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Informe de proyecto del curso FÍSICA 2 Facultad de Ciencias

UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE – CIENCIAS

DISEÑO Y ELABORACIÓN DE UN SIMULADOR DE ELEVADOR HIDRÁULICO, EMPLEANDO EL PRINCIPIO DE PASCAL, PARA FACILITAR EL TRANSPORTE DE CARGAS

ELABORATION OF A HYDRAULIC ELEVATOR SIMULATOR, USING THE PASCAL PRINCIPLE, TO FACILITATE THE TRANSPORT OF LOADS Sthefy Ramírez G.(1), Solangel Sanchez C.(2), Jordan Sanchez C.(3) y César Villanueva R. (4)

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Estudiante de la Universidad Privada del Norte (UPN)

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Estudiante de la Universidad Privada del Norte (UPN)

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Estudiante de la Universidad Privada del Norte (UPN)

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Estudiante de la Universidad Privada del Norte (UPN)

Docente: Lenin Araujo Castillo

Trujillo, La Libertad, Perú Diciembre – 2020

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AGRADECIMIENTOS

El presente proyecto de investigación fue realizado bajo la supervisión del docente Lenin Araujo Castillo, a quien le expresamos nuestro más profundo agradecimiento, por hacer posible la realización de este trabajo. Además, de agradecer su paciencia, tiempo y dedicación para que este proyecto pueda terminarse de manera satisfactoria. Agradecemos también a todos nuestros amigos que, de alguna forma, ayudaron a concluir este trabajo. A nuestras familias, por el apoyo moral e incentivo en los momentos difíciles. Aquellos que no citamos y que hicieron parte, directa o indirectamente, de esta etapa de nuestras vidas. ¡MUCHAS GRACIAS!

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RESUMEN

El siguiente proyecto se genera a partir de la idea de llevar materiales de una planta baja hasta un segundo nivel, empleándose en su mecanismo fluidos como la hidrolina, requeridos por el propio personal. Debido a este problema nuestro equipo de trabajo se propuso a elaborar un prototipo o simulador de elevador hidráulico con cargas que va desde de 50 kg hasta 150 kg, pero que puede ser utilizado en una proporción mayor. Se ha utilizado el principio de pascal para facilitar el transporte de materiales a una segunda planta. El proyecto comenzó con la búsqueda de datos necesarios para realizar una estructura capaz de soportar y en base de estos datos encontrar un elemento de marco o armadura capaz de cumplir con la tarea eficientemente. Para obtener estos datos teóricamente fuimos aplicando todos los conocimientos ya aprendidos hasta este momento, como es el caso del principio de pascal, tema que desde ya serán aplicados en nuestra carrera, por eso que es de suma importancia elaborar, desarrollar y aplicar los diferentes cálculos que se verán en nuestro proyecto.

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ABSTRACT

The following project is generated from the idea of taking materials from a ground floor to a second level, using fluids such as hydroline, required by the staff themselves. Due to this problem, our work team decided to develop a prototype or simulator of a hydraulic lift with loads ranging from 50 kg to 150 kg, but which can be used in a higher proportion. The pascal principle has been used to facilitate the transport of materials to a second floor. The project began with the search for the data necessary to make a structure capable of supporting and based on this data to find a frame or armor element capable of fulfilling the task efficiently. To obtain these data theoretically we have been applying all the knowledge already learned up to this moment, as is the case of Pascal's principle, a subject that will already be applied in our career, so it is of the utmost importance to elaborate, develop and apply the different calculations that will be seen in our project.

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1.

INTRODUCCIÓN

Actualmente, seguimos presenciando la poca eficacia por parte de la mayoría de empresas que aún siguen utilizando elevadores mecánicos, provocando accidentes laborales al instante que se tenga que subir cargas de una planta a otra; que por diversos factores, ya sea por los operarios que se encuentran expuestos a riesgos innecesarios por parte de una maquinaria ineficaz para la seguridad industrial, o el tiempo perdido al transitar estos tipos de materiales pesados, ocasionando que se tomen mucho más días de lo debido mientras se está realizando la obra, puesto que se emplea un esfuerzo humano por parte de los trabajadores de la empresa, haciendo que jamás sea tan eficaz como la tecnología empleada para solucionar muchos asuntos de la vida diaria que tenga una mayor dificultad. Nuestro proyecto tiene como esencia proporcionar los conceptos y procedimientos de toda la información y técnicas de análisis de decisiones necesarias para el diseño y construcción de nuestro elevador hidráulico que ayuden a mejorar la conformidad y la uniformidad de procesos de cualquier trabajo, que constará de una estructura sólida en forma de tijera que tiende a cambiar gradualmente que puede ser trasladado a diferentes lugares cumpliendo con la necesidad del operario, constando de un sistema de fácil manipulación y mayor seguridad por parte del personal al momento de utilizarlo, además de no necesitar mayor inversión para la construcción del elevador. Con la construcción del elevador vamos a poder evitar accidentes laborales y con esto implementar la seguridad industrial en donde se vaya a realizar la obra que necesite de un elevador de carga. Esto puede ser posible gracias al teorema de Pascal, mediante la multiplicación de fuerzas presentes en el elevador hidráulico. Para nuestro proyecto de este ciclo se planteó como objetivo general: Diseñar y elaborar un elevador hidráulico para carga por medio del montaje de componentes mecánicos, eléctricos e hidráulicos.

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2.

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA:

En esta sección, se presenta una revisión bibliográfica sobre los elevadores hidráulicos, del Principio de Pascal, el cual aplicaremos para el funcionamiento de nuestro sistema, fuerza, peso, masa, fluidos, densidad, presión, hidrolina. ● ELEVADORES HIDRÁULICOS Los elevadores hidráulicos son unos aparatos mecánicos que se emplean para levantar objetos pesados, por ejemplo, un automóvil que necesita una reparación común como cambiar una de sus ruedas, facilitando el acceso a éste para que todo el proceso se lleve a cabo con mayor rapidez. Los elevadores se usan con todo tipo de vehículos, desde motos, hasta grandes automóviles, y pueden utilizarse tanto en entornos profesionales como en el ámbito doméstico. Una mesa elevadora de tijera, o una mesa elevadora, como también se denomina, es una mesa de trabajo que se puede elevar y bajar a la posición deseada, haciendo así que el trabajo con objetos pesados sea más ergonómico y reduciendo la necesidad de muchos levantamientos repetidos y manuales. Un elevador de tijera es una solución fiable que dura muchos años. ● PRINCIPIO DE PASCAL Es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623– 1662) que se resume en la frase: “La presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido”. La aplicación de esta ley puede observarse en diversos dispositivos que apelan a la energía hidráulica. El principio de Pascal es la clave del funcionamiento de las prensas hidráulicas, un tipo de máquina se toma como base para la creación de frenos, elevadores y otros dispositivos que se utilizan en las industrias. ● FUERZA Una fuerza es una magnitud capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma dada de un cuerpo o una partícula. No debe ser confundida con los conceptos de esfuerzo o de energía. Según la mecánica clásica, la fuerza que incide sobre un cuerpo es responsable de los cambios en su estado de movimiento, tales como su trayectoria rectilínea y su desplazamiento uniforme, y de imprimirle una aceleración (o

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desaceleración). Además, toda fuerza actuando sobre un cuerpo genera una fuerza idéntica, pero en sentido contrario. ❖ Fuerza de fricción. Es la fuerza que se opone al cambio de movimiento de los cuerpos, ejerciendo una resistencia a abandonar el estado de reposo, o de movimiento, como podemos percibirlo a la hora de echar a andar un objeto pesado al empujarlo. ❖ Fuerza gravitatoria. Es la fuerza que ejerce la masa de los cuerpos sobre los objetos cercanos, atrayéndolos hacia sí. Esta fuerza se hace notable cuando todos o alguno de los objetos que interactúan son muy masivos. El ejemplo por excelencia es el planeta Tierra y los objetos y seres que vivimos sobre su superficie; existe una fuerza de atracción gravitatoria entre ellos. ❖ Fuerza electromagnética. Es la fuerza tanto atractiva como repulsiva que se genera por la interacción de los campos electromagnéticos. ❖ Fuerza de contacto. Es la fuerza que se ejerce a partir del contacto físico directo entre un cuerpo y otro. ❖ Fuerza a distancia. Es la fuerza que puede ejercerse sin contacto físico alguno entre los cuerpos. ● PESO Es la medida resultante de la acción que ejerce la gravedad terrestre sobre un cuerpo. Como peso también puede entenderse una magnitud de dicha fuerza. Asimismo, por extensión, se refiere a toda fuerza gravitacional que, en el Universo, ejerce un cuerpo celeste sobre una masa.

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❖ Peso específico El peso específico es la relación existente entre el peso y el volumen que ocupa una sustancia en el espacio. Es el peso de cierta cantidad de sustancia dividido el volumen que ocupa. En el Sistema Internacional se expresa en unidades de Newtons sobre metro cúbico (N/m3). El cálculo del peso específico requiere de otras propiedades de la sustancia, como la densidad y la masa. Matemáticamente, el peso específico se representa con el símbolo gamma(γ). γ=

Peso Volumen

γ=

N m3

● MASA Es una magnitud escalar que mide la inercia de un cuerpo. Sin embargo, la inercia de un cuerpo está en función de la cantidad de materia que la forma; es aceptable entonces afirmar también que: masa e s la cantidad de materia que tiene un cuerpo; por ejemplo: la masa de un vaso es la cantidad de vidrio que lo forma. La masa de una carpeta es la cantidad de madera, clavo y pintura que lo forma. ❖ Masa Inercial (m i) Se obtiene dividiendo la fuerza aplicada entre la aceleración producida. m i=

F1 F2 F3 = = a 1 a 2 a3

❖ Masa Gravitacional (m g ) Se obtiene dividiendo el peso del cuerpo, entre su respectiva aceleración (g). m g=

W A W B WC = = gA gB gC

● FLUIDOS

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Reciben el nombre de fluidos aquellos cuerpos que tienen la propiedad de adaptarse a la forma del recipiente que los contiene. A esta propiedad se le da el nombre de fluidez. Los líquidos y los gases son fluidos.

❖ Tensión Superficial Numerosas sugerencias sugieren que la superficie de un líquido actúa como una membrana estirada bajo tensión. Esta fuerza, que actúa paralela a la superficie, proviene de las fuerzas atractivas entre las Moléculas. Este efecto se llama tensión superficial. ❖ Viscosidad Es una medida de la resistencia de los líquidos a fluir. Los líquidos que tienen fuerzas intermoleculares fuertes tienen viscosidades altas. La viscosidad disminuye al aumentar la temperatura (las moléculas adquieren energía y se mueven más fácilmente). ❖ Capilaridad Es el ascenso o descenso de un líquido en un tubo de diámetro pequeño (capilar) insertado en el líquido. La acción de la capilaridad es el resultado de la tensión superficial de las fuerzas adhesivas. ● DENSIDAD Es la relación que existe entre la masa de una sustancia (o de un cuerpo) y su volumen. Se trata, pues, de una propiedad intrínseca, ya que no depende de la cantidad de sustancia que se considere. La densidad, propiedad que habitualmente se expresa en kilogramo por metro cúbico (kg/m3) o gramo por centímetro cúbico (g/cm3), varía en mayor o menor medida en función de la presión y la temperatura, y también con los cambios de estado. ● PRESIÓN La presión es una magnitud que mide el efecto deformador o capacidad de penetración de una fuerza y se define como la fuerza ejercida por unidad de superficie. Se expresa como: P=

F S 9

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Su unidad de medida en el S.I. es el N/m2, que se conoce como Pascal (Pa). Un pascal es la presión que ejerce una fuerza de un newton sobre una superficie de un metro cuadrado.

3.

METODOLOGÍA

3.1. Equipos y Materiales Para la realización y construcción del sistema hidráulico se tomó en cuenta los siguientes materiales:

3.2. Programa Autocad

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3.3. Procedimiento Experimental y Obtención de Resultados.

3.3. Programación/Cálculos DATOS: Densidad del agua: ρ=10 3 kg m−3 Área del círculo: Ac = Radios: 10 ml = 0.075m

●

πr2 05 ml = 0.065m

2 −3 2 Ac 10=π (0.0 7 5) =1 8 x 10 m

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●

−3

2

Ac 05=π (0.0 6 5) =13 x 10 m F 10 −3

=

2

18 x 10 m F10

2

=

F5 13 x 10−3 m2

F5 (1,38)

Para una masa de 3 kg (1.38)F 5

=

(1.38)F 5 F5

❖

F

3 kg(9.81 m¿ s 2)

= 29.43 N

= 21.32 N

=mxg

m=

21.32 9.81

= 2.17 kg

Para levantar un peso de 3kg, tenemos que poner un peso mayor que 2.17 kg, ya que lo que acabamos de hallar solo mantiene la estabilidad.

4.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN (para guiarnos)

N.º

Masa mayor que Fuerza ejercida en la jeringa de 5 ml

Fuerza ejercida en la jeringa de 10 ml

Masa levantada

01

1.45 kg

14.22 N

19.62 N

2 kg

02

2.17 kg

21.32 N

29.43 N

3 kg

03

2.90 kg

28.44 N

39.24 N

4 kg

04

3.62 kg

35.54 N

49.05 N

5 kg

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5.

CONCLUSIONES ● El objetivo de este proyecto de investigación es demostrar a partir de un simulador y empleando el principio de Pascal, que con fuerzas pequeñas se pueden levantar masas como las que hemos obtenido. ● A partir de los resultados obtenidos, concluimos que, con los cálculos necesarios, tanto en área y fuerza podemos aplicar este principio en una escala mayor, logrando así levantar masas mayores, como por ejemplo un automóvil, generando en este caso una reducción en costos de las empresas dedicadas al transporte de carros, ya que reduciría el empleo de operarios.

6.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Concepto.de. (31 de Agosto de 2020). Fuerza. Recuperado el 1 de Noviembre de 2020, de https://concepto.de/fuerza/#:~:text=La%20fuerza%20es%20estudiada %20por,y%20la%20fuerza%20nuclear%20d%C3%A9bil. FISICALAB. (s.f.). Presión. Recuperado el 12 de Noviembre de 2020, de https://www.fisicalab.com/apartado/presion Significados. (22 de Febrero de 2019). Significado de Peso. Recuperado el 12 de Noviembre de 2020, de https://www.significados.com/peso/ TERMODINAMICA, F. (30 de Octubre de 2020). Principio de Pascal. Obtenido de https://hernanleon1002.wordpress.com/fisica-de-fluidos-ytermodinamica/primer-corte/marco-teorico/principio-de-pascal/ Translyft. (s.f.). Elevadores de tijera. Recuperado el 30 de Octubre de 2020, de https://translyft.com/es/soluciones/que-es-un-elevador-de-tijera/ VentaGeneradores.net. (19 de Mayo de 2016). Guía Elevador Hidráulico. Recuperado el 30 de Octubre de 2020, de https://www.ventageneradores.net/blog/guiaelevador-hidraulico-que-es-para-que-sirve-como-funciona-tipos/ Wikipedia. (9 de Noviembre de 2020). Fluido. Recuperado el 12 de Noviembre de 2020, de https://es.wikipedia.org/wiki/Fluido

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