Elaboración de un carro de Vapor (Steam Cart)

1. Gavilanes Chávez Isaac Mateo

Universidad Yachay Tech, Facultad de Ciencias y Nanotecnología. Ibarra-Urcuquí, Ecuador.
Isaac.gavilanes@yachaytech.edu.ec
2. Ethan Aaron Guevara López

Universidad Yachay Tech, Facultad de Ciencias y Nanotecnología. Ibarra-Urcuquí, Ecuador.
ethan.guevara@yachaytech.edu.ec

-Aporte de estudiantes de la carrera de Biomedicina de la Universidad de Tecnología Experimental Yachay-

Palabras claves: Termodinámica, Dinámica, Vapor, Velocidad, Acción, Reacción, Fricción y Movimiento.

Resumen  En esta práctica se pretende realizar un estudio experimental de los conceptos fundamentales tanto de la termodinámica como la dinámica, (el calor, las reacciones químicas, la fuerza, la masa y la aceleración). Partiendo de la interrogante de que un objeto pueda o no moverse dependiendo de aquellas áreas que se conocen hasta el momento y ya mencionadas anteriormente (termodinámica y dinámica), con el único propósito de poder comprobar una hipótesis sobre el movimiento de un cuerpo.  Para ello, se utilizarán diversos materiales y dispositivos para la elaboración de un carro accionado por vapor el cual también se lo puede definir en termodinámica como un sistema cerrado (puede intercambiar energía, pero no materia con el exterior). Este carro permitirá medir y analizar el comportamiento de los cuerpos sometidos a diferentes tipos de fuerzas, como el peso, la fricción y la normalidad. Resultando así el movimiento del cuerpo en cuestión (carro) accionado por vapor de agua, con el fin de comprobar la tercera ley de Newton de acción-reacción y Primera Ley de la Termodinámica. Esta comprobación se realizará tanto de forma teórica como práctica. Concluyendo así que la velocidad del carro aumentaba a medida que el motor trabajaba.

Keywords: Thermodynamics, Dynamics, Steam, Velocity, Action, Reaction, Friction and Motion.

Abstract This practice aims to carry out an experimental study of the fundamental concepts of both thermodynamics and dynamics (heat, chemical reactions, force, mass and acceleration). Starting from the question of whether or not an object can move depending on those areas that are known so far and already mentioned above (thermodynamics and dynamics), with the sole purpose of being able to test a hypothesis about the movement of a body. To this end, various materials and devices will be used to make a steam-powered trolley which can also be defined in thermodynamics as a closed system (it can exchange energy but not matter with the outside). This trolley will make it possible to measure and analyse the behaviour of bodies subjected to different types of forces, such as weight, friction and normality. Thus the movement of the body in question (chariot) is driven by water vapor, in order to prove Newton’s third law of action-reaction and the first law of thermodynamics. This check will be carried out both theoretically and practically. Thus, gconcluding that the speed of the chariot increased as the engine worked.

Introducción

La tercera ley de Newton implica que el momento lineal de un sistema aislado se conserva, es decir, que la suma de los momentos lineales de todos los cuerpos que forman el sistema no cambia si no hay fuerzas externas que actúan sobre el sistema. La tercera ley de Newton tiene muchas aplicaciones en la vida cotidiana y en la ciencia, como el funcionamiento de los cohetes, los aviones, los barcos, los automóviles, las armas de fuego, etc.

El carro de vapor es un ejemplo sencillo de cómo la tercera ley de Newton se manifiesta en el movimiento de un cuerpo impulsado por una fuerza interna. [1-4]

La primera ley de la termodinámica describe la relación entre el trabajo, el calor y la energía interna de un sistema. Esta ley es otro planteamiento de la conservación de la energía en términos de variables termodinámicas. Relaciona el cambio de energía interna (∆U) de un sistema con el trabajo ( W ) efectuado por ese sistema y la energía calorífica (Q) transferida a ese sistema o desde él. Dependiendo de las condiciones, la transferencia de calor Q puede generar un cambio en la energía interna del sistema, ∆U. Sin embargo, debido a la transferencia de calor, el sistema podría efectuar trabajo sobre el entorno. Así, el calor transferido a un sistema puede ir a dar a dos lugares: a un cambio en la energía interna del sistema o a trabajo efectuado por el sistema, o a ambos. [2-3]  Para ello, se debe tomar en cuenta la ecuación de la primera ley de la termodinámica (I).

El carro de vapor consiste en una hoja de metal cilíndrica, con una capacidad de unos 500 ml, que tiene un agujero de unos 2 mm de diámetro en el centro de la tapa. La lata se llena con unos 100 ml de agua y se sella con la tapa. La lata se coloca sobre un soporte metálico que tiene una fuente de calor debajo, como una vela o un mechero. El calor hace que el agua se evapore y se convierta en vapor, que aumenta la presión dentro de la lata y sale por el agujero con gran velocidad. El vapor que sale por el agujero ejerce una fuerza sobre la hoja, que es la fuerza de acción. La lata, a su vez, ejerce una fuerza sobre el vapor, que es la fuerza de reacción. Estas fuerzas son iguales y opuestas, y hacen que la lata se mueva en sentido contrario al del vapor. El carro de vapor se coloca sobre una superficie lisa y horizontal, como una mesa o un piso, y se mide la distancia que recorre, el tiempo que tarda en detenerse, la velocidad y la aceleración medias que alcanza. [1-2]

Se utiliza una regla o un metro para medir la distancia, un cronómetro para medir el tiempo y una calculadora para obtener la velocidad y la aceleración. Se repite el experimento varias veces, variando uno de los factores que pueden influir en el movimiento del carro de vapor, como la masa de la lata, la cantidad de agua, el tamaño del agujero o el tiempo de calentamiento, y se registran los datos. obtenidos. Se calcula el momento lineal inicial y final del sistema formado por la lata y el vapor, y se verifica si se cumple la conservación del momento. Se calcula también la energía cinética inicial y final del sistema, y ​​se estima la energía perdida por efecto del rozamiento, el calor y el sonido. Se compara el comportamiento experimental del carro de vapor con el comportamiento teórico esperado según las leyes de la mecánica, y se analizan las posibles fuentes de error y las limitaciones del modelo. Se discuten las conclusiones y las implicaciones del experimento, y se proponen posibles mejoras o extensiones de este.

Metodología

Se presenta un experimento para comprobar la tercera ley de Newton mediante el movimiento de un carro accionado por vapor. Para ello, se utilizó una lata de metal cilíndrica con un agujero en la tapa, que se calentó para generar vapor. El vapor salía del agujero con gran velocidad, impulsando el carro sobre una superficie lisa.

Energía hidráulica: una aplicación directa en prototipo de vehículo propulsado por agua

Los materiales usados en el experimento fueron los siguientes, una lata de metal cilíndrica con un agujero en la tapa: se debe asegurar que el agujero no sea muy grande para impedir la salida del agua y vapor en mayor medida de lo posible, soporte metálico con fuente de calor; tal como una lata de atún, agua destilada, regla o metro y un cronómetro. Véase Figura 1.

Para iniciar con la experimentación se llenó la lata con agua destilada y se selló con el palo de madera, colocando la lata sobre el soporte metálico y encendiendo la fuente de calor, se esperó a que el agua se evaporara y se convirtiera en vapor.

Una vez ebullida el agua se debe retirar el palo para así observar el movimiento del carro sobre la superficie lisa y horizontal.

Repitiendo el experimento variando uno de los factores que podían influir en el movimiento del carro, como la masa de la lata, la cantidad de agua, el tamaño del agujero o el tiempo de calentamiento permitirá determinar las variables presentes en el experimento tales como la influencia del tiempo de ebullición con la posición final de este.  Figura 2.

Con ayuda de una calculadora calculamos el momento lineal inicial y final del sistema, y se verificó si se cumplía la conservación del momento, así también la energía cinética inicial y final del sistema, estimando la energía perdida por efecto del rozamiento, el calor y el sonido.

La comparación del comportamiento experimental del carro de vapor con el comportamiento teórico esperado según las leyes de la mecánica fue mediante un análisis de las posibles fuentes de error y las limitaciones del modelo.

Compararemos nuestros resultados con las predicciones teóricas basadas en la conservación del momento y la energía. Este experimento nos ayudará a comprender los principios de la termodinámica, la dinámica de fluidos y la mecánica.

Resultados

Los hallazgos del experimento respaldan la tercera ley de Newton, que establece que existe una reacción igual y opuesta para cada acción. La acción en este caso es la fuerza que el vapor ejerce sobre el pistón, mientras que la reacción es la fuerza que el carro ejerce sobre la superficie. El experimento demostró que la cantidad de agua en la lata es un factor crucial en el movimiento del carro. La fuerza de reacción aumenta a medida que aumenta la cantidad de agua.

El sistema no fue afectado por fuerzas externas durante el experimento, ya que el momento lineal y la energía cinética se conservaron. Estos resultados corroboran los de otros experimentos con carros a vapor [1], se descubrió que la cantidad de agua en la lata aumentaba la velocidad del carro.

El experimento que se llevó a cabo proporciona una excelente ilustración del papel de las fuerzas en la dinámica. Las fuerzas son las que hacen que los objetos se muevan, y su estudio es fundamental para comprender el comportamiento de la materia.

Intentos	Tiempo de ebullición	Distancia	Cantidad de agua	Cantidad de alcohol	Tiempo recorrido
1	10min	50cm	20ml	25ml	2s
2	15min	1m	30ml	30ml	3,5s
3	20min	1,25m	40ml	35ml	5s
4	30min	2,5m	50ml	40ml	6s
5	40min	4,40m	60ml	45ml	8s

Análisis de los resultados

Los resultados del experimento se pueden analizar de la siguiente manera:

• Velocidad: La velocidad del carro aumentó a medida que aumentaba la cantidad de agua en la lata. Esto se debe a que la fuerza de reacción del vapor es mayor cuando hay más agua.
• Distancia recorrida: La distancia recorrida por el carro también aumentó a medida que aumentaba la cantidad de agua en la lata. Esto se debe a que la fuerza de reacción del vapor actúa durante un período de tiempo más largo cuando hay más agua.
• Aceleración: La aceleración del carro aumentó a medida que aumentaba la cantidad de agua en la lata. Esto se debe a que la fuerza de reacción del vapor es mayor cuando hay más agua, y la masa del carro permanece constante.

Discusión

En base a los resultados se podrían realizar las siguientes modificaciones para mejorar el experimento:

Para acelerar, se debe usar un carro más ligero. Ya que la que la fuerza neta es igual a la fuerza de reacción menos la fuerza de fricción, y la aceleración es directamente proporcional a la fuerza neta. El carro más ligero tiene una mayor aceleración y fuerza de fricción.

Aumentar la velocidad final del carro, usando una superficie con menor fricción. En motivo de que la velocidad final es directamente proporcional a la aceleración y cuando aumenta la fuerza de fricción, disminuye la aceleración. La superficie lisa reduce la fuerza de fricción y aumenta la aceleración.

Medir el efecto del vapor sobre la fuerza de reacción. Esto se debido al hecho de que la fuerza de reacción es igual a la presión del vapor. La presión del vapor tiene un impacto en la fuerza de reacción y la velocidad del carro si se mide.

Conclusiones

 A lo largo del experimento podemos denotar como el calor aplicado sobre la lata influye en el movimiento de esta, esto nos ayuda a entender cómo funcionan los transportes a vapor, así también podemos observar que es un experimento sencillo y práctico para entender la tercera ley de newton, sabiendo que, para el cambio de estado de reposo del carrito, debemos tener en cuenta que se debe dejar un tiempo considerable el calentamiento de agua en el interior de la lata. Se debe agregar que el experimento tiene una límite de capacidad de agua, ya que la lata perecerá y no aguantará la presión de vapor generada en su interior por el calor.

Referencias

Rivera Berrío, J. G. (2022). Tensión. En Física Volumen I. Libro interactivo (págs. 424-426). Córdoba, España Red Educativa Digital Descartes.

Serway, R.A.; Jewett, J.W. Física para ciencias e ingeniería. Volumen 1. 9ª ed. Cengage Learning, 2014; ISBN 978-607-522-497-9.

Newton, I. Philosophiae Naturalis Principia Mathematica; Royal Society: London, UK, 1687.

Pérez, J.A. Investigación Termodinámica; Universidad Nacional Autónoma de México: Ciudad de México, México, 2016.