Divulgación y enseñanza de la ciencia

pj─325─dc Chaleco antibalas a base de fluidos no Newtonianos.

  • Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
  • Área de participación: Divulgación y enseñanza de la ciencia
  • Asesor: MARISA CALLE MONROY
  • Equipo [ ]: Luis Eduardo Jiménez Silva () , Ian Isaac Olguin Morales() , Víctor Daniel Escamilla Torres(2o Cozumel)

Resumen

Los chalecos antibalas están normalmente conformados por materiales como el kevlar, siendo un plástico-polímero, este material por sus propiedades cumple para salvaguardar la vida del usuario. Los fluidos no newtonianos poseen la propiedad de poder detener grandes impactos.

Siendo el problema principal que existe una degradación de kevlar al sudor humano. Esto reduce la afectividad del material a su uso.

Los fluidos no newtonianos se han aplicado en experimentación para mejorar la afectividad de estos materiales resultando en muchos casos, positivamente.

Al realizar el chaleco termino en una prenda similar en forma de los convencionales, aunque su rendimiento es menor, poniendo en riesgo la vida del portador; por la potencia de las balas se dio el resultado que algunas de las bolsas de maicena fueran atravesadas llegando al objetivo, demostrando las propiedades de la mezcla, estas siendo que al resistir el impacto se genera una presión a la que las partículas se empaqueten aumentando la viscosidad del fluido.

Al termino de la experimentación se llego ala conclusión que estos fluidos pueden ser utilizados para el reforzamiento de los chalecos convencionales como fue demostrado por la empresa BAE Systems. Muchas de las empresas que ocupan el kevlar para la realización de un chaleco convencional tienen la problemática que el kevlar se puede ir desgastando por lo que se podrían utilizar los fluidos no Newtonianos para el recubrimiento de éste, no solo limitándose a la mezcla de maicena con agua y así resistiendo mayor impacto de balas.

Pregunta de Investigación

¿Cómo emplear los fluidos Newtonianos para la elaboración de chaleco antibalas?

Planteamiento del Problema

A lo largo de la historia el kevlar ha sido utilizado como protección y el medio más efectivo para proteger a las personas de las balas de una pistola. Aunque algunas de sus desventajas, hace más probable el riesgo que ocurra un accidente tales como; en algunos calibres a pesar de que frene la bala, esta provocaría una hendidura de no más de 4 centímetros; además se ha comprobado que existe una degradación de kevlar al sudor humano, por ser un líquido ácido.

Una de las variantes entres el kevlar y el fluido no newtoniano, es que se ha demostrado que un disparo de una bala de metal con una velocidad de 300 m/s son detenidas por 31 capas de kevlar, a diferencia de las 10 capas de kevlar combinado con un fluido no newtoniano, aumentando su efectividad en un 300%, esto da a entender que es una alternativa muy eficiente para la protección.

Antecedentes

Objetivo

Elaborar un chaleco antibalas a base de fluidos no Newtonianos y demostrar que es capaz de retener el impacto de una bala.

Justificación

Los chalecos antibalas más usados están hechos de materiales como, el kevlar o el zilon. El kevlar se trata de un plástico o un polímero descubierto en 1965 el cual se caracteriza por ser más fuerte que el acero, pero más elástico que la fibra de carbono, permitiéndole observar el impacto de las balas. Aunque estos no son impermeables ya que existen calibres que consiguen superar su defensa.

En diferencia los fluidos no newtonianos son aquellos que su viscosidad varia con la temperatura y la tención que se le aplica, esto porque sus partículas se compactan atrapándose unas a otras.

Se ha demostrado la aplicación de estos fluidos junto con el kevlar, ayudándole ha actuar más rápido aumentando la efectividad de ambos, demostrado por compañías como Muratex en Polonia o Bae Systems en Inglaterra.

Las compañías han tomado el beneficio de este proyecto y en diversas pruebas ha sido exitosa. Además, algunos productos como el kevlar permite que la bala se hunda y salgas herido, a cambio los fluidos no newtonianos hacen que reduzca su potencia y no se hunda al menos 1 a 4 centímetros.

Además hay diferentes usos que le podemos dar a los fluidos no newtonianos como rellenar baches y que se vuelva más resistente el material contra la lluvia, que se encuentra en las carreteras y así lograr solucionar el problema de manera parcial.

Una de las ventajas de esta idea es que es de acción rápido para tapar los baches, es una innovación.

Hipótesis

Si logramos elaborar un chaleco antibalas a base de fluidos no Newtonianos podríamos comprobar el comportamiento de estos.

Método (materiales y procedimiento)

Lista de materiales ( fluido no newtoniano)

  1. 3kg de Maizena
  2. 1.5l de agua
  3. vaso de precipitados de capacidad de 1l
  4. 1 cubeta de capacidad de 4l

Procedimiento

  1. Mide 1l en el vaso de precipitados, viértelo en la cubeta
  2. Mide 1/2l en el vaso de precipitados, viértelo en la cubeta
  3. Agrega los 3kg de Maizena al líquido
  4. Remueve la mezcla hasta que tenga una consistencia viscosa y un color amarillento

Materiales ( chaleco antibalas)

  1. 3.0m de gabardina
  2. 3 hebillas de plástico p/40
  3. 3m de correa de chincha de 5cm de grosor
  4. 12 bolsas de plástico de 13x10cm
  5. 1 rollo de hilos de 3 cabos
  6. máquina de coser
  7. 1 cinta métrica
  8. tijeras de sastre

Procedimiento

  1. Mide con la cinta métrica 45x42cm la gabardina y posteriormente cortar con las tijeras
  2. Con la máquina, cose de la parte exterior verticalmente las bolsas de plástico. Posterior la rellenas con el fluido
  3. Mide con la cinta métrica 45x42cm de la gabardina y después corta con las tijeras. Une los pedazos con la máquina de coser
  4. Mide un circulo de 2cm y corta en la unión de ambas partes
  5. Con el restante de la gabardina cubre las bolsas y cose en cada fila
  6. Corta correa de chincha en 3 para tener 3 pedazos de 1m
  7. Cose un pedazo en la gabardina en la parte contraria a las bolsas de plástico a 15cm verticalmente, además cose los siguientes pedazos en los centímetros 30 y 42
  8. Inserta las hebillas al final y al principio de las correas
  9. Cose los costados del chaleco y en la parte superior mide un círculo de 19cm de diámetro y corta. Repite en el otro costado

https://youtu.be/RmbwgnouQdU

Galería Método

Resultados

Resultados(Fluido): Resultó una masa de 4,5 kg, siendo un material espeso, semejante a un líquido y al aplicarle fuerza se comportó como un sólido, es de un color blanco amarillento, con pequeños grumos. Al tiempo se llega a secar, volviéndose agrietado, con consistencia dura y pegajosa. Al poner el fluido, sin secar, en una bolsa sellable sin aire, se conserva húmedo.

Resultados(Chaleco): Obtuvimos un chaleco de talla mediana para una persona adulta, la cual contiene 12 bolsas de plástico con fluido no Newtoniano en cada una de ellas.

El cual se puede ajustar a una persona de hasta 1 m de diámetro de cintura, preferente a la comodidad de la persona que utiliza el chaleco.

La bolsa con el fluido solo cubre la parte frontal del cuerpo de la persona (pecho y abdomen).

Galería Resultados

Discusión

Los fluidos no Newtonianos tienen diferentes usos de la industria tales como usos en pavimentación haciendo las calles más resistentes gracias a sus propiedades que al no haber presión se permite que las partículas se mueven parcialmente libre, pero al añadir fuerza sus partículas se empaqueten impidiendo que se deslicen entre ellas aumentando su viscosidad.

Conclusiones

Conclusiones: Se reafirmo el funcionamiento de los fluidos no Newtonianos, por la reacción de la mezcla a la velocidad de  la bala. El blindaje, a pesar de que algunas bolsas se lograron romper, resistió el fuerte impacto de casi todas las balas demostrando que la mezcla de maicena con agua soporta grandes impactos, pero hay variaciones que legan a arriesgar la vida del portador, aunque es posible que el fluido pueda ser utilizado para aumentar la seguridad, junto a otros materiales, de un chaleco antibalas común.

Bibliografía

Fuente de Consulta(Sistema A.P.A):

UNAM, Impactos, disponible en:

www.unamiradaalaciencia.unam.mx/sowload.pdf_prensa/unamirada:10.pdf,consultado el 26 de noviembre del 2018

DUPONT, DuPont Tecnologías de Protección, disponible en: http://www.dupont.mx/content/dam/dupont/products-and-services/personal-protective-equipment/body-armor/documents/BROCHURE%20TECNOLOGIAS%20DE%20PROTECCION%20SECTOR%20PUBLICO.pdf, consultado el 26 de noviembre del 2018

Madridmasd, El Kevlar Una Invensión Que A Salvado Muchas Vidas, disponible en: http://www.madrimasd.org/blogs/patentesymarcas/2015/el-kevlar-una-invencion-que-ha-salvado-muchas-vidas/, consultado el 30 de marzo del 2019

DLERAE, Polímero, disponible en: https://dle.rae.es/?id=TYDU0uM, consultado el30 de marzo del 2019

UPM, Bloque 5 Reacciones De La Polimerización, disponible en: http://ocw.upm.es/ingenieria-quimica/quimica-de-combustibles-y-polimeros/Contenidos/Material_de_clase/qcyp-b5.pdf, consultado el 2 de abril del2019

 



pj─325─dc Chaleco antibalas a base de fluidos no Newtonianos.

Summary

 

RESUMEN (250 PALABRAS)

Los chalecos antibalas están normalmente conformados por materiales como el Kevlar, siendo un plástico polímero; este material por sus propiedades cumple para salvaguardar la vida del usuario. Los Fluidos No Newtonianos poseen la propiedad de poder detener grandes impactos. Siendo el problema principal que existe una degradación del Kevlar al sudor humano. Esto reduce la efectividad del material a su uso. Los Fluidos No Newtonianos se han aplicado en experimentación para mejorar la efectividad de estos materiales resultando en muchos casos positivamente. Al realizar el chaleco terminó en una prenda similar en forma de los convencionales, aunque su rendimiento es menor, poniendo en riesgo la vida del portador, por la potencia de las balas se dió el resultado de que algunas de las balas de maicena fueran atravesadas llegando al objetivo, demostrando las propiedades de la mezcla, estás siendo que al recibir impacto se genera una presión a la que las partículas se empaqueten aumentando la viscosidad del fluido. Al término de la experimentación se llego a la conclusión de estos fluidos pueden ser utilizados para el reforzamiento de los chalecos convencionales, como fue demostrado por la empresa BAE Systems, muchas de las empresas que ocupan el Kevlar para la realización de un chaleco convencional, tienen la problemática que el Kevlar se puede ir desgastando, por lo que se podrían utilizar los Fluidos No Newtoniano para el recubrimiento de éste, no solo limitándose a la mezcla de maicena con agua, y así resiste mayor impacto de balas.

RESUMEN (80 PALABRAS)

Los chalecos antibalas están usualmente conformados por Kevlar, un material polímero-plástico. El cual alcanza a tener fuertes impactos. Los Fluidos No Newtonianos actúan de manera que al ejercer la presión se empaquetan las partículas que la conforman, así aumentando su viscosidad. Al término de la experimentación se concluyó que estos fluidos pueden ser utilizadas como reforzamiento de los chalecos convencionales, ya que el Kevlar se desgasta al sudor humano, este por se un ácido, siendo el fluido un recubrimiento

 

 

 

Research Question

How to apply the non-Newtonian fluids for the production of bulletproof vests?

Problem approach

Throughout history, Kevlar has been used as protection and the most effective means to protect people from gun bullets, although some of its disadvantages make the risk of an accident such as in some calibers, although the bullet stops, it would cause a crack of no more than 4 centimeters; besides, it has also been proven that Kevlar reacts to sweat for being an acidic liquid.
One of the variants between the Kevlar and the non-Newtonian fluid, is that it has been demonstrated that a shot of a metal ball with speed of 30 m / s is stopped by 31 layers of Kevlar unlike the 10 layers of Kevlar combined with a non-Newtonian fluid, increasing its effectiveness by 300%, which implies that it is a very efficient alternative for the protection against bullet shoots.

 

Background

Objective

To elaborate a Bulletproof vest based on non-Newtonian fluids and demonstrate that it can stop the impact of a bullet

Justification

The most used bulletproof vests are made of materials such as Kevlar or Zylon. The Kevlar is a plastic or polymer discovered in 1965 which is characterized by being stronger than steel but more elastic than carbon fiber, allowing it to absorb the impact of bullets. Although these are not impenetrable since there are calibers that manage to overcome their defense.

On the other hand, non-Newtonian fluids are those whose viscosity varies with temperature and the tension applied to them, this is because their particles are compacted by trapping one another.

The application of these fluids together with Kevlar has been proven, helping to act faster increasing the effectiveness of both, demonstrated by companies such as Moratex in Poland or Bae Systems in England.

The campaigns have taken advantage of this project and in various tests, it has come out successfully.

In addition, products such as Kevlar allow the bullet to sink and increase the risk that you get hurt, in return, fluids reduce the power of the bullet and sink into no more than 1 to 4 centimeters.

Furthermore, there are different uses that we can give to Newtonian fluids like, fill potholes and that the material becomes more resistant against rain and thus solve the problem partially. One of the advantages of this idea is that it is fast acting to plug the potholes which is an innovation.

 

Hypothesis

If we manage to elaborate a bulletproof vest based on non-Newtonian fluids, we could verify the way these fluids react at the impact of a bullet.

 

Method (materials and procedure)

Materials 1 (Non-Newtonian fluid)

  1. 3 kg of cornstarch
  2. 1.5 L of water
  3. 1 L capacity beaker
  4. 1 bucket 4 liters capacity
  5. 3 pairs of surgeon’s gloves.

 

Procedure 1 (Non-Newtonian fluid)

 

  1. Measure 1 l of water in the beaker. Pour it into the bucket.
  2. Measure ½ l in the beaker. Pour it in the bucket.
  3. Add the 3 kg of cornstarch to the liquid
  4. Remove the mixture until it has a viscous consistency and a yellowish color.

 

Materials 2 (vest)

 

  1. 3m gabardine fabric
  2. 3 plastic buckles – p / 40
  3. 3 m of chincha strap – 5 cm thick
  4. 12 plastic bags of 13 x 10 cm
  5. 1 roll of thread – 3 ends
  6. Sewing machine
  7. 1 measuring tape
  8. Tailor’s scissors

 

Procedure 2 (vest)

 

  1. Measure with the measuring tape 45 x 42 cm the gabardine and then cut iy with the scissors.
  2. With the machine, sew vertically from the outside of the plastic bags. Then fill them with the fluid.
  3. Measure the gabardine with the tape measure and cut two pieces of 45 x 42 cm with the scissors. Join the pieces with the sewing machine.
  4. Measure a circle of 20 cm and cut in the union of both parts
  5. With the remaining gabardine covers the bags and sews in each row
  6. Cut the chincha strap into 3 to have 3 pieces of 1 m
  7. Sew a piece in the gabardine to 15 cm vertically. Sew the following pieces in centimeters 30 and 45.
  8. Insert the buckles at the end and beginning of the straps
  9. Sew the sides of the vest and at the top measure a circle of 19 cm of diameter and cut on both sides.

Results

Results (Fluid): Result of a mass of 4.5 kg, being of a specific material similar to a liquid and the application of force as a solid, it is of a yellowish white color, with small lumps. At the time a second is reached, it became cracked, with hard and sticky consistency. By putting the fluid, without drying, in a sealed bag without air, it is kept moist.

 

Results (Vest): We obtained a vest of medium size for an adult person, which contains 12 plastic bags with Newtonian fluid in each of them.

 

It can be adjusted to a person up to 1 m in waist diameter, preferable to the comfort of the person using the vest.

 

The bag with the fluid only covers the front part of the person’s body (chest and abdomen).

 

Discussion

Non-Newtonian fluids have different uses of the industry such as paving uses making the streets more resistant thanks to its properties that, when there is no pressure, the particles are allowed to move partially free, but when adding force their particles are packed preventing them from slide between them increasing their viscosity.

 

Conclusions

The operation of non-Newtonian fluids was reaffirmed by the reaction of the mixture at the speed of a bullet. The shielding, despite the fact that some bags were broken, withstood the strong impact of almost all the bullets, demonstrating that the mixture of cornstarch and water withstands great impacts, but there are variations that might put on a risk the life of the carrier, although it is possible that the fluid can be used to increase the safety, with other materials, of a common bulletproof vest.

 

Bibliography

Fuente de Consulta(Sistema A.P.A):

UNAM, Impactos, disponible en:

www.unamiradaalaciencia.unam.mx/sowload.pdf_prensa/unamirada:10.pdf,consultado el 26 de noviembre del 2018

DUPONT, DuPont Tecnologías de Protección, disponible en: http://www.dupont.mx/content/dam/dupont/products-and-services/personal-protective-equipment/body-armor/documents/BROCHURE%20TECNOLOGIAS%20DE%20PROTECCION%20SECTOR%20PUBLICO.pdf, consultado el 26 de noviembre del 2018

Madridmasd, El Kevlar Una Invensión Que A Salvado Muchas Vidas, disponible en: http://www.madrimasd.org/blogs/patentesymarcas/2015/el-kevlar-una-invencion-que-ha-salvado-muchas-vidas/, consultado el 30 de marzo del 2019

DLERAE, Polímero, disponible en: https://dle.rae.es/?id=TYDU0uM, consultado el30 de marzo del 2019

UPM, Bloque 5 Reacciones De La Polimerización, disponible en: http://ocw.upm.es/ingenieria-quimica/quimica-de-combustibles-y-polimeros/Contenidos/Material_de_clase/qcyp-b5.pdf, consultado el 2 de abril del2019