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• Christian Paul Fausto Ruiz

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Instituto Tecnológico Nacional de México Campus Culiacán Instituto Tecnológico de Culiacán Fundamentos de Física

Índice Titulo del trabajo…..3 Definición del problema…..4 Justificación…..5 Objetivos….6 Marco referencial….7 Antecedentes…..9 Diseño metodológico…..10 Tipo de estudio….11 Sistema de hipótesis y variables…..12 Población y muestra…..12 Instrumentos…..13 Equipos…..13 Procedimiento…..13

Aspectos administrativos…..14 Fuentes bibliográficas…..15

Un barco a vapor para el mejoramiento del medio ambiente utilizando la primera ley de la termodinámica y la tercera ley de newton de acción y reacción.

Definición del problema Se pretende lograr la construcción de un modelo a escala representado en un barco, el cual deberá ser impulsado por energía térmica y de forma autónoma por un lapso de tiempo determinado por el elemento combustible en este caso una vela. En la práctica de los barcos convencionales trabajan con combustibles fósiles y contaminan demasiado lo que se pretende con este proyecto reducir la contaminación realizando un trabajo útil. Desde el tiempo de los griegos, se ha estudiado el uso del vapor como medio de propulsión para distintos medios de transporte. A lo largo de la historia, se ha construido máquinas de vapor que han propulsado coches, trenes o barcos, demostrando que tan solo el calor podían ser suficientes para propulsar un vehículo. El siguiente proyecto “Barcos de vapor” se basa en la primera Ley de la Termodinámica en que la energía no se crea ni se destruye sino que solo se transforma. El equipo de investigación ha innovado, construido y mejorado el producto final (barco). Antes de todo este proceso de invención hemos formulado varias incógnitas frente al tema de dicha investigación, tales como: ¿Será cierto que el vapor de agua puede accionar una máquina?, ¿Cuál será el tamaño y el peso adecuado del barco para que se propulse por medio del vapor?; ¿Cómo se elabora la caldera para que el barco pueda navegar?, en fin muchas dudas. Pero a través de varios intentos se fue perfeccionando la idea, hasta llegar a la construcción eficiente de tal artefacto. Estas inquietudes permiten identificar y direccionar este proyecto, siendo un punto de salida y fuente de constante reflexión para abordar el problema y construir el camino que permite resolver esta preocupación. La respuesta a estas inquietudes se vislumbra desde el abordaje del tema a través de diversos autores e investigadores que han adelantado estudios en pro de esta propuesta, y otras vendrán del trabajo activo y directo que se realiza en la Institución. El camino se presenta prometedor para identificar y construir estrategias facilitadoras de un aprendizaje, por medio de la experimentación e interacción entre los integrantes. Cabe además destacar los aportes recibidos a nivel de los instructores involucrados en el asunto, como medidas a tener en cuenta, conceptos, proposiciones de diseño, entre otras.

Antecedentes Desde la existencia del hombre se evidencia el deseo de hacer grandes descubrimientos, partiendo de una hipótesis simple o por una leve inclinación hacia la curiosidad y/o las ganas de innovar frente a los otros. Estas innovaciones pueden haber surgido a causa de pequeños interrogantes permitiendo que los seres humanos tengan avances significativos a través del tiempo. La sentida necesidad constante del hombre por descubrir lo ha llevado a crear ideas a veces catalogadas de “irracionales”, pero luego de un proceso que se lleva a cabo teniendo en cuenta la imaginación, las alternativas de solución, la innovación, la elaboración, el perfeccionamiento y el accionar hasta llegar a una demostración de que su ideal fue llevado a cabo con éxito; partiendo de un conocimiento empírico nacido de las experiencias y hallazgos casuales. Cuenta la historia que en el año de 1629 que el arquitecto Giovanni Branca diseñó una máquina capaz de realizar un movimiento en base al impulso que producía sobre una rueda el vapor que salía por un caño. Este fue el primer intento de construcción de las que hoy se llaman turbinas de acción. La mayor aplicación de las posibilidades de la máquina como reemplazante de la tracción a sangre consistía en la elevación de agua desde el fondo de las minas. Por ello la primera aplicación del trabajo mediante la fuerza del vapor cristaliza en la llamada máquina de fuego de Savery. La máquina de Savery consistía en un cilindro conectado mediante una cañería a la fuente de agua que se deseaba bombear, el cilindro se llenaba de vapor de agua, se cerraba la llave de ingreso y luego se enfriaba, cuando el vapor se condensaba se producía un vacío que permitía el ascenso del agua. El invento protagonista de la revolución industrial ha sido la máquina de vapor, que ha ido evolucionando gracias a los aportes dados por diferentes estudiosos del tema, este invento ha servido como punto de referencia para la construcción de medios de transporte (aéreo, marítimos y terrestres). En la actualidad las máquinas a vapor son poco utilizadas, ya que son de poca resistencia y eficiencia y se requiere de energía más potente para el uso sobre todo a nivel industrial, entonces se ha recurrido preferencialmente a las turbinas.

Justificación La utilización de la energía en las aplicaciones industriales es uno de los aspectos que debe dominar el profesional relacionado con el desarrollo de dispositivos o máquinas, que van a ser empleados en los procedimientos de una empresa. La energía puede estar en la naturaleza presente de muchas formas: eólica, hidráulica, eléctrica, térmica etc. Como una buena introducción al tema de la energía, sería estudiar el motor para convertir la energía calórica, de la llama de una vela, en energía de presión de vapor de agua que pueda ser empleada para el movimiento de un pequeño bote. Desde tiempos de los antiguos griegos, se ha estudiado el uso del vapor como medio de propulsión para distintos medios de transporte. A lo largo de la historia, se han construido máquinas de vapor que han propulsado coches, trenes, o barcos, demostrando que tan solo el agua y el calor podían ser suficientes para propulsar un vehículo. En nuestro caso, hemos aprovechado el principio de acción-reacción para mover nuestro barco. El agua presente en el interior de nuestra caldera metálica, al calentarse por la transmisión de calor del mechero a la caldera en la cual el agua, pasa a estado gaseoso (vapor) y aumenta la presión en el interior de la caldera. Este vapor a presión encuentra una vía de escape en la obertura que hemos realizado, produciendo un empuje sobre el tubo de escape, que al estar montado en nuestra plataforma, hace que esta se mueva. A partir de elementos caseros se pretende elaborar un modelo de bote que pueda ser propulsado a vapor gracias a una llama, la cual calentara un tubo o lata con agua (caldera), haciendo que esta se evapore y salga por medio de un orificio. La naturaleza del proyecto es la demostración de que es posible que una embarcación se traslade de un lugar a otro por medio de vapor de agua, sin necesidad de utilizar combustibles fósiles. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte.

Marco teórico Funcionamiento: El agua al calentarse, pasa al estado gaseoso, es decir que se convierte en vapor, generando una presión, la cual sirve para ejercer una fuerza que impulsa el barco. El medio de propulsión utilizado fue elaborado con popotes, estos al contener agua y al ser expuestos a una alta temperatura generan una presión la cual permite el movimiento del barco. Principios Físicos: El principio básico de la máquina de vapor es la transformación de la energía calorífica del vapor de agua en energía mecánica, haciendo que el vapor se expanda y se enfríe en un cilindro equipado con un pistón móvil. El vapor utilizado en la generación de energía o para calefacción suele producirse dentro de una caldera. Principio de acción-reacción: Someter los elementos a calentamiento en muchas ocasiones es de vital importancia para que estos presenten algún cambio (movimiento). Se demuestra claramente que el agua se evapora así procede a la acción, la reacción es cuando gracias al vapor crea el movimiento. Máquina de vapor: dispositivo mecánico que convierte la energía del vapor de agua en energía mecánica y que tiene varias aplicaciones en propulsión y generación de electricidad. El principio básico de la máquina de vapor es la transformación de la energía calorífica del vapor de agua en energía mecánica, haciendo que el vapor se expanda y se enfríe en un cilindro equipado con un pistón móvil. El vapor de agua: es un gas que se obtiene por evaporación o ebullición del agua líquida o por sublimación del hielo. Es inodoro e incoloro. Muy enrarecido, el vapor de agua es responsable de la humedad ambiental. En ciertas condiciones, una alta concentración, parte del agua que forma el vapor se condensa y se forma niebla o, en concentraciones mayores, nubes. Final del formulario Barco: Un barco es cualquier construcción cóncava y fusiforme, de madera, metal, fibra de vidrio concreto u otro material, que por su forma es capaz de flotar en el agua y que se utiliza para navegar como medio de transporte. Barco, por lo regular, es un término genérico con el que se puede referir tanto a una ligera canoa como a un imponente portaaviones. También se puede considerar como código de barras a todo vaso flotante de forma simétrica respecto de un plano longitudinal vertical, llamado plano de crujía, provisto de medios de propulsión y gobierno, que reúne las siguientes condiciones: •Flotabilidad, Solidez o resistencia, Estanqueidad, Estabilidad, y Navegabilidad (Velocidad y evolución).

Tubería de cobre: Tubos redondos sin soldadura, para agua y gas en aplicaciones sanitarias y de calefacción. Reciclaje: El reciclaje es un proceso fisicoquímico o mecánico que consiste en una materia o un producto ya utilizado un ciclo de tratamiento total o parcial para obtener una materia prima o un nuevo producto. También podríamos definir como la obtención de materias primas a partir de desechos, introducir los nuevos en el ciclo de vida y producir la perspectiva del agotamiento de los recursos naturales, económico y para eliminar eficazmente los desechos.

Objetivos Objetivos Generales Desarrollar un trabajo colaborativo sobre el funcionamiento del barco a vapor. Crear estrategias que permitan propulsar un barco a través del vapor de agua. Objetivos Específicos Diagnosticar el uso de fuentes alternativas de energía. Identificar las alternativas existentes en el medio para la construcción del barco propulsado a vapor. Desarrollar el contenido con respecto a las distintas utilizaciones del vapor. Presentar el avance o revolución que adquirió la implementación de motores a vapor. Aplicar la primera ley de la Termodinámica y el concepto de Presión-Vació a través del pistón.

Diseño metodológico Siendo una investigación científica observar mediante prácticas previas la redacción de dicho proyecto analizando cada resultado. Crear las hipótesis que surgían como teorías 30 cada acto que observamos al momento de construir el barco de vapor. Experimentar marco a la hora de ponerlo prueba.

Sistema de hipótesis y variables La energía Termodinámica producida por el vapor, suele ser la más eficiente y económica para postular grandes embarcaciones a nivel industrial antiguo y en la actualidad. Debido a los avances tecnológicos, el llamado “Barco de Vapor” puede ser sustituido por barcos con mejores fuentes de energías que conllevan a una eficiencia general del mismo. El barco estaría en desequilibrio, se le agregara más peso al mismo, o dicho de otra manera, habría un desbalance en el mismo. La hipótesis que plantearemos para el desarrollo de la actividad será que solamente flotará el barco que realicemos en madera, los demás se hundirán. Factores La temperatura del agua y del espacio. Que se produzca en lugar al aire libre o cerrado (por tanto que haya viento o no). Tipo de agua. Se elije la variable dependiente, independiente y variable control. La variable dependiente es la que se estudia: la flotabilidad, la independiente: los materiales, cómo según el material empleado se flotará o no. Y en este caso como variable control, tendremos la forma del barco: que será siempre la misma. Las variables La variable independiente: masa y volumen. La variable dependiente: flotabilidad. Las variables extrañas: forma Una vez que hemos realizado la investigación se le explicará a los alumnos que mediante el descubrimiento de Arquímedes (Principio de Arquímedes), existe una fuerza de empuje sobre un cuerpo sumergido o parcialmente sumergido en un fluido en reposo al que llamaremos empuje hidrostático y que se mide en newtons. Entre los factores que intervienen en este proceso se encuentra la densidad del fluido (que provoca una mayor resistencia al cuerpo). Población y muestra La Máquina de Vapor en el agua: El primer Barco comercial a vapor fue inaugurado por Robert Fulton en Nueva York para 1807. El viaje se hizo entre las ciudades de Nueva York y Albany con más de 200 km de distancia iniciando los cambios en el transporte marítimo.

Aspectos administrativos Recursos humanos Los constructores de barcos construyen una amplia gama de barcos incluyendo embarcaciones a motor, yates, botes y barcos de distintos tamaños. Asimismo, se encargan de mantener, reparar y restaurar los barcos y sus accesorios. Diseñador de embarcaciones, se encarga de elaborar los planos de la embarcación de acuerdo a las necesidades planteadas. Constructor de embarcaciones, toma el plano elaborado por el diseñador y se encarga de moldear, cortar y ensamblar los materiales.

Presupuesto y materiales La fabricación de una embarcación de cualquier tipo ya sea de motor o vapor, es muy costoso ya que se utilizan riales bastantes caros, no se puede utilizar cualquier material, tiene que ser de calidad y el adecuado. Además la mano de obra es muy costosa. Madera $50´000,000.00 Acero laminado $200´000,000.00 Fibra de vidrio $70´000,000.00 Ferrocemento $2´750,000.00 Pintura $1´000,000.00 Tubería $8´000,000.00

Instrumentos Para la elaboración de nuestro proyecto elegimos hacer un barco a vapor debido a la contaminación ambiental en los mares y así poder cuidar el medio ambiente y a todos los seres vivos que viven en el mar y reducir el uso del combustible para así poder reducir la contaminación uno de los instrumentos principales para nuestra realización de la investigación fueron los medios de comunicación y como se habla de la extinción de animales. Equipos Utilizamos únicamente un teléfono celular para grabar el resultado del barco, y una computadora para realizar la investigación. Procedimiento 1. Cortar láminas de plástico 2. Dar forma al barco mediante diversas habilidades y destrezas. 3. Hacer un orificio en la base del barco. 4. Laminar lata de metal 5. Colocar el Cervantes en la lata de metal y sellar en su en su totalidad. 6. Verificar que no existan fugas de agua en la lata. 7. Introducir la caldera. 8. Sellar orificios de la base del barco correctamente. 9. Pintar y esperar que seque. 10. Colocar la caseta. 11. Colocar la fuente de calor (velas) por debajo de la caldera 12. Encenderé y verificar su funcionamiento

Fuentes bibliográficas Karina Ayala, K. A. (s.f.). Marco barco de vapor Teórico. Recuperado 9 diciembre, 2019, de https://es.scribd.com/document/310002607/Marco-barco-de-vaporTeorico IV. LOS BARCOS DE VAPOR. (s.f.). Recuperado 9 diciembre, 2019, de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/067/htm/s ec_8.htm Barco a vapor - EcuRed. (s.f.). Recuperado 9 diciembre, 2019, de https://www.ecured.cu/Barco_a_vapor Colaboradores de Wikipedia. (2019, 8 diciembre). buque propulsado por máquinas de vapor. Recuperado 9 diciembre, 2019, de https://es.wikipedia.org/wiki/Barco_de_vapor