Ciclo 3 - Investigacion - Javier Leiva
Título | Ciclo 3 - Investigación - Javier Leiva |
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Asignatura | Taller de Fabricación |
Del Curso | Taller de Fabricación 2023 |
Carreras | Diseño |
Nº | 06 |
Alumno(s) | Javier Leiva |
Contraposición de Desplazamiento Enrollado
Láminas
Investigación sobre la eficiencia energética en la naturaleza
Para iniciar la investigación para el proyecto de cierre del taller de fabricación, se estudia sobre la eficiencia energética en la naturaleza, como en sus sistemas, biología y formas, han podido desarrollar capacidades adaptativas extraordinarias.
En la naturaleza, numerosas formas de vida y sistemas biológicos han evolucionado para maximizar su eficiencia energética, adaptándose a las limitaciones de recursos disponibles a lo largo del tiempo. Estos organismos han desarrollado mecanismos cada vez más sofisticados que les permiten aprovechar al máximo la energía disponible, minorizando las pérdidas de esta y optimizando procesos para asegurar su supervivencia, como especie y como individuo, por ende también su reproducción.
A continuación los siguientes mecanismos biológicos que constituyen un eficiente uso energético:
Fotosíntesis
La fotosíntesis es uno de los procesos más eficientes en el sentido de capturar y convertir la energía solar. Las plantas han evolucionado con énfasis en optimizar este proceso, maximizando la absorción de luz y minimizando las pérdidas energéticas. En las hojas de las plantas se encuentran los cloroplastos que contienen clorofila, el pigmento responsable de la captura de la luz solar. Además, las plantas tienen mecanismos para regular la apertura y cierre de sus estomas, lo que les permite reducir la pérdida de agua y optimizar la captura de dióxido de carbono durante la fotosíntesis.
Respiración
La respiración es un proceso vital para los seres vivos, ya que les permite obtener energía a partir de la oxidación de los nutrientes. En la naturaleza, existen diferentes tipos de respiración adaptados a distintos entornos y requerimientos energéticos.
Respiración aeróbica:
La respiración aeróbica es el tipo de respiración más común en los seres vivos y se basa en el uso de oxígeno para oxidar los nutrientes y producir energía en forma de adenosín trifosfato (ATP). La respiración aeróbica se encuentra en organismos aeróbicos, desde bacterias hasta plantas y animales.
Respiración anaeróbica:
En condiciones de baja disponibilidad de oxígeno en la naturaleza, algunos organismos recurren a la respiración anaeróbica para obtener energía. En este proceso, la oxidación de los nutrientes se produce sin la participación de oxígeno. Aunque la respiración anaeróbica es menos eficiente en términos de producción de energía en comparación con la aeróbica, es una estrategia de supervivencia en entornos donde el oxígeno es escaso.
Respiración cutánea:
Algunos organismos, en su mayoría anfibios y gusanos, realizan la respiración a través de su piel. La respiración cutánea les permite intercambiar gases directamente con el medio ambiente, aprovechando la eficiencia del transporte gaseoso a través de delgadas membranas con múltiples conductos vasculares. Este tipo de respiración es eficiente en entornos acuáticos o húmedos, donde los niveles de oxígeno son adecuados.
Respiración traqueal:
Los insectos y arácnidos poseen un sistema respiratorio especializado llamado traqueal. Las tráqueas son tubos ramificados que se extienden por todo el cuerpo del insecto y permiten la entrada directa de oxígeno a las células. Este sistema de respiración altamente eficiente asegura una rápida distribución de oxígeno y una eliminación eficaz del dióxido de carbono, permitiendo a los insectos tener un metabolismo acelerado.
Sistemas de locomoción (Vuelo)
Muchos organismos han desarrollado sistemas de locomoción eficientes que minimizan el gasto energético. Por ejemplo, las aves migratorias han evolucionado para realizar largos vuelos utilizando cantidades mínimas de energía. El Albatros es el ave con mayor eficiencia energética en su sistema de locomoción por excelencia, ya que utilizan corrientes de aire ascendentes del oleaje, para planear y reducir la resistencia aerodinámica, ahorrando así una cantidad significativa de energía en sus largos viajes.
Puede que el secreto del albatros para masterizar el vuelo se encuentra en sus alas, su forma recta y alargada corta las corrientes de aire y les permite planear largas distancias.
Interacción simbiótica
La eficiencia energética en los sistemas de interacción simbiótica se basa en la optimización y aprovechamiento de los recursos energéticos por parte de los organismos involucrados en una simbiosis. En este tipo de relación, dos o más especies se benefician mutuamente, lo que les permite optimizar la captura y utilización de energía en comparación con si estuvieran actuando de forma independiente.
Existen diferentes tipos de simbiosis, como la mutualista, donde ambas especies se benefician por igual; el comensalismo, donde una especie se beneficia y la otra no se ve afectada; y el parasitismo, donde una especie (huésped) se beneficia de la otra (hospedatario), esta última se ve afectado de manera negativa. En todos estos casos, la eficiencia energética se logra a través de la especialización de funciones y la cooperación entre los organismos involucrados.
Un buen ejemplo es la simbiosis entre los corales y las algas fotosintéticas llamadas zooxantelas. Las zooxantelas viven en los tejidos externos de los corales y realizan la fotosíntesis, produciendo energía en forma de carbohidratos. A su vez, las algas obtienen protección y compuestos inorgánicos proporcionados por los corales. Esta asociación permite que los corales obtengan una fuente adicional de energía, lo que les permite construir sus estructuras extensas y sobrevivir en aguas pobres de nutrientes.
Comportamiento de las formas naturales en un plano inclinado
Los planos inclinados o también llamados pendientes, son superficies en base a una diagonal, en las cuales los objetos en estado de reposo pueden deslizarse, la segunda ley de Newton establece que la fuerza neta aplicada a un objeto es igual a la masa del objeto multiplicada por su aceleración. En el caso de un plano inclinado, esta ley nos ayuda a entender cómo se mueve un objeto colocado en un plano inclinado bajo la influencia de la gravedad.
El estudio del comportamiento de las formas naturales en un plano inclinado nos permite comprender cómo los organismos y objetos de la naturaleza se adaptan y aprovechan la aceleración gravitacional para desplazarse con eficacia. Estos patrones son esenciales para la supervivencia de seres vivos, con elementos y principios que se pueden extrapolar hacia la ingeniería, biología o medicina.
El plano inclinado es un sistema/máquina simple que permite reducir la fuerza necesaria para desplazar un objeto al convertir parte de la fuerza vertical en una fuerza horizontal. Las formas naturales pueden desplazarse tanto ascendente como descendente, dependiendo de su forma y de las condiciones del entorno. El movimiento ascendente ocurre cuando un organismo o un objeto se mueve contra la dirección de la fuerza gravitacional, mientras que el movimiento descendente ocurre cuando se desplaza en la misma dirección que la fuerza gravitacional.
En el encargo se da de ejemplo el caso de las semillas en distintas topografías, algunas semillas tienen adaptaciones y variaciones que les permiten rodar o deslizarse por pendientes aprovechando la fuerza gravitacional y la aceleración. Estas adaptaciones incluyen formas aerodinámicas, estructuras que actúan como ruedas o espinas que mejoran el agarre a las superficies.
Un ejemplo de estas serían las semillas de arce que tienen una forma alada, conocida como sámara, que les permite planear y desplazarse eficientemente en el aire mientras descienden por pendientes.
Otro ejemplo serían las semillas de pino que se componen de una estructura llamada piña que se abre y despliega las semillas cuando está madura. Estas semillas tienen una capa protectora alada que al liberarse les permite volar y desplazarse cuesta abajo con el viento, facilitando su dispersión.
En topografías inclinadas descendentes (plano inclinado), las semillas pueden ser dispersadas eficientemente mediante rodadura. Su forma y peso se ajustan para que rueden cuesta abajo, alejándose lo más posible del lugar de origen para poder colonizar nuevas áreas o habitats. Por otro lado, en topografías inclinadas ascendentes, las semillas pueden tener estructuras como ganchos o cerdas que les permiten engancharse a la superficie y trepar, también un peso ligero para aprovechar la fuerza gravitacional para elevarse y establecerse en nuevas terrenos.
Un ejemplo serían las semillas de la Vellosilla las cuales tienen pequeños pelos hacia arriba que les proporcionan una mayor superficie y capacidad de flotación. Estos pelos les permiten ser llevadas por el viento y dispersarse en topografías inclinadas ascendentes, como laderas de colinas o montañas.
Otro ejemplo vendría a ser las semillas del cardo , cuales están rodeadas por un racimo de pelos plumosos que actúan como paracaídas. Estos pelos les permiten ser transportadas por el viento y dispersarse en áreas más altas, como laderas o pendientes empinadas.
Primer Acercamiento
Plano Ascendente y plano descendente
En el primer acercamiento del proyecto, se desarrolla el concepto de la semilla que se desplaza para colonizar nuevos hábitats y así propagarse para que sobreviva su especie, y dependiendo de las condiciones externas, la semilla evolucionará para poder propagarse de forma óptima y superar obstáculos, considerando el ejemplo de las semillas de arce que se desplazan favorablemente en un plano inclinado ascendente por su livianez y sus extensiones en forma de hélice.
En cambio las semillas de pino se desplazan de mejor manera en un plano inclinado descendente debido a su contundente peso y por el hecho de que se encuentran aglomeradas en unos conos denominados piñas o piñones, esta forma dentada y semicircular le permite rodar cuesta abajo después de caer del árbol y poder escarbar en el terreno para tener mayor posibilidad de germinar.
Primera Propuesta
Inercia Pausada
La primera propuesta consiste en un plano inclinado de 1.20 m de recorrido con un ángulo óptimo de 97° en su diagonal, dentro de este plano inclinado se instala esta especie de cinta, pero sin asemejarse a las cintas para correr de los gimnasios como se entendería, si no que esta cinta presenta una transición de superficie lineal a una en forma de onda, generando un efecto de cartón corrugado o de acordeón. Este accionar se produce gracias a un circuito integrado a partir de 2 servomotores SG90 ubicados en la parte más alta de la estructura, activados manualmente para generar el movimiento de tirar de cuerdas que se atan a cada extremo de los prismas hexagonales. Otra cuerda se ata a algunos prismas específicos, cada 1 de 4, de esta forma al tirar de estos últimos, hará que la cinta se levante en puntos críticos para encerrar al objeto que se desplaza y detener su inercia, debido a la tensión que se genera en la cuerda que los une transversalmente, no confundir con la cuerda que amarra la cinta completa de prismas a los servomotores.
Se prueba con el prisma hexagonal por la simetría de sus caras para generar un desplazamiento estable del cuerpo que se desee mover. También se opta por crear estos prismas vacíos en su interior y de cartón de 3mm o plumavit, esto para evitar sobrecargar los servomotores con el peso.
A partir de este mecanismo se quiere pausar intencionalmente la inercia en el cuerpo, la capacidad de frenar un movimiento a partir del mismo plano por el cual se desplaza, adaptando la superficie con movimientos mecánicos para aminorar o detener por completo su trayectoria, puesto que este mecanismo al ser manual, se puede modular para que el cuerpo descienda con su superficie pasando de un modo a otro (recto/ondas) de forma abrupta o paulatina.
Segunda propuesta
Luego de replantearse el mecanismo para lograr una mayor eficiencia en la composición de este y su forma, para lograr el aplastamiento o achatamiento de la cinta de cartones se opta por utilizar un sistema de servomotores conectados a poleas pequeñas, a partir del siguiente sistema mecánico:
Estructura de soporte
Se produce una estructura robusta que pueda soportar los prismas de cartón y resistir las fuerzas generadas durante el funcionamiento del sistema de servomotores y poleas. A partir de piezas de MDF de 3 mm cortadas en una CNC Router se crean las piezas de la estructura, como placas, poleas y soportes.
Mecanismo de aplastamiento
Insertando los servomotores en la estructura en posiciones estratégicas, a cada costado de la cara trasera del mecanismo, de manera que puedan aplicar la fuerza necesaria para aplastar una cinta de 30 prismas triangulares huecos, atados a cada uno de sus costados. Luego, poleas pequeñas que se acoplan a los servomotores serán las encargadas de generar el movimiento que estire y afloje la cinta de cartones. Asegurándose que el sistema de poleas aminore la cantidad de fuerza necesaria para accionar el mecanismo, para así no tener fallas con los servomotores, también que las poleas tengan un diámetro adecuado para permitir el contacto con la cinta y el desplazamiento suave.
Es necesario también un sistema de sujeción para mantener la cinta de cartones en su lugar mientras se aplica la fuerza de aplastamiento, utilizando guías o ranuras en la estructura donde se desliza la cinta de cartones, asegurando que no se salga de su posición durante el proceso.
Cuerpos Desplazados
Servomotores y poleas
Se utilizan cuerdas para conectar las poleas a los servomotores, de manera que cuando los servomotores giren, las poleas también lo hagan para mover la cinta de prismas en 2 sentidos opuestos.
Tercera propuesta
Al percatarse que el movimiento deseado de transición de cuerpo ondulado a cuerpo liso (cinta de prismas) se complicaba al momento de instalar los motores y su ubicación, se decide por alterar el movimiento de la superficie del plano inclinado, ahora en vez de pasar de liso a ondulado, la transición sería de cuerpo liso a cuerpo enrollado, y es en este gesto de enrollarse que la superficie logra atrapar al cuerpo insertado y lo desplaza junto consigo en su trayectoria ascendente y descendente.
Estructura de soporte
Mecanismo de enrollamiento
Para hacer funcionar el mecanismo de enrollamiento, se ubican los 2 servomotores en cada costado de la estructura, a baja altura, ubicando el eje de cada servomotor sobresaliendo hacia dentro de cada cara lateral, de esta forma se puede ubicar el resto de componentes electrónicos ajustados en la cara interior de cada placa lateral del prototipo.
El sistema funciona con un sistema doble y simétrico, con servomotores que tienen insertado un carrete que acumularía la cuerda que se enrolla al girar los motores, este carrete pasa primero por una polea ubicada también por las caras interiores del mecanismo, a mayor altura (15cm) y en el mismo eje, esta polea redirecciona la fuerza hasta el último prisma de la cinta,este último prisma al tener cuerdas atadas a cada uno de sus extremos, empieza a ascender de manera equilibrada al momento que se accionan los servomotores, este movimiento de ascender se mantiene por 15 segundos, hasta que el último prisma logra ubicarse en la parte más cercana a las poleas superiores, es en este momento que los 2 servomotores comienzan a girar en el sentido contrario para que la cinta se despliegue nuevamente y vuelva a su posición original, arrastrando al cuerpo móvil consigo.
Cuerpos Desplazados
Se incorpora un nuevo cuerpo para probar su comportamiento en el plano inclinado, este cuerpo se genera a partir del cuerpo 02, el ajuste está en que se agregan 2 toroides más que cortan el objeto en su superficie, generando así más surcos o muescas que facilitan el agarre del cuerpo en la superficie de prismas triangulares.
Propuesta final
Fundamento
En la propuesta final se reemplazan los servomotores MG996r por motores de paso 28byj-48, esto para poder asegurar que la fuerza de giro de los motores sea suficiente para enrollar la cinta. Estos motores se insertan en la estructura en posiciones estratégicas, a cada costado de la cara delantera del mecanismo con su eje hacia afuera, de tal manera que cada motor pueda girar en sentidos contrarios alternadamente sin interrumpirse entre sí, coordinando esta transición en el tiempo a través del código.
Estos 2 motores aplican la fuerza necesaria para estirar y enrollar una cinta de 30 prismas triangulares huecos, esta cinta funciona como un cuerpo completo, ya no son cuerpos independientes unidos mediante un hilo, por ende, con tan solo sujetar los motores al último prisma del recorrido, se logra generar la el movimiento deseado de la cinta como un total.
El sistema de poleas es de suma importancia para el funcionamiento del mecanismo, ya que transmiten, distribuyen y redireccionan la fuerza de giro de los motores para estirar y retraer la carga. Pequeñas poleas se acoplan a los ejes de los motores los cuales serán las encargadas de generar el movimiento que estire y afloje la cinta de cartones. Asegurándose que el sistema de poleas aminore la cantidad de fuerza necesaria para accionar el mecanismo, para así no tener fallas de falta de energía o potencia, también que las poleas tengan un diámetro adecuado para permitir el contacto con la cuerda y el desplazamiento suave.
Es necesario también un sistema de sujeción para mantener la cinta de cartones en su lugar mientras se aplica la fuerza de aplastamiento, utilizando guías o ranuras en la estructura donde se desliza la cinta de cartones, asegurando que no se salga de su posición durante el proceso.
Todos los componentes electrónicos se ubican agrupados en la cara frontal del mecanismo y a la vista.
Cuerpo formal
Cubicación
Cubicación total de las piezas necesarias para corte CNC, piezas estructurales y componentes de poleas que conforman el mecanismo del plano inclinado, se dividen las placas laterales en 2 partes para poder imprimirlas en la máquina.
Vista en planta de la pieza de plano inclinado curvo. Se le incluye in patrón de surcos para facilitar la curva de la madera.
Vista previa de la impresión 3D del cuerpo desplazado 03 en el software de la máquina Zortrax
Principios físicos
A partir de las observaciones sobre los distintos tipos de semillas y sus formas de desplazarse en distintos ecosistemas para poder colonizar nuevos hábitats, proporcionó de cierta forma la ideación de los cuerpos móviles de este proyecto y a partir de este concepto de adaptar la forma o anatomía de un cuerpo para recorrer distancias cada vez mayores, se construye todo el mecanismo del plano inclinado para traer este concepto a la realidad, simulando y configurando las fuerzas físicas implicadas para generar el movimiento deseado.
En este prototipo final, las fuerzas implicadas se basan en la máquina simple de las poleas, esto para poder redireccionar y aumentar la potencia de giro de los motores que logran acumular las cuerdas que conectan la cinta de prismas, estos motores generan movimientos opuestos, el primer motor está encargado de transmitir la fuerza de ascensión hasta el punto de altura máxima, para luego comenzar a generar el movimiento opuesto, desplegando nuevamente la cuerda que se acumuló y la cinta de prismas, al momento que este primer motor cambia de sentido su rotación, el segundo motor comienza a girar en el sentido contrario que está girando el primer motor, de esta manera y a través del redireccionamiento de las poleas, logra sumar fuerza al primer motor para ubicar el último prisma de la cinta de vuelta a su posición original, en la parte baja de todo el mecanismo.
Electrónica
Componentes
- Motor paso a paso "Nema 17"
- Controlador "MKS-TB6600" para motor Nema 17
- Motor paso a paso "28BYJ-48"
- Controlador "ULN2003" para motor 28BYJ-48
- Fuente de poder de 240W - 30V - 8.0A
- Arduino UNO R3
Código para movimiento alternado de motores
#include <Stepper.h> // Define el número de pasos por revolución para el motor 28BYJ-48 const int stepsPerRevolution = 2048; // Configuración de los pines de control del primer motor const int motor1Pin1 = 8; const int motor1Pin2 = 9; const int motor1Pin3 = 10; const int motor1Pin4 = 11; // Configuración de los pines de control del segundo motor const int motor2Pin1 = 2; const int motor2Pin2 = 3; const int motor2Pin3 = 4; const int motor2Pin4 = 5; // Configuración de la velocidad del motor const int motorSpeed = 15; // Velocidad alta // Inicializa la librería Stepper para los motores Stepper motor1(stepsPerRevolution, motor1Pin1, motor1Pin3, motor1Pin2, motor1Pin4); Stepper motor2(stepsPerRevolution, motor2Pin1, motor2Pin3, motor2Pin2, motor2Pin4); void setup() { // No se requiere una configuración adicional en este caso } void loop() { // Gira el primer motor en un sentido motor1.setSpeed(motorSpeed); motor1.step(stepsPerRevolution); // Gira el segundo motor en el sentido contrario motor2.setSpeed(motorSpeed); motor2.step(-stepsPerRevolution); }
Código corregido
// Incluir la biblioteca necesaria para controlar el motor stepper NEMA 17 #include <AccelStepper.h> // Definir las conexiones del motor stepper NEMA 17 #define NEMA_STEP_PIN 3 #define NEMA_DIR_PIN 4 // Definir las conexiones del motor stepper 28BYJ-48 #define BYJ_STEP_PIN 5 #define BYJ_DIR_PIN 6 // Definir la duración de los movimientos en milisegundos #define MOVEMENT_DURATION 10000 // Crear una instancia del motor stepper NEMA 17 AccelStepper nemaStepper(AccelStepper::DRIVER, NEMA_STEP_PIN, NEMA_DIR_PIN); void setup() { // Configurar los pines del motor stepper NEMA 17 como salidas pinMode(NEMA_STEP_PIN, OUTPUT); pinMode(NEMA_DIR_PIN, OUTPUT); // Configurar los pines del motor stepper 28BYJ-48 como salidas pinMode(BYJ_STEP_PIN, OUTPUT); pinMode(BYJ_DIR_PIN, OUTPUT); // Configurar el motor stepper NEMA 17 nemaStepper.setMaxSpeed(1000); nemaStepper.setAcceleration(500); } void loop() { // Girar el motor stepper NEMA 17 en sentido horario por 10 segundos nemaStepper.setSpeed(500); // Velocidad en pasos por segundo digitalWrite(NEMA_DIR_PIN, HIGH); // Sentido horario delay(1000); // Retardo inicial antes de comenzar el movimiento nemaStepper.runSpeedToPosition(); // Iniciar el movimiento delay(MOVEMENT_DURATION); // Esperar 10 segundos // Girar el motor stepper NEMA 17 en sentido antihorario por 10 segundos nemaStepper.setSpeed(500); // Velocidad en pasos por segundo digitalWrite(NEMA_DIR_PIN, LOW); // Sentido antihorario delay(1000); // Retardo inicial antes de comenzar el movimiento nemaStepper.runSpeedToPosition(); // Iniciar el movimiento delay(MOVEMENT_DURATION); // Esperar 10 segundos // Girar el motor stepper 28BYJ-48 en sentido antihorario por 10 segundos digitalWrite(BYJ_DIR_PIN, LOW); // Sentido antihorario delay(1000); // Retardo inicial antes de comenzar el movimiento stepMotor(BYJ_STEP_PIN, 4096); // Girar 4096 pasos (equivalente a 360 grados) delay(MOVEMENT_DURATION); // Esperar 10 segundos } // Función para controlar el motor stepper 28BYJ-48 void stepMotor(int stepPin, int steps) { for (int i = 0; i < steps; i++) { digitalWrite(stepPin, HIGH); delayMicroseconds(500); digitalWrite(stepPin, LOW); delayMicroseconds(500); } }
Conexiones del sistema
- Conecta el pin STEP del controlador MKS-TB6600 (asociado al motor NEMA 17) al pin 3 de Arduino.
- Conecta el pin DIR del controlador MKS-TB6600 al pin 4 de Arduino.
- Conecta el pin STEP del controlador ULN2003 (asociado al motor 28BYJ-48) al pin 5 de Arduino.
- Conecta el pin DIR del controlador ULN2003 al pin 6 de Arduino.
- Conecta el pin GND del controlador MKS-TB6600 y el pin GND del controlador ULN2003 a cualquier pin GND de Arduino.
- Conecta los pines VCC (+) y GND (-) de la fuente de poder de 30V al controlador MKS-TB6600 y al controlador ULN2003 para proporcionarles energía.
- Conecta el pin GND de la fuente de poder de 30V a cualquier pin GND de Arduino.
- Asegúrate de que la fuente de poder esté configurada correctamente para proporcionar la salida de 30V y tenga una corriente máxima de al menos 8.0A.