monografÍa de matemÁtica

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Título ANÁLISIS DINÁMICO DE LA BIELA MANIVELA Y LA TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA A ENERGÍA ELÉCTRICA, PARA UN MEJOR FUNCIONAMIENTO DE UNA ASPIRADORA. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ¿EN QUÉ MEDIDA PODEMOS REALIZAR UN MODELO MATEMÁTICO PARA ANALIZAR LA VELOCIDAD, LA ACELERACIÓN Y TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA PARA UN MEJOR FUNCIONAMIENTO DE LA BIELA MANIVELA CON RESPECTO A UN PISTÓN EN UNA ASPIRADORA? Código del candidato: 004727 - 0006 N.° de palabras:4000 Supervisor: José Chapoñan Chiclayo, Perú MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA Convocatoria: noviembre 2020

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Page 1: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

Título

ANÁLISIS DINÁMICO DE LA BIELA MANIVELA Y LA

TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA A ENERGÍA

ELÉCTRICA, PARA UN MEJOR FUNCIONAMIENTO DE UNA

ASPIRADORA.

PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN

¿EN QUÉ MEDIDA PODEMOS REALIZAR UN MODELO

MATEMÁTICO PARA ANALIZAR LA VELOCIDAD, LA ACELERACIÓN

Y TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA PARA UN MEJOR

FUNCIONAMIENTO DE LA BIELA MANIVELA CON RESPECTO A UN

PISTÓN EN UNA ASPIRADORA?

Código del candidato: 004727 - 0006

N.° de palabras:4000

Supervisor: José Chapoñan

Chiclayo, Perú

MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

Convocatoria: noviembre 2020

Page 2: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

AGRADECIMIENTO

Agradezco de manera cordial a mi supervisor: José Chapoñan que me ayudó a

enfocarme mejor en el tema elegido, y poder aceptar mi idea al principio y así

poder combinar la matemática y física con lo que quiero estudiar en el futuro,

qué es ingeniería mecánica. También, al profesor José Rubio, por asesorarme y

ayudarme con consejos y recomendaciones sobre la transformación de energía.

Sinceramente, este proyecto es complicado, pero con las ganas, esmero,

responsabilidad y dedicación que mantuve a lo largo del proyecto pude afrontar

este proyecto de la mejor manera y aprender un poco más de la aplicación de la

matemática en casos reales. Me apoyaron y me dieron una idea de cómo puedo

modelar y acomodar esta aplicación.

Además, debo de agradecer a mis amigos que no pertenecen a la escuela,

porque me dieron a entender un poco más el tema de matemática, porque eran

temas antiguos que había aprendido en el colegio y un tema nuevo que fue el

uso de las derivadas, a lo largo del tiempo se hacían más fáciles y manejables.

Finalmente, agradecer a todos los que me apoyaron porque hacían aportes a la

revisión, corrección, de principio a fin.

Page 3: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

RESUMEN

Este trabajo se refiere a responder a la pregunta ¿En qué medida podemos

realizar un modelo matemático para analizar la velocidad, la aceleración y

transformación de energía para un mejor funcionamiento de la biela manivela

con respecto a un pistón en una aspiradora?

Decidí realizar este proyecto, porque mis cursos preferidos son matemática y

física, y quiero estudiar ingeniería mecánica, entonces relacioné estos 3

aspectos para saber los datos necesarios de la biela manivela en una aspiradora

y así apoyar a mi comunidad que no tiene conocimientos de tecnología.

Este trabajo, tratará sobre la aplicación de las matemáticas para resolver

problemas reales y abstractos, y analizaré cuáles son las mejores dimensiones

para un mejor rendimiento de la aspiradora. Con este modelamiento matemático,

se podrá apreciar cómo es importante la velocidad con respecto al ángulo, la

aceleración con respecto al ángulo y las fórmulas de la transformación de

energía. La propuesta que se lanza, es el análisis del dispositivo biela manivela

en vista práctico y dar a conocer como con dimensiones simples se puede llegar

a la transformación de energía.

Este trabajo estará divido en tres capítulos para responder la pregunta de

investigación. El primer capítulo abarcará toda la historia, la evolución de la biela

manivela, el descubrimiento de los dos tipos de energías. Con respecto al

segundo capítulo, abarcará sobre los conceptos de las partes de la biela

manivela, el funcionamiento, la relación con la velocidad, aceleración,

dimensiones y la transformación de energía. En el tercer capítulo, con lo hallado

en el segundo capítulo se trabajará la transformación de energía.

Page 4: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

INTRODUCCIÓN

En Matemáticas NM, estudiamos cálculo en el segundo año de IB. Utilizamos las

derivadas, límites, trigonometría, pero sólo nos dejan algunas fichas y libros, pero

no sabemos cómo aplicarlo en la vida real. Tenemos que estudiar estos temas a

profundidad, para poder conocer más el mundo y la importancia de las

matemáticas.

Este método de las derivadas es utilizado en la física, para hallar las

velocidades y las aceleraciones. Sin embargo, en física, realizamos varios

experimentos, y nos damos cuenta de que cada tema tiene un objetivo en el

mundo que nos rodea.

Por estas razones, en esta investigación se pretende investigar el uso de las

derivadas en los objetos que nos rodean, y que pueda servir a toda mi

comunidad, ya sean mis familiares y amigos. Para profundizar este tema, he

decidido conveniente trabajar con mi aspiradora, que nos ayuda en la limpieza

de mi casa.

El objetivo de este trabajo es estudiar y describir el mecanismo biela-manivela y

sus principales aplicaciones, que ayuden a mi comunidad y determinar las

ecuaciones de las posiciones críticas del pistón, sus aceleraciones; velocidades;

cantidad de movimiento y la transformación de la energía mecánica a eléctrica.

En este proyecto utilizaremos matemática y física, para así poder realizar la

transformación de energía. Tendremos que utilizar algunos temas de

matemáticas, como, ecuaciones del movimiento de dispositivos que usan el

mecanismo Biela-manivela; movimiento circular; movimiento rectilíneo;

Page 5: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

derivadas; geometría y trigonometría. Y en física, los temas de energía potencial,

cinética, energía mecánica y lo que corresponde a electromagnetismo.

En este modelamiento matemático se apreciará la importancia del ángulo, para

hallar el funcionamiento. Se hará un análisis y modelamiento en Geogebra,

dando a conocer la fórmula de posición del pistón referido al punto medio,

velocidad y aceleración de la biela manivela.

Page 6: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

Índice

Agradecimientos ............................................................................................... 1

Resumen .......................................................................................................... 2

Introducción ...................................................................................................... 3

1. Capítulo 1: Descubrimiento de los algoritmos que describe el

funcionamiento de biela manivela ...................................................................... 8

1.1. Descubrimiento de la velocidad ............................................................. 8

1.2. Descubrimiento de la energía cinética:........................................................... 8

1.3. Descubrimiento de la energía potencial ......................................................... 9

1.4. Descubrimiento de la energía mecánica ........................................................ 9

1.5. Corriente alterna ............................................................................................. 9

1.6. Historia de la energía eléctrica ...................................................................... 9

2. Capítulo 2 ......................................................................................................... 10

2.1. Descripción y aplicación de la biela manivela ...................................... 10

2.2. Funcionamiento de las partes de la biela manivela ................................... 10

2.3. Relación proporcional del radio y la longitud de la biela de 3 a 5: ........ 11

2.4. Descripción de la aspiradora Electrolux SON 10 Sonic ........................ 11

2.5. Imagen 1: Ficha técnica de la aspiradora. ................................................. 11

2.6. Imagen 2: Aspiradora Electrolux Beetle. ................................................... 12

2.7. Características de la biela manivela. .................................................... 12

2.8. Imagen 3: Diseño y simulación de la biela manivela en GeoGebra: .... 13

2.8.1 Imagen 4: Simulación en GeoGebra con ángulo de 38 grados. ........... 13

2.8.2 Imagen 4.1: Simulación en GeoGebra con ángulo de 73 grados. ..... 14

2.8.3 Imagen 4.3: Simulación en GeoGebra con ángulo de 105 grados. .... 15

2.8.4 Imagen 4.4: Simulación en GeoGebra con ángulo de 181 grados. ..... 16

Page 7: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

2.9. Desarrollo matemático para hallar la posición del pistón referido al punto

medio: ...................................................................................................... 17

2.9.1 Expresar en función de ............................................................................ 17

2.10. Imagen 5: Modelamiento en GeoGebra utilizando la fórmula de n. ..... 18

2.11 Hallar la velocidad angular. ..................................................................... 19

2.12 Desarrollo matemático para hallar la velocidad de la biela manivela ...... 19

2.12.1 Descripción de la velocidad instantánea: ...................................................... 20

2.13 Derivamos la función de la posición del pistón referido al punto muerto ... 20

2.13.1 Factorizar r de la función anteriormente hallada, para hallar la velocidad:

......................................................................................................................... 20

2.14 Imágenes 6: Modelamiento en GeoGebra de la velocidad, reemplazando

los valores de los ángulos en la fórmula de velocidad: .................................... 21

2.15 Desarrollo matemático para hallar la aceleración: ................................... 22

2.15.1 Derivación de la velocidad .................................................................... 23

2.16 Imagen 7: Modelamiento de la velocidad en GeoGebra. ........................ 23

3. Capítulo 3 ................................................................................................. 25

3.1. Esquema general de la transformación de energía mecánica a eléctrica.

................................................................................................................. 25

3.2. Suministro de energía mecánica y salida de energía eléctrica ........... 25

3.3. Máquinas eléctricas rotativas .............................................................. 26

3.4. Generador eléctrico: ............................................................................ 27

3.5. Corriente alterna: .................................................................................. 27

3.6 Variable de entrada y salida ....................................................................... 28

Page 8: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

3.6.1 Imagen de características del generador ................................................ 28

3.7 Desarrollo matemático de la energía mecánica ........................................ 29

3.8 Imagen de la función seno de la corriente alterna. ..................................... 29

3.9 Ley de Ohm ................................................................................................ 30

3.10 Conclusiones ............................................................................................ 31

3.10.1 Ecuaciones del equilibrio: ...................................................................... 32

Page 9: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

CAPÍTULO 1: DESCUBRIMIENTO DE LOS ALGORITMOS QUE

DESCRIBE EL FUNCIONAMIENTO DE BIELA MANIVELA

1. Descubrimiento de la velocidad:

Existió un científico, llamado Galileo Galilei, el cuál había realizado un

experimento y su objetivo fue analizar el movimiento del plano inclinado, y con

varios intentos, intentó realizar el concepto de la velocidad. Él, trabajó con un

objeto, y desarrolló que la velocidad es la razón entre la distancia recorrida y el

tiempo que emplea en hacerla. Para esto, Galileo Galilei trabajó midiendo la

distancia y tomó el tiempo. Pero, muchos mencionan, que su investigación no

tenía buenos resultados, porque, carecía del apoyo del procedimiento

matemático, le resultaba difícil hallar con datos que no eran constantes. Pero

alrededor del siglo XVI, se descubrió el cálculo y permitió la eficacia de la

aplicación de la matemática en el mundo real, los dos científicos que hallaron

esto fueron Isaac Newton y Gottfried Leibniz, los cuales tuvieron el objetivo de

hallar la velocidad instantánea de un objeto, el cuál es la derivada del lugar o

posición del cuerpo con respecto al tiempo.

1.2 Descubrimiento de la energía cinética

La energía cinética fue descubierta por el físico Gaspard Coriolis, en 1829, en el

cuál en sus experimentos llega a una conclusión que la energía cinética se

transforma y transforma otros tipos de energía. También se usa el cálculo en la

energía cinética, pero depende del tamaño y velocidad, en este caso utilizaremos

la mecánica clásica de Newton, porque la velocidad es menor a la de la velocidad

de la luz.

Page 10: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

1.3Descubrimiento de la energía potencial

El físico que hizo varios experimentos sobre la energía potencial es William

Rankine, que, en 1853, dio a conocer este tema importante, que hace relación a

la gravedad, altura y masa. Se dice que la energía potencial se utiliza en

sistemas donde interactúan fuerzas disipativas.

1.4Descubrimiento de la energía mecánica:

El físico James Joule, relacionó el magnetismo con el trabajo mecánico y con

estos dos aspectos, se llega a la teoría de la energía. En sí la energía mecánica,

guarda una relación con la energía cinética y potencial. Ambos trabajan con un

cuerpo, el cual tiene masa, velocidad y posición.

1.5Corriente alterna:

Nicola Tesla, en el 1882, desarrolló un motor con inducción de la corriente

alterna. Muchos años después, utilizaron este descubrimiento para poder

interactuar dos circuitos eléctricos separados, por el medio de la inducción de la

corriente alterna. Estos funcionaron, porque era mejor que la corriente continua,

ya que, la corriente alterna permitía el paso de la potencia.

1.6Historia de la energía eléctrica:

Se dice que los antiguos egipcios, ya habían encontrado de una manera la

electricidad, mediante los peces, porque estos transmitían una descarga

eléctrica. Posteriormente, se habían realizado proyectos sobre la electricidad y

magnetismo, pero fue Maxwell, aquel que juntó llamándolos como fenómenos

electromagnéticos.

Page 11: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

CAPÍTULO 2

2.1 Descripción y aplicación de la biela manivela

El mecanismo biela manivela es un método mecánico que tiene como principal

manejo cambiar un desplazamiento rotatorio en uno recto uniforme o constante

y, al contrario. El siguiente tema se puede aplicar en la ingeniería y en la

transformación del mundo, como en la producción de motores de combustión

interna, pistones y en compresores.

2.2. Funcionamiento de las partes de la biela manivela

En este caso la manivela, que es la parte que gira, también, tiene un cilindro que

es una guía rectilínea que se une mediante la biela. Además, las manivelas se

encuentran junto al eje. La recta se usa para equilibrar la dificultad de laterales

que se generan de las diferentes direcciones de la fuerza que se ejerce sobre el

pistón. Para equilibrar tendremos en cuenta diferentes maneras, en las grandes

máquinas, el pistón se encuentra junto a una línea recta y perpendicular, que con

la ayuda de una cruceta se apoya a la manivela; para poder aprender mejor,

podemos tener una manera fácil que trata en desviar el cuerpo correspondiente

al giro del cigüeñal. Para así tener claro que el ángulo de biela tenga una relación

con el cilindro, ya que, si hay más, va a haber menor en la siguiente carrera. Por

otro lado, sabemos que fuerza lateral presentaba una relación, sobre la presión

que se ejerce en el pistón y la pendiente de la biela. Finalmente, se puede

presentar una reducción de la fuerza, cuando la pendiente es menor en la fase

de expansión.

Page 12: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

El eje organiza un giro que se transfiere a la manivela, la manivela transforma el

movimiento giratorio del eje en uno circular. La cabeza de la biela, está unida a

la manivela y genera un movimiento circular. Entonces, en el movimiento circular,

se puede visualizar que la cabeza y el pie de la biela generan un movimiento

lineal alternativo. Al transformar el movimiento giratorio en alternativo, el eje es

el elemento motriz, y el pie se conecta a la potencia útil.

2.3 Relación proporcional del radio y la longitud de la biela de 3 a 5:

El movimiento del pistón no es regular, al tener la relación del radio y longitud,

se aleja a un movimiento armónico, para tener una simetría en donde se ve el

incremento de la relación X.

Para que el sistema funcione de la mejor manera posible, la relación entre el

radio y la longitud deben ser 4 veces el radio, pero se calcula y se recomienda

que sea de 3 veces a 5 veces, incluyendo el 4 veces. En este caso vamos a dar

el ejemplo, con 4 veces. (r=10 y z=40)

2.4 Descripción de la aspiradora Electrolux SON 10 Sonic

En esta parte, vamos a describir la aspiradora con la cual trabaré.

2.5 Imagen 1: Ficha técnica de la aspiradora.

Page 13: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

Se puede dar a conocer que el voltaje es 220 V, la frecuencia es 60 Hz y potencia

1400 W. Estos datos, nos permitirá trabajar más adelante.

2.6 Imagen 2: Aspiradora Electrolux Beetle.

Esta imagen es de la aspiradora con la que se va a trabajar el proyecto. Para

comprobar que el proyecto es del alumno y que se trabaje con una aspiradora

de mi casa.

2.7 Características de la biela manivela:

Frecuencia: 50 / 60 Hz es recomendable, en este caso trabajaremos con 60 Hz.

Masa de la aspiradora (kg): 4 kg

Page 14: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

2.8 Imagen 3: Diseño y simulación de la biela manivela en GeoGebra:

En esta parte de la monografía se analizará las siguientes imágenes que

consisten en la simulación de la biela manivela en GeoGebra con respecto a la

velocidad. En general, se reemplazarán los ángulos presentados en la animación

en la fórmula de la velocidad. Una posible hipótesis, es que, a más valor del

ángulo, hay más velocidad. Finalmente, tenemos se debe tomar en cuenta lo

más importante y es que hay una velocidad máxima y se verificará si las

velocidades de esta simulación cumplen con el valor de límite. El valor límite de

la velocidad en esta aspiradora es 8000.

 

z longitud de la biela

r radio de la biela

m carrera de pistón

n posición del pistón referido al punto medio

ángulo que va junto al eje x y la circunferencia pequeña

ángulo que va al otro extremo del

triángulo

2.8.1 Imagen 4: Simulación en GeoGebra con ángulo de 38 grados.

Page 15: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

12(38)

4120 10(( (38) )2

17400.14328

senv sen

v

En este caso, se va a analizar solamente la fórmula de la velocidad, donde se

puede observar que se ha a reemplazar sólo el ángulo, y se puede ver el

recorrido y el rastro del pistón, como se ve en la figura, dando a conocer el

movimiento circulatorio. El ángulo es muy importante, porque, en este caso sí

se cumple con la hipótesis planteada y se verifica que a más ángulo hay más

velocidad. Pero con lo que no se cumple, es con el valor de la velocidad.

Porque el límite es de 8000, y este valor sorpresa, ya que el resultado final es

de 17.400.

2.8.2 Imagen 4.1: Simulación en Geogebra con ángulo de 73 grados.

Page 16: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

12(73)

4120 10(( (73) )2

28728.861

senv sen

v

El ángulo es muy importante, porque, en este caso sí se cumple con la

hipótesis planteada y se verifica que a más ángulo hay más velocidad. Pero

con lo que no se cumple, es con el valor de la velocidad. Porque el límite es de

8000, y este valor sorpresa, ya que el resultado final es de 28728.

2.8.3 Imagen 4.3: Simulación en GeoGebra con ángulo de 105 grados.

12(105)

4120 10(( (105) )2

41333.28151

senv sen

v

El ángulo es muy importante, porque, en este caso sí se cumple con la

hipótesis planteada y se verifica que a más ángulo hay más velocidad. Pero

Page 17: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

con lo que no se cumple, es con el valor de la velocidad. Porque el límite es de

8000, y este valor sorpresa, ya que el resultado final es de 41333.

2.8.4 Imagen 4.4: Simulación en GeoGebra con ángulo de 181 grados.

12(181)

4120 10(( (181) )2

74027.49484

senv sen

v

El ángulo es muy importante, porque, en este caso sí se cumple con la

hipótesis planteada y se verifica que a más ángulo hay más velocidad. Pero

con lo que no se cumple, es con el valor de la velocidad. Porque el límite es de

8000, y este valor sorpresa, ya que el resultado final es de 74027.

En estas imágenes se demuestran una simulación en GeoGebra, considerando

como el diseño de la biela manivela y podemos visualizar que se describen todas

las posiciones de la biela manivela y con las variables que se utilizarán, para

señalar cada parte. Asimismo, se describe gráficamente, lo anteriormente

Page 18: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

mencionado en el marco teórico. También se da a conocer como se mueve la

corredora, con la ayuda del deslizador, variando los ángulos para mostrar el

recorrido, y se demuestra un movimiento circular donde participa el radio, para

mover el cuerpo junto a la biela. Se observa que el pistón, se mueve en dos

distancias, m y n, donde el primero es la carrera del pistón y el n es la posición

del pistón referido al punto medio. Pero dentro de estas simulaciones, ningún

valor cumple con la velocidad máxima para el mejor funcionamiento de la

velocidad.

2.9 Desarrollo matemático para hallar la posición del pistón referido

al punto medio:

2.9.1 Expresar en función de

También, realizamos el cambio de variable:

r

z

2 2

( ) ( )

( ) ( )

Cos( ) (1 ( ))

rsen sen

z

sen sen

sen I

Ecuación I que relaciona la posición del pistón en función del ángulo girado

.

Una vez se ha llegado a este punto, se aplican conocimientos sobre la geometría

del sistema, donde la relación del cambio de variable adquiere un valor relevante.

Para un funcionamiento óptimo, la mayoría de estos sistemas de biela manivela

presentan una relación de cambio de variable entre ⅓, como valor límite y ⅕,

Page 19: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

garantizando así el funcionamiento uniforme. Pero, en este caso, trabajaremos

con la relación de 1 a 4, donde el radio es 1 y la longitud es 4.

Esta solución se refiere a posición del pistón referido al punto medio.

2 2(1 cos( )) (1 (1 ( )))

10

40

1 1

3 5

n r z sen

r

z

r

z

2150 10 cos( ) 40 (1 (1 ( )))

16n sen II

2.10 Imagen 5: Modelamiento en GeoGebra utilizando la fórmula de n.

Modelamiento de GeoGebra, reemplazando los valores de los ángulos en la

fórmula anterior y llegar a conocer los valores del eje y, colocando puntos, y ver

con qué ángulos. Esta solución se refiere a posición del pistón referido al punto

medio. En donde el punto G, alcanza el valor máximo, el cual equivale a 35

grados, obteniendo como valor n, 19.3.

Page 20: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

2.11 Hallar la velocidad angular.

Se debe saber que la velocidad angular es una constante, por lo tanto, se

considera que en varios motores la velocidad estándar, guarda una relación con

la frecuencia standard que es 60. Se relaciona con el .

Entonces, la velocidad angular en este proyecto es importante, porque al realizar

la simulación en GeoGebra, nos podemos dar cuenta que es la medida de

velocidad de rotación y su unidad de medida es radián por segundo.

Para eso primero, se debe hallar la velocidad angular.

( )

( )

60

2

2 60

120

d

d t

f

f

De esta manera, la velocidad angular es fundamental, porque se utiliza como

frecuencia 60, entonces, es el valor indicado.

2.12 Desarrollo matemático para hallar la velocidad de la biela

manivela:

El siguiente método es para hallar la velocidad, se trabajará con el cambio de

variable, que se relaciona con el radio y se realizará con la longitud y el radio. un

modelado en GeoGebra. También se trabajará con la ecuación o algoritmo de

posición del pistón referido al punto medio

Page 21: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

2.12.1 Descripción de la velocidad instantánea:

La velocidad instantánea se refiere a la relación entre la posición y el tiempo, se

dice que es la derivada que guarda relación con el vector posición y tiempo.

( )

( )

dn dn dV

dt d dt

Luego, tenemos que usar la fórmula del cambio de variable, en donde el omega

pasa a dividir y despejamos la Z.

1

2 2 2

:( )

:

cos( ) ((1 ( ))

dnHALLAMOS

d

rSUSTITUYENDO Z

r rn r r sen

2.13. Derivamos la función de la posición del pistón referido al punto

muerto.

1

2 2 21

( ) ((1 ( )) 2 ( ) cos( )( ) 2

dn r rrsen sen sen

d

2

2 ( ) cos( )( )

( ) 2 (1 ( ))

dn r senrsen

d sen

2.13.1 Factorizar r de la función anteriormente hallada, para hallar la

velocidad:

" ":

2( ( ) )

( ) 2

:

2(( ( ) )

2

12

4120 10(( ( ) )2

Factorizando r

dn senr sen

d

FINALMENTE

senV r sen

sen

V sen III

Page 22: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

2.14 Imágenes 4: Modelamiento en GeoGebra de la velocidad,

reemplazando los valores de los ángulos en la fórmula de velocidad:

En este caso, se han colocado dos imágenes del modelado porque los valores

son demasiados y no alcanzan en una misma imagen, entonces, se ha colocado

de la siguiente manera, se han colocado los valores de los ángulos desde 5

grados hasta 180 grados, con una razón aritmética de 5. Al ser velocidad, solo

Page 23: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

tenemos que tomar los valores positivos. Se pueden observar cual es el punto

más alto, el cual es la velocidad Max; el cuál es el ángulo de 20 grados y la

velocidad de 3792.85 y el punto mínimo es la velocidad mínima; con 135 grados

y la velocidad de 250.8. Se comprueba que, al estar en función de la longitud, se

comprueba que se llega la máxima, cuando el brazo de la manivela y la biela son

perpendiculares. Entonces llegamos a la conclusión que, si la biela es corta con

respecto al brazo de la manivela. Si es elevada, la velocidad será mayor, y más

baja si la inclinación es poca. Y por último que el valor máximo de este análisis

cumple con los requisitos de la velocidad máxima de aspiradores en general, el

cual es 8000.

2.15 Desarrollo matemático para hallar la aceleración:

Para hallar la aceleración se requiere del manejo de las derivadas, en sí se

reemplazan los valores anteriores, como la velocidad angular que es una

constante, el radio, y la fórmula de la velocidad. También es la derivada de la

velocidad, sobre la derivada del tiempo, que después se multiplica la derivada

de la velocidad sobre la derivada del ángulo por la derivada del ángulo sobre la

derivada del tiempo. En sí, la aceleración es como un vector, una magnitud

derivada que da a conocer el resultado de una varianza de la velocidad por

unidad de tiempo. Con respecto a la mecánica de Newton, mencionado en el

capítulo 1, se da a conocer con su módulo y la aceleración guarda una relación

con la distancia en metros y el tiempo en segundos.

Page 24: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

:

( )

( )

( )

2( ( ) )

2

ACELERACIÓN

dv dv da

dt d dt

d

dt

senV r sen

2.15.1 Derivación de la velocidad:

2

2

(cos( ) cos 2 2)2

(cos( ) cos(2 )

(cos( ) cos(2 )

1120 10 (cos( ) cos(2 )

4

DERVANDO EN FUNCIÓN DE

dvr

d

dvr

d

a r

a IV

Se ha encontrado la fórmula de la aceleración.

2.16 Imagen 7: Modelamiento de la aceleración en GeoGebra.

En este modelamiento podemos observar que hemos reemplazado los valores

de los ángulos y analizar la función de la aceleración. Como sabemos, al ser

aceleración todos los valores que se deben tomar en cuenta deben ser positivos,

en este caso, la aceleración máxima se encuentra en el punto E, mientras que

Page 25: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

en el punto A se encuentra la velocidad mínima. Al ser velocidad, tenemos que

solo tomar en cuenta los valores positivos. La aceleración máxima se relaciona

con 100 grados y tener la aceleración de 1398648. Mientras que la aceleración

mínima se relaciona con 20 grados y la aceleración mínima es de 343008.6. Para

el mejor funcionamiento de la aspiradora es tomar la aceleración máxima para

tener una eficacia, ahorrar tiempo y para que la limpieza sea más rápida.

Page 26: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

CAPÍTULO 3:

DISEÑO:

3.1 Esquema general de la transformación de energía mecánica a

eléctrica

El mecanismo de alimentación en la aspiradora es eléctrico, esto sirve para la

automatización de transcurso de máquinas o mecanismo, los cuales facilitan la

electricidad a unidades de evaluación. Con la fuente de alimentación, se

transforma la potencia y la tensión.

3.2 Suministro de energía mecánica y salida de energía eléctrica

Se debe trabajar en base a la velocidad angular y la energía que se alimenta al

mecanismo, al trabajar con esta parte, se debe ir variando estas magnitudes con

el tiempo. Con respecto a la energía mecánica, se debe tener en cuenta, el

desplazamiento en función del tiempo o del ángulo que va a varias en función

del tiempo. Entonces, con la energía mecánica, tenemos que tener la masa de

la aspiradora, la velocidad, en este caso vamos a trabajar con la velocidad

máxima y con altura, que en este caso es la longitud, antes mencionado en el

capítulo 2. Una parte importante, es que la variación de la energía mecánica es

igual a la energía que necesita la aspiradora. Por lo tanto, la energía eléctrica,

hace funcionar una aspiradora.

Page 27: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

3.3 Máquinas eléctricas rotativas

Para la transformación de energía mecánica a energía eléctrica y de energía

eléctrica a energía mecánica hay demasiados mecanismos. La composición y

las partes son totalmente diferentes, y también presentan una diferencia en el

movimiento. Por ejemplo, podemos tener transformadores, donde automatizan

la transformación energía constante, además, se presentan otras opciones como

los solenoides, que presentan otro tipo de composición, pero comparten el

mismo objetivo, por último, ambos son percibidos porque lo podemos tocar, en

sí, son físicos.

Para la conducción del lado de la entrada hacia el lado de la salida, se debe

tomar en cuenta, un dispositivo electromecánico de conversión de energía, o

más conocido como un motor, donde genera un trabajo que es recibida por otros

mecanismos y máquinas.

Para poder consumir toda la electricidad, se debe pasar por todo un proceso, en

el cuál, con la ayuda de una turbina se genera la energía mecánica, luego esto

se pasa al generador donde en este caso se trabaja con 10 kv porque no se va

a transmitir por grandes distancias, luego se intercepta con un transformador

elevador con 400 kv, después se transmite a transformador reductor, para que

finalmente sea consumido por los humanos. Finalmente, estos mecanismos

ayudan a los humanos a automatizar a reducir el voltaje para que la electricidad

sea suministrada a las casas, industrias, carros y electrodomésticos. La máquina

más importante de este proceso es el transformador, porque genera una eficacia

en todo el sistema, también se encargaba de tener la seguridad de la

Page 28: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

transformación de energía, permitiendo solo lo necesario. La energía llega al

consumidor de manera segura con un máximo de 220 V.

3.4 Generador eléctrico:

El generador eléctrico permite a las personas a poder transformar la energía

mecánica a energía eléctrica, en relación a la aspiradora, se dice que se

completa este proceso con un motor o turbina. Llegando a más profundidad de

desde conocimiento mecánico se sabe que hay dos tipos de máquinas rotativas

y estáticas, en este caso de la biela manivela en la aspiradora, se debe tener en

cuenta que se utiliza un transformador y el recorrido es giratorio, entonces es

una máquina rotativa. Con estas máquinas se pueden desarrollar la corriente

alterna o continua, pero deben tener en cuenta los requerimientos adecuados

para cada necesidad.

3.5 Corriente alterna:

En este apartado hablaremos sobre la generación de corriente alterna (AC) a

partir de la transformación de la energía mecánica que se desprende del

mecanismo Biela Manivela.

Para ello se requiere generar un campo eléctrico a partir de un campo magnético

creado por la agitación de un imán, el cual en estado inerte al ponerse en

contacto con un circuito eléctrico empujará los electrones que circularán por los

cables del circuito en sentidos de ida y vuelta originando la corriente alterna. Esto

se conoce como inducción electromagnética que según lo expuesto ocurre

cuando un campo magnético perturba a un campo eléctrico y viceversa.

Para conseguirlo necesitamos un generador eléctrico cuya función principal es

transformar la energía mecánica en eléctrica.

Page 29: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

3.6 Variable de entrada y salida

3.6.1 Imagen de características del generador

Se sabe que todo generador posee dos particiones: la armadura y el rotor y de

manera funcional presenta dos componentes; uno mecánico y otro eléctrico.

El generador a través del rotor recibe la energía mecánica y a las convierte en

energía eléctrica a través de los rodamientos.

La velocidad de giro tiene que mantenerse persistente, y lo que se puede variar

y adaptar a la situación es intensidad del campo magnético de excitación.

También puede ir cambiando los valores del voltaje.

Variable de entrada se comparte la tensión en fuentes relacionadas, luego

con estos valores, se halla la variable de salida.

J. (2017, 13 noviembre). julio_y98tz6z8. Grupoelectrogeno.net.

https://grupoelectrogeno.net/partes-generador-electrico/

Page 30: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

Variable de salida se relaciona con los diodos y se ajustan los valores del

voltaje de salida.

3.7 Desarrollo matemático de la energía mecánica:

En este parte de la monografía, vamos a hallar la energía mecánica, el cual,

es primordial recordar lo mencionado en el capítulo 1, que la energía

mecánica es la suma de la energía cinética con la energía potencial.

Utilizaremos la masa de la aspiradora el cual son 4 kg, trabajaremos con la

velocidad máxima, con gravedad y con la longitud de la biela manivela como

la altura.

2

2

12

1398

1

2

14 ( ) 4648 9.81 40

2

3.91 10

Em m v m g h

Em

Em

En esta parte, se analizará los valores de la corriente alterna.

3.8 Imagen de la función seno de la corriente alterna.

Se verán los datos de la ficha técnica.

Rescatando saberes previos - 634 - Operación, Mantenimiento y Ensayos. (s. f.).

Rescatando saberes previos. Recuperado 11 de septiembre de 2020, de

https://sites.google.com/site/634operacion/rescatando-saberes-previos

Page 31: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

325Valor máximo V

tan max ( )

220 (120 3600) 0

Valor ins táneo Vi V sen t

Vi sen

( ) 1 3600Periodo T h s

12.77

3600Frecuencia f

En la imagen se observa que se ha realizado una función seno, donde el valor

máximo para varias aspiradoras es de 325 V, y comparando al voltaje de mi

aspiradora, están relacionados, y el voltaje es de 220 V, entonces, sí cumple.

También se verificó el valor instantáneo que deba ser 0, reemplazo el voltaje

de la aspiradora, y una hora, en segundos. Luego, hallamos el periodo,

tomando en cuenta una hora, y finalmente la frecuencia.

3.9 Ley de Ohm

A continuación, se analizará las fórmulas sobre la ley de ohm. Se trabajará

con los datos y verificar si los datos anteriores, fueron bien desarrollados y si

la aspiradora cumple el voltaje y watts.

:

1400 706.36

220 11

Intensidad

P WI A

V V

2

Re :

(220) 24234.6

1400 7

sistencia

VR

P

1400: 220.1257862

6.36

P WTensión V

I A

Page 32: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

2

:

( ) (220 )1399 1400

34.6

Potencia

V VP W

R

Con respecto a la intensidad, sí cumple, porque el límite es de 12 A.

También cumple con la resistencia porque el máximo también es de 34 ohm.

Luego, se verificó que la tensión es verdadera de lo de la ficha técnica, con

220 V y finalmente la potencia sí cumple, aproximadamente a lo que puso la

ficha técnica, 1400 es la potencia máxima.

: 1400 3600 5040000Energía eléctrica P t

: 1400 1800 2520000Energía eléctrica P t

3.10 Conclusiones

Finalmente, se concluye que a más tiempo hay más energía eléctrica

y que con simple pasos, hemos llegado a los objetivos de la monografía.

Por otro lado, sí se cumplió con el análisis de la velocidad, aceleración

y el estudio de la energía mecánica y eléctrica. Al principio fue difícil buscar

información, pero con la dedicación y responsabilidad, se pudo culminar de la

mejor manera esta monografía. Lo más fundamental del capítulo 2 del

proyecto fue la relación entre el ángulo y la fórmula de posición, velocidad y

aceleración, se pudo llegar a la conclusión que a más ángulo hay más

velocidad y aceleración. Como se tomaron datos positivos, los datos variaban,

pero sí se llegó al límite, con el modelamiento en GeoGebra.

En el capítulo 3, la parte más fundamental, fue ficha técnica donde

especifican valores de la potencia, voltaje y frecuencia. Con los cálculos

matemáticos, se pudo llegar a rectificar que los valores eran los verdaderos y

Page 33: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

que cumplían con el máximo valor de cada aspecto. Tuve, varias limitaciones,

porque en mi país la cuarentena empezó desde marzo y tuve la idea de

desarmar mi aspiradora para tomar las medias exactas con la regla, pero

después, investigando cada día, pude llegar a tener más datos exactos y a

trabajar con este proyecto. Finalmente, deseo expresar mi idea para aquellos

estudiantes universitarios de ingeniería mecánica, invito a ustedes a poder

revisar y usar como base mi monografía y tomar en cuenta el punto 3.8 porque

se hacen uso de ecuaciones más complejas que permiten un grado de análisis

mayor y que se puedan desarrollar en los laboratorios.

3.10.1 Ecuaciones del equilibrio:

Con respecto a la segunda ley de Kirchhoff, se refiere a la ley de las mallas

donde la sumatoria de voltajes es igual a cero.

:

:

Re : tan

l g

Vb Ib Ib wb Er

Segunda ley de Kirchoff

dlbVb Ib Rb Lb

dt

Fuerza de imantación

F Ib wb

lación entre el flujo y fuerza Fuerza de imantación cons te de proporcionalidad

F

Fuerza electromoriz a la salida del rotor de ene

:

/ , tan de t

rador

E K

Er

K

ErF

K

F Erlb

wb K wb

Er Rb Lb dErVb

K wb K wb dt

Lb Rb Tb cons te iempo del circuit oelectromagnético

dErT Er Kr Vb

dt

k wbKr

Rb

Page 34: MONOGRAFÍA DE MATEMÁTICA

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