente a actividades
recreativas o sistemas de riego, gracias a ella se pueden regular
los controles de flujo en caso de que haya riesgo de una inundacin.
As como tambin conlleva a diversas aplicaciones que pueden servir
de utilidad para el ahorro de energa elctrica y el combustible;
podemos decir que sus aplicaciones del generador hidrulico son en:
viviendas rurales, sistemas de riego y conexiones a la red elctrica
para la venta de corriente elctrica.Para el futuro de la energa
hidrulica se espera que las pequeas centrales tenga un importante
auge en poco tiempo, una vez que se vayan ocupando los recursos
hdricos de gran dimensin, el mnimo impacto ambiental que provocan
frente a otras alternativas, tienen como un punto favorable para su
desarrollo.
ConclusinLos generadores elctricos son mquinas muy confiables,
tienen alta resistencia a elevados esfuerzos elctricos, mecnicos,
trmicos y ambientales. Se espera de estos equipos una vida til de
treinta aos de trabajo continuo. Sin embargo, pueden sufrir fallas
que es necesario prevenir. All radica la importancia de conocer los
mecanismos de deterioro que permita tomar acciones preventivas que
eviten su salida por falla
Anexos
REFERENCIASBibliografa:-Fsica. Paul E. Tippens. Conceptos y
aplicaciones. Editorial McGraw-Hill, 6ta edicin, 2001.- Raymond
A.Serway-Jerry S.Faughn. Fundamentos de fsica. Editorial Thompson.
2010.-Paul A. Tipler. Fisica para la ciencia y tecnologa. Editorial
Revert 6ta edicin. Mxico, 2010
