Máquina de Goldberg portatil

Una máquina de Rube Goldberg es un aparato excesivamente sofisticado que realiza una tarea muy simple de una manera muy indirecta y elaborada. El siguiente es un ejemplo de esto.

Se llama Melvin, the Mini Machine y es obra de HeyHeyHey

Segunda ley de la Termodinámica y los volantes de inercia

Me encontré esta noticia bastante interesante sobre la segunda ley de la Termodinámica y los volantes de inercia publicada por Sergio Parra en www.xatakaciencia.com



El físico Arthur Eddington afirmó que la probabilidad de que podamos violar la segunda ley de la termodinámica es mucho menor que la probabilidad de un ejército de monos mecanografíe por azar todos los libros del Museo Británico. Es una probabilidad ciertamente pequeña.


Y es que la segunda ley de la termodinámica afirma que la entropía (el desorden) de un sistema cerrado nunca disminuye. Es como empezar a desordenar una baraja de cartas. Si se barajan una vez, el orden empieza a romperse. Las mezclas sucesivas no volverán la baraja a su orden inicial sino que enmarañarán aún más los palos y los números, a medida que la entropía aumenta.
Se calcula que el universo alcanzará su máxima entropía (si asumimos que seguirá expandiéndose) dentro 10¹⁰⁰ (si somos pesimistas) o 10^1.000 años (si somos optimistas). La edad actual del universo es 10¹⁰ x 1,37 años. Así que aún queda un rato.


Las máquinas de movimiento perpetuo son imposibles porque violarían la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, el intento más plausible de violación de esta ley son los volantes de inercia. En pocas palabras, un volante de inercia es un acumulador de energía en forma de inercia.
Actualmente, el volante de inercia es un disco macizo que resulta imprescindible para cualquier motor de explosión. Pero puede tener muchas otras aplicaciones mecánicas, como la de construir una bicicleta más eficiente. La bicicleta construida por Max von Stein (estudiante recién graduado del Cooper Union en Nueva York) tiene un volante de inercia, como podéis ver en el vídeo. Cuando se deja de pedalear, la energía se transfiere al volante para guardarse. Luego, se puede transferir esa energía a la rueda, para así recuperar la velocidad perdida después de una frenada.



Según Joel Levy en su libro 100 analogías científicas, el volante de inercia que lleva más tiempo en movimiento está activo desde hace 12 años

Energía eólica aprovechando estructuras actuales

El siguiente artículo fue extraido del blog ultimasnoticiasnew.blogspot.com. Muy interesante con respecto al uso de energías alternativas

Tres diseñadores franceses inventaron un ingenioso sistema para generar electricidad utilizando infraestructura existente.

El equipo formado por 2 arquitectos y un ingeniero propone insertar turbinas eólicas dentro de torres de transmisión eléctricas existentes (como esos “gatos” que vemos cerca de nuestras rutas) y sumar esta nueva energía a la que ya viene transportada por los cables. La mayor ventaja del sistema es claramente evitarse todo tipo de cableado para conectarse a la red. Se incluyen adaptaciones a 3 tipos de torres de diferentes tamaños pudiendo instalarse entonces prácticamente en cualquier lugar del mundo. El diseño es algo extraño en comparación a las clásicas turbinas con eje horizontal. Para poder adaptarse a la mayor cantidad posible de torres existentes, se decidió por un eje vertical, algo así como el eje de un sacacorchos. Hay más de medio millón de torres de

Afortunadamente, en Europa la sustentabilidad se está convirtiendo en una obsesión. Los países del viejo continente están luchando por cumplir los objetivos de la Unión Europea que consisten en que 20% de la energía provenga de fuentes renovables para el año 2020. Francia en particular, está especialmente bendecida por Eolo en casi todo su territorio desde Bretaña a Normandía y sobre en la zona del Mediterráneo donde sopla el famoso viento Mistral. Los Franceses tienen planes de multiplicar por cinco su potencia eólica actual para el año 2020 y este tipo de inventos pueden ayudar a cumplirlos. Aunque toda innovación es positiva e interesante, faltaría por verse la variable económica a la hora de implementarse un sistema de este tipo. Según la fuerza de los vientos se deberá seguramente reforzar las torres para que soporten los nuevos esfuerzos así como instalar los equipos necesarios para transformar la electricidad a la tensión y frecuencia de la electricidad que pasa actualmente por los cables.

Crean granos metálicos para mantener el café tibio, ¿los usarías?

"El siguiente artículo lo encontré publicado en la página ve.globedia.com en marzo del 2011, se trata de una aplicación bastante interesante relacionada con la energía que intercambia una sustancia en un proceso cambio de fase. El artículo se presenta a continuación"

¿Cuántas veces no le ha pasado que se sirve un café hirviendo y llegan a salirle lágrimas con lo fuerte que se quemó con el primer sorbo? Hartas, igual que a todos. Luego aprendió y le echó un chorrito de agua fría para disminuir la temperatura, pero cuando iba en la mitad de la taza el resto ya estaba apenas tibio. Dejó de lado el chorrito de agua y prefirió esperar a que solito le bajara un poco la temperatura, pero cuando se acordó de tomarlo, también ya estaba medio helado. Drama de cada día.

Pero ahora un par de amigos creó los Coffee Joules, que son granos de acero inoxidable rellenos de material de cambio de fase (PCM) que absorbe el calor mientras se fusiona -y así enfriar un poco el temible café en ebullición- para luego liberarlo al volver a solidificarse, manteniendo la temperatura del brebaje elevada por más tiempo.

Según los creadores, los Joulies bajan la temperatura tres veces más rápido que lo normal y luego conservan el café en un nivel agradable y propicio para tomar por hasta el doble de tiempo . Esto sí va a depender del aislamiento que tenga la taza, por lo que siempre es mejor un mug térmico (con tapa). Ah, y también son aplicables para el té o el chocolate caliente.

La ciencia detrás de estos granos de café metálicos aumentados es que el punto de fusión en su interior es de 60 grados Celsius , por lo que al ponerlos en el café hirviendo (alrededor de 93 grados Celsius) los Joulies absorben esa diferencia. Entonces, cuando llega a los 60 grados, comienzan a solidificarse y a liberar la temperatura de vuelta, equilibrando la temperatura al interior de la taza en permanentes 60 grados. Óptimo para tomarse el café.

La termodinámica al servicio del café. Una idea genial, siempre y cuando el acero no altere el sabor del mismo; un punto del que no se hacen referencias en ninguna parte.

Caminar sobre las brasas: No lo llames milagro, llámalo termodinámica

"Me encontré con el siguiente artículo publicado por ESTHER SAMPER en la página www.soitu.es en Octubre del 2009. Está bastante interesante"

Muchas personas en todo el mundo están convencidas del gran poder mental que poseen aquellos que caminan sobre las brasas sin quemar sus pies. La realidad, sin embargo, es bastante distinta. Todos podemos andar sobre ellas siempre que no superemos un límite de tiempo. 

El acto de caminar sobre las brasas viene de antiguo. Desde hace miles de años, se venía realizando como un ritual o acto religioso practicado por diversas culturas, desde la hindú hasta la bosquimana. Con los años, su significado ha ido cambiando en la mayor parte del globo y, en la actualidad, se recurre a tan extraña caminata como simple espectáculo, como demostración de un fenómeno paranormal o en extraños y acientíficos cursos de superación personal mediante Programación Neurolingüística.

El mito básico que rodea al acto de caminar sobre las brasas es esencialmente el mismo: El poder de la mente o del cuerpo humano impiden que se produzcan daños en los pies al pasar sobre el ardiente camino. Por tanto, de no tener el suficiente poder, los pies sufrirían las dolorosas consecuencias en forma de quemaduras.

La realidad, sin embargo, es menos romántica que la idea de los supuestos poderes de la mente humana. Las más básicas leyes de la física nos indican que lo que ocurre cuando alguien camina sobre las brasas no es un acontecimiento paranormal sino una simple y rutinaria lección de termodinámica. En esencia, todos hemos experimentado algo parecido alguna vez. Todos sabemos, por experiencia propia, que no es lo mismo tocar un metal caliente que un trozo de madera caliente. Nos quemamos mucho antes al tocar el metal que el trozo de madera. Esta propiedad de los materiales se denomina conductividad térmica o, lo que es lo mismo, la capacidad para transmitir el calor a otros materiales (como pueden ser los pies) puestos en contacto.

Además de la conductividad térmica, hay que tener en cuenta también la capacidad calorífica que es la cantidad de calor que necesita un determinado material para elevar su temperatura. De esta forma, hay materiales que necesitan más calor para aumentar su temperatura y otros que necesitan menos para la misma masa.

Cuando alguien camina sobre las brasas se dan varias circunstancias ideales que evitan que aparezcan quemaduras, siempre que el tiempo de contacto no sea lo suficientemente largo, por supuesto. Por un lado, las brasas de carbón poseen una conductividad térmica baja. Dicho de otra forma, las brasas de carbón tienen una capacidad pobre para transmitir el calor a otros objetos que entren en contacto con ellos y, por tanto, tardarán más en elevar la temperatura de éstos.

Por otro lado, más del 60% cuerpo humano (y eso incluye los pies) se compone de agua. El agua tiene una capacidad calorífica específica relativamente elevada o, lo que es lo mismo, necesita bastante calor para aumentar su temperatura. A eso también hay que añadir que el carbón vegetal es justo lo contrario, necesita poco calor para aumentar su temperatura.

De esta manera, cuando pies y brasas se ponen en contacto, lo que ocurre es que las brasas transmiten "torpemente" el calor (aunque éstas ronden los 500 ºC), mientras que los pies (al ser en su mayor parte agua) necesitan bastante calor para aumentar su temperatura. La unión de estos dos factores principales lleva a una lógica conclusión: Puedes estar en contacto con las brasas durante un breve lapso de tiempo (unos cuantos segundos) hasta que los pies llegan a la suficiente temperatura como para provocar quemaduras.

Definir el tiempo exacto a partir del cual se producen quemaduras por el contacto con las cenizas ardientes es difícil de determinar, pues depende de otros muchos factores: Temperatura de las brasas, presencia de callos en los pies , sudoración, superficie de contacto... Pero, por lo general, prácticamente cualquier persona puede recorrer una distancia de 4 a 5 metros a la velocidad de una caminata normal. Eso sí, hay que procurar no correr o ejercer demasiada presión sobre las brasas, lo que puede hacer que los pies se hundan entre ellas, aumentando así la superficie de contacto y provocando que las quemaduras no tarden en aparecer en los pies. 

Los Cazadores de Mitos no tuvieron reparos en experimentar por ellos mismos este fenómeno termodinámico: Hace unos años, un programa de la BBC llamado Tomorrow's World se planteó comprobar los supuestos poderes paranormales de gente que alegaba ser capaz de no quemarse nunca al caminar sobre las brasas (sus explicaciones eran de lo más variopintas, desde ángeles protectores a superpoderes mentales...) Para ello, construyeron un sendero de brasas ardientes a 600ºC y de 18 metros de longitud. ¿El resultado? Todos los que caminaron sobre ellas se salían del camino a los 8 metros porque se quemaban. Y es que desconocer lo más básico de la termodinámica no sólo puede hacer que te creas un superhombre, también te puede dejar en ridículo ante millones de personas y provocarte unas hermosas quemaduras en los pies.

Sistema de Unidades

Los sistemas de unidades de importancia en la ingeniería se derivan de considerar tres unidades básicas, las cuales son dimensionalmente independientes, de las cuales se derivan las otras unidades de medición. De esta definición parten dos sistemas usados en estudios de ingeniería:

·         Sistema Gravitacional inglés: El cual es de uso común en Estados Unidos por los momentos. Las unidades básicas se asocian a la longitud, fuerza y tiempo.

·         Sistema Gravitacional métrico: Define como unidades básicas la longitud, masa y tiempo.

En la tabla se puede observar las unidades de cada sistema:

	Dimensión	Sistema Gravitacional inglés	Sistema Gravitacional métrico
Longitud	L	1 pie	1 m (metro)
Masa	M	1 slug *	1 kg (Kilogramo)
Fuerza	F	1 lb (Libra)	1 N (Newton) *
Tiempo	T	1 s (Segundo)	1 s (segundo)

^* Unidad derivada de las unidades básicas.

En 1960, la Décima primera Conferencia General sobre Pesas y Medidas redefinió el sistema métrico adoptando el nombre de Le Système Internationale d’Unités (SI, Sistema Internacional). El cual hasta la fecha ha adoptado una gran variedad de países, siendo los Estados Unidos de América uno de los países que está en la transición de adoptarlo al igual que algunos países con tradiciones inglesas. El sistema internacional establece siete unidades básicas, dos unidades suplementarias y las unidades derivadas de las anteriores:

SISTEMA INTERNACIONAL
	Unidades básicas	Símbolo
Longitud	Metro	m
Masa	Kilogramo	kg
Tiempo	Segundo	s
Corriente eléctrica	Ampere	A
Temperatura termodinámica	Kelvin	K
Cantidad de sustancia	Mol	mol
Intensidad luminosa	Candela	cd
	Unidades suplementarias	Símbolo
Ángulo plano	Radián	rad
Ángulo sólido	Esteorradián	sr

Al igual que los sistemas tradicionales el Sistema internacional cuenta con una serie de prefijos que anteponiéndolos a la unidad indican un orden de magnitud mayor o menor a dicha unidad. La norma ASTM E380-82 establece los lineamientos generales para el uso de prefijos para indicar múltiplos y sub-múltiplos para el sistema internacional, el cuál indica (dentro de los más usados):

SISTEMA INTERNACIONAL: PREFIJOS
Factores de multiplicación	Prefijo	Símbolo
1012	tetra	T
109	giga	G
106	mega	M
103	kilo	k
102	hecto *	h
101	deca *	da
10-1	deci *	d
10-2	centi *	c
10-3	mili	m
10-6	micro	m
10-9	nano	n
10-12	pico	p

Es primordial recordar la importancia del manejo adecuado de los sistemas de unidades, ya que en toda ecuación o fórmula deducida en el análisis de un problema se debe cumplir la Ley de homogeneidad Dimensional, la cual establece que cualquier ecuación que represente un fenómeno físico debe satisfacer las reglas de todos los sistemas de unidades.

Escrito por el profesor: Fernando González Trejos

Revisado por los profesores: Wilber Rosales, Rubén Omaña, Juan Colmenares, Jesús Ramírez, Alberto Sarcos

Introducción a la Termodinámica

El estudio de la termodinámica permite determinar las propiedades de las materias que están involucradas con la posibilidad de obtener energía (esto a nivel microscópico y sin tomar en cuenta aspectos relativistas), ya al pensar en esto se puede ver la importancia de esta asignatura, considerando la creciente demanda de energía y no sólo de energía, sino de energía limpia o ecológica, por ello pensar en una sociedad donde la Termodinámica no tenga impacto directo o indirecto es un absurdo y de ahí se origina su importancia para el ingeniero. En esta primera unidad se estudiarán las definiciones básicas así como los fundamentos de esta ciencia, los cuales constituyen la base para el desarrollo de problemas de transformación de energía o de fenómenos de transporte de masa o energía.

 

El diccionario de la Real Academia de la lengua Española define la termodinámica como la “Parte de la física en que se estudian las relaciones entre el calor y las restantes formas de energía”, sin embargo una definición más amplia la precisa como el “campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos (conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable) de materia y energía”, ya en este concepto están implicadas propiedades de la materia y energía. Al estudiar las definiciones anteriores se puede ver la importancia de esta ciencia, ya que en la gran mayoría de procesos productivos está implicada alguna forma de energía, casos particulares, la combustión de algún hidrocarburo, el calentamiento de algún fluido, la conversión de calor en trabajo para mover algún equipo, el acondicionamiento de algún ambiente (aire acondicionado o calefacción) o  la mezcla de varios gases, esto por citar algunos procesos. Para afianzar aún más la importancia de la Termodinámica en este curso es conveniente ver su pertinencia con nuestras carreras, para ello de la página Web de nuestra Universidad  se toman las definiciones de Ingeniería Mecánica e Industrial:

¿Qué es la Ingeniería Mecánica?

La Ingeniería Mecánica es una rama de la ingeniería que persigue la transformación de los recursos naturales en productos aprovechables por el hombre. Por lo tanto, abarca aquellos aspectos que tienen que ver con el proyecto, operación, mantenimiento y dirección de instalaciones donde se utilicen maquinarias para convertir, transportar y utilizar energía así como también las destinadas a transformar las materias primas en productos manufacturados.
Es una profesión de carácter multidisciplinario, lo cual exige la formación de un profesional integral para desempeñarse en varias áreas de la tecnología moderna.

¿Qué es la Ingeniería Industrial?

Se ocupa del diseño, mejoramiento e implantación de sistemas integrados por personas, materiales, equipos y energía. Se vale de conocimientos y posibilidades de las ciencias matemáticas, físicas y sociales, junto con los principios y métodos de análisis y del diseño de ingeniería para especificar, predecir y evaluar los resultados que se obtendrán de dichos sistemas. 

Como se puede apreciar al revisar las definiciones anteriores, el ingeniero tiene que tener un dominio en el área de procesos de obtención, conversión y transporte de energía, así como el uso de esta energía en procesos productivos. 

Etimológicamente hablando la palabra “termodinámica” proviene del griego, de la fusión de los términos Termo (qermoz)  que significa “efecto calentador del sol” y Dinámica (dunamicoz) que quiere decir “potencia, fuerza”, sin embargo el uso del vocablo se origina aproximadamente en el año 1850 por Lord Kelvin (William Thomson) al fusionar las palabras “Thermo” (Calor) y  “Dynamics” (Potencia).

El fundamento de la termodinámica esta basado en cuatro leyes, un postulado y un principio, las cuales se estudiarán posteriormente en detalle, sin embargo se mencionarán a continuación:

·         Primera Ley de la Termodinámica: Que es conocida desde estudios anteriores como principio de conservación de la energía, en el cual se establece que el balance de energía de un proceso debe conservarse íntegramente y lo único que puede ocurrir son cambios de una forma de energía a otra, sin que exista destrucción o creación de energía.

·         Segunda Ley de la Termodinámica: Establece criterios de disponibilidad de energía y de calidad de la misma, mientras la primera ley solo establece criterios de cantidad de energía. La segunda ley además establece el orden o dirección en la cual puede ocurrir un proceso de forma espontánea, por ejemplo: Una taza de café recién preparada ubicada en una habitación tiende a enfriarse hasta alcanzar la temperatura del ambiente, y por medios naturales nunca ocurrirá algún proceso contrario.

·         Tercera Ley de la Termodinámica: Suministra un punto de referencia para la medición de una propiedad denominada Entropía (la cual se estudiará posteriormente), al indicar que “la entropía de todos los sólidos cristalinos perfectos es cero a la temperatura de  -273.15ºC (Cero absoluto)”.

·         Ley Cero de la Termodinámica: Establece la base para la medición de temperaturas al definir el equilibrio térmico entre diversos sistemas.

·         Postulado de estado: Debido a la importancia de determinar ciertas propiedades de la materia se requiere conocer un mínimo de las mismas para poder definir todas las demás propiedades, este postulado indica que para determinar cualquier estado de una sustancia pura son necesarias y suficientes dos propiedades intensivas termodinámicamente independientes.

·         Principio de Conservación de la masa: Este principio también fue estudiado en materias anteriores y establece un balance de masa. Claro esta, que en el aspecto de esta asignatura no nos interesa el estudio de este principio a nivel molecular o atómico, caso de la combustión; ni tampoco la conversión de masa-energía, caso de estudios de la teoría de la relatividad o de procesos de desintegración atómica.

Una teoría es tanto más impresionante cuanto más simple sean sus premisas, cuantos más tipos de cosas describa y cuantas mas explicaciones permita. De ahí­ la profunda impresión que causa la termodinámica clásica. Es la única teoría física que, dentro de su campo de aplicación, no será derribada nunca" (Albert Einstein)

Escrito por el profesor: Fernando González Trejos

Revisado por los profesores: Wilber Rosales, Rubén Omaña, Juan Colmenares, Jesus Ramirez y Alberto Sarcos