Física Aplicada

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    Descripción física del plasma de un sistema de espectroscopía LIBS y su aplicación a la detección de cadmio y plomo en muestras de suelo
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2025-01-22) Lay Mesones, Enrique Javier; Sánchez Alcántara, Eder Rubén
    El presente trabajo de tesis describe el plasma generado en la técnica de espectroscopía inducida por láser (LIBS) y su aplicación a la detección de cadmio y plomo en muestras de suelos. Se aborda la interacción láser-muestra, la formación del plasma, la emisión de radiación y la ablación del material y el modelo de equilibrio termodinámico local. Se desarrolla un protocolo para preparar estándares en muestras de suelo con concentraciones conocidas de cadmio (50-1000 ppm) y plomo (1000 - 10 000 ppm). Las muestras extraídas de los jardines de la sección Física de la Pontificia Universidad Católica del Perú son secadas, trituradas, pulverizadas, tamizadas, enriquecidas con soluciones de CdCl2·H2O y Pb(NO3)2 y prensadas en pastillas. El arreglo experimental incluye un láser pulsado, un sistema óptico, un espectrómetro, sincronización electrónica y un soporte rotatorio que permite que cada pulso incida en zona diferente y genere un espectro LIBS. Se identifica líneas de emisión de cadmio (214,439 nm, 226,502 nm y 228,802 nm) y de plomo (405,708 nm), así como otras de hierro, magnesio, calcio, aluminio, silicio y titanio. Sobre los espectros, se descartan los 150 primeros y se aplican técnicas de eliminación de datos atípicos: uno basado en la desviación absoluta mediana para las pastillas con plomo y otro con la distancia de Mahalanobis para las que contienen cadmio. Se elabora curvas de calibración con las intensidades y áreas bajo las líneas de emisión y se reporta coeficientes de determinación cercanos a uno y, bajos límites de detección y cuantificación. La metodología muestra buena repetibilidad y efecto matriz variable para diferentes muestras. Finalmente, los resultados se validan con espectroscopía de absorción atómica.
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    Mejora en la producción energética de un módulo fotovoltaico bifacial vertical mediante la implementación de reflectores fijos de aluminio
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-01-23) Nuñez Rishmawi, David Elias; Palomino Tofflinger, Jan Amaru
    En el año 2020 se produjeron un poco más de 50 mil millones de toneladas de CO2eq a través de las diferentes industrias. 12.2 mil millones de estas fueron producto de diversos procesos de generación eléctrica. Es decir, 24.14% de las emisiones de CO2 equivalente en el mundo son producto de la generación de la energía eléctrica. En vista de esto, uno de los avances más importantes para el control de emisiones consiste en el uso de energías renovables, siendo la energía solar unos de sus principales bastiones. En la actualidad los paneles monofaciales son los más comunes en la industria fotovoltaica. Sin embargo, según el informe de 2023 de la International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV), la participación de mercado de los Módulos Fotovoltaicos Bifaciales (BF) en 2023 es de aproximadamente el 35% y se espera que aumente a 70% para el año 2033. Además, los módulos fotovoltaicos bifaciales han abierto nuevas posibilidades para instalaciones en posiciones verticales orientadas Este-Oeste y mejorando el albedo a través de reflectores. Esta última configuración es de particular interés para el campo emergente de agrivoltaics. Hay poca investigación publicada sobre el rendimiento energético de módulos bifaciales en sitios de baja latitud, y todavía no se ha publicado nada para Lima, Perú. Este trabajo busca enmendar esta falta de conocimiento, buscando optimizar un arreglo BF vertical (VBF) que apunta Este-Oeste en lugar de la convención usual de módulos BF inclinados hacia el Norte en el hemisferio sur. Agregar reflectores fijos adjuntos a ambos lados del arreglo resultó en mayores irradiancias recibidas por un módulo fotovoltaico y su posterior conversión energética. Se utilizó el software de simulación óptica Tonatiuh y bifacial_radiance para estimar las ganancias de irradiancia a través de los reflectores para diferentes configuraciones. Luego, en el trabajo experimental subsiguiente, se utilizaron mediciones de reflectancia de diferentes materiales en un espectrofotómetro para diseñar los mejores reflectores posibles. Una vez hecho esto, se utilizó una disposición que contenía un VBF, junto con dos piranómetros adyacentes, para tomar mediciones de irradiancia recibida y energía generada a través de curvas I-V en un día de control sin reflectores. Posteriormente, se implementaron dos reflectores de aluminio a cada lado de la disposición para contrastar estas mediciones con los resultados del control. Este proceso se llevó a cabo analizando las ganancias de irradiancia y energía a través de los reflectores para días nublados y soleados típicos, con la finalidad de averiguar si había una diferencia significativa en la mejora de la producción de energía entre estos días. Los resultados indican que, después de ajustar por la variabilidad del GHI y comparado con los días de control sin los reflectores, los piranómetros instalados percibieron un promedio de 59% más irradiancia en días soleados y 32% más en días nublados. Asimismo, utilizando las Curvas I-V del módulo, se pudo observar una mejora considerable de un promedio de 39% mayor entrega de máxima potencia para días soleados y 21% en días nublados.
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    Aplicación de la proyección de luz estructurada en la reconstrucción tridimensional a color de objetos arqueológicos
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-01-19) Montoya Janampa, Alejandro Manuel; Asmad Vergara, Miguel Augusto
    En esta tesis, se propone un conjunto de técnicas opto-digitales para la reconstrucción 3D y donde el color es asociado a piezas arqueológicas. Esto se realiza con el objetivo de obtener un método que permita preservar digitalmente el patrimonio cultural. Para obtener la reconstrucción digital, se proyectan franjas sinusoidales con el fin de codificar información de la topografía de la pieza. En cambio, para obtener el relieve policromado, se proyectan tres perfiles de luz constantes, debido a que la cámara utilizada es monocromática. Posteriormente, las imágenes registradas son procesadas digitalmente en el software MATLAB, el cual controla el proceso completo de reconstrucción 3D de las superficies incluyendo la textura y el color de la pieza. El trabajo se continúa con la reconstrucción a color de cuatro máscaras de diversos colores. Posteriormente para el afinamiento de las técnicas, se trabaja con dos objetos que corresponden a una réplica de un pequeño sarcófago de la cultura chachapoyas y un cántaro de la cultura mochica. Para cada reconstrucción digital, a color y completa, se rota sucesivamente el objeto en ángulos constantes hasta terminar una vuelta y todas las perspectivas digitalizadas en superficies 3D son finalmente acopladas. Por último, se comprueba que es posible generar una imagen a color usando una cámara monocromática y los resultados digitales presentan una forma y color similares a las muestras empleadas.
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    Análisis experimental de flujos de partÌculas con velocimetría de imagen de partÌculas (PIV) en un intercambiador de calor directo aire-arena
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-01-19) Perez Panduro, Juan Pablo Manuel; Baldwin Olguin, Guillermo Edmundo
    La hoja de ruta para el Sector Energético Global de la Agencia Internacional de Energía (IEA) llamada “Net Zero by 2050” dice: “El sector energético es la fuente de alrededor de las tres cuartas partes de las emisiones de gases de efecto invernadero en la actualidad y tiene la clave para evitar los peores efectos del cambio climático, quizás el mayor desafío al que se ha enfrentado la humanidad.” (Agencia Internacional de la Energía 2021: 13). La Unión Europea y 44 países se han comprometido a alcanzar el objetivo de emisiones netas cero, que representan alrededor del 70 % de las emisiones globales de CO2 y del PIB. Asimismo, el informe de la IEA señala “La participaciòn de las energías renovables en la generación total de electricidad a nivel mundial aumenta del 29 % en 2020 a más del 60 % en 2030 y a casi el 90 % en 2050. Para lograr esto, las adiciones de capacidad anual de energía eólica y solar entre 2020 y 2050 deben ser cinco veces mayores que la media de los últimos tres años” (Agencia Internacional de la Energía 2021: 73). Esto indica, ahora y en los próximos años, la necesidad de aumentar la cuota de los sistemas de energías renovables y aumentar la I+D+i para mejorar la eficiencia, de forma que la producción de energía renovable sea barata en comparación con la energía fósil. Uno de los campos prometedores con respecto a las fuentes renovables es la energía solar concentrada (CSP), que utiliza espejos para concentrar la luz solar en un receptor. La luz concentrada puede transformarse en calor y almacenarse fácilmente para que luego pueda usarse para generar electricidad. Esta energía también podría utilizarse en otras aplicaciones en las que se necesiten altas temperaturas. En este campo, la generación de CSP creció un 34% estimado en 2019, aunque este aumento exponencial es sobresaliente, aún se necesita una tasa de crecimiento promedio anual del 24% hasta el 2030 para estar encaminado con el Escenario de Desarrollo Sostenible (International Energy Agency 2020). Esto significa que en el futuro se utilizarán más centrales termosolares, lo que exigirá el desarrollo de nuevos sistemas, así como la mejora de los existentes. Por todo lo anterior, este trabajo de investigación se centra en la mejora de una de las tecnologías utilizadas en las plantas CSP, que es el Intercambiador de Calor Aire-Arena (ASHE) y en el que ha estado trabajando el Solar-Institut Jülich (SIJ) durante más de una década. El SIJ comenzó a desarrollar adecuadamente la tecnología ASHE en el 2005 con el proyecto “Sandspeicher”, que resultò en la simulación y construcción de un primer prototipo. Debido a los resultados alentadores, se lanzó el proyecto Intercambiador de Calor de Lecho Móvil de Alta Temperatura para Almacenamiento Térmico en Material Granular (HiTexStor), y luego se amplió para desarrollar un intercambiador de calor de 150 kW. Para ello se desarrollaron varios prototipos, culminando en un prototipo final de ASHE cilíndrico de 15 kW. Debido a la configuración confinada de ese prototipo, no es posible realizar mediciones experimentales de los efectos del flujo granular. Por lo tanto, la investigación es sobre el dispositivo de prueba de flujo de material a granel de modelo rectangular 03 (SFVA 03), que ofrece una mirada a la interacción aire-arena.
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    Diseño e implementación de un acondicionador de señales para acelerómetros piezoeléctricos con circuito electrónico integrado (IEPE)
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-07-21) Pratt Linares, Hugo Carlos Eduardo; Moreno Ruiz, Jorge Nestor
    El trabajo de tesis tiene por objetivo diseñar e implementar un acondicionador de señales para transductores piezoeléctricos con electrónica integrada (IEPE), específicamente acelerómetros. El acondicionador funciona a baterías, cuenta con una fuente de corriente de 4 mA para polarizar al transductor, un amplificador, filtro pasa altos Butterworth, detector de cable y detector de sobrecarga. La fuente de corriente es de 4 mA ; el amplificador es de ganancia seleccionable 1 (0 dB) y 10 (20 dB), ancho de banda (±0,5 dB) de [0,05 Hz; 50 kHz] con una desviación de fase de ±5° ; el filtro es de segundo orden y frecuencia de corte de 22,5 Hz que puede conectarse o desconectarse a criterio del usuario. El acondicionador implementado tiene una distorsión armónica total (THD) menor de 0,014% en el rango [10 Hz; 20 kHz] , una relación señal a ruido superior a los 100 dB en el rango [10 Hz; 20,2 kHz] y superior a 95 dB en el rango [4 Hz; 10 Hz], en ambos casos medido con una señal de tensión eficaz 1 V . En el primer capítulo se presenta un montaje típico de medición que emplea un acondicionador de señales para el análisis de vibraciones mecánicas. Se incluyen también características relevantes de acelerómetros y acondicionadores de señales comerciales, que sirvieron de referencia para las especificaciones del sistema implementado. El segundo capítulo presenta el diseño del sistema y el tercer capítulo los ensayos realizados y los resultados.
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    Estudio de los campos sonoros subacúaticos dentro de una piscina de nado sincronizado
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-04-28) Vasquez Perez, Franck Paul; Rivera Campos, Richard Alberto
    En el presente trabajo de tesis se desarrolla un software de simulación para la caracterización acústica de los campos sonoros al interior de una piscina de nado sincronizado; la representación de los datos simulados se lleva a cabo a través de la síntesis de la respuesta impulsiva de un recinto, auralización y simulación de frentes de onda acústicos. Para la síntesis de la respuesta impulsiva se utilizan las técnicas de trazado de rayos acústicos, fuentes imágenes y radiosidad. Así mismo, se desarrollan modelos matemáticos y algoritmos de procesamiento de datos involucrados en el proceso de simulación de un entorno subacuático; este desarrollo es utilizado también para hacer una descripción analítica del espacio acústico de simulación, y de sus elementos. Con el fin de obtener resultados de aplicación se ha propuesto el uso del software desarrollado, denominado “AURASONIC”, en el proceso de predicción del campo sonoro al interior de una piscina de nado sincronizado; en el cual se utilizan especificaciones técnicas para una piscina de competencias olímpicas. Finalmente se desarrolla el análisis de los resultados obtenidos, y se comparan con métricas utilizadas en la acústica arquitectónica, con el objetivo de tener referencias comparativas útiles.
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    Climatología de las mareas y onda planetaria Q2D en la región de la mesósfera y baja termósfera sobre la costa central de Perú
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-01-10) Suclupe Osorio, Jose Manuel; Chau Chong Shing, Jorge Luis
    La Mesosfera y Baja Termosfera (MLT) es la región que conecta la atmósfera con el geoespacio. La comprensión y caracterización de la dinámica de esta región MLT puede permitir mejorar las simulaciones y predicciones de modelos atmosféricos. Este trabajo mostrará resultados de la climatología de vientos de fondo, mareas (8, 12 y 24 horas) y onda planetaria cuasi-dos días (Q2D) obtenidos a partir del análisis de vientos medios zonales y meridionales que han sido estimados a alturas entre 80 -100 km sobre la costa central del Perú. Se está considerando dos años y medio de datos de viento (noviembre 2020 - abril 2022) medidos con el radar multistático de meteoros especulares ubicado alrededor del Radio Observatorio Jicamarca (11.95°S, 76.87°O) (SIMONe Jicamarca). Además, esta climatología observacional se compara con una climatología obtenida con el modelo WACCM-X. En base a las observaciones, se puede concluir que, en general, la marea diurna es más intensa que la marea semidiurna, y que las componentes meridionales son más intensas que las zonales. Además, las observaciones muestran amplitudes más altas que el modelo. Como promedio, las correlaciones (proporciones) de amplitudes entre las observaciones y el modelo son 0.27 (1.8) para la componente zonal y 0.27 (2.0) para la componente meridional. Las mejores correlaciones (0.41 - 0.46) se obtuvieron para las componentes zonal y meridional de la marea 24h, y para la componente zonal de la marea 8h y del viento medio. Las observaciones muestran que Q2D tiene el módulo máximo en los meses locales de verano (principalmente enero), mientras que el modelo además del verano local, muestra amplitudes significativas en los meses de invierno (junio y julio). Las observaciones muestran que la marea de 24 horas tiene la máxima intensidad entre agosto y septiembre, y un segundo pico en abril, pero el modelo muestra dos picos máximos similares, el primero entre agosto y septiembre, y el segundo entre febrero y abril. En este trabajo se describen más detalles sobre las variaciones mensuales y estacionales de los vientos MLT, vientos medios, mareas (amplitudes y longitud de onda vertical) y onda planetaria Q2D y su comparación con el modelo WACCM-X. Finalmente, la metodología utilizada para obtener la climatología de estas ondas atmosféricas fue el ajuste por mínimos cuadrados y el análisis wavelet. Se compararon los resultados de ambos métodos y se discutió la equivalencia entre ellos.
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    Reconstrucción modal del frente de onda a partir de un patrón de franjas interferométricas mediante ajuste de mínimos cuadrados
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-07-19) Salazar Simoni, Jorge Francisco; Gonzales Niño, Franco Alejandro
    La parte final en el proceso de la evaluación de un frente de onda, tanto en un proceso de taller como en un consultorio oftalmológico, es la reconstrucción del frente de onda. En el trabajo se implementará un ajuste modal por medio de la técnica de mínimos cuadrados, utilizando los polinomios de Zernike. Las técnicas matemáticas son desarrolladas en MATLAB. Para la prueba se ajustan polinomios simulados, obteniendose un buen ajuste de caracter visual. Finalmente se presentan propuestas para la verificación experimental de este trabajo.
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    Análisis e Implementación del método de Levenberg-Marquardt para la estimación de parámetros mecánicos de un altavoz
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-06-22) Medina Chávez, Víctor Raúl; Moreno Ruiz, Jorge Nestor
    Si bien el modelo elástico tradicional de la parte mecánica de un altavoz de radiación directa, consistente en un sistema masa-resorte-amortiguador, es ampliamente utilizado en aplicaciones electroacústicas debido a su simplicidad y aceptable concordancia (para fines prácticos) con datos experimentales, existen características en el comportamiento del altavoz que dicho modelo no reproduce. Una de esas características, relacionada al fenómeno de creep que presenta la suspensión mecánica viscoelástica de los altavoces, es el incremento de los valores de la resistencia mecánica en el rango de las frecuencias bajas. El presente trabajo presenta un modelo viscoelástico de la parte mecánica de un altavoz de radiación directa y muestra como este resulta ser un modelo más completo respecto al modelo elástico tradicional al reproducir el mencionado comportamiento del altavoz asociado a la presencia del creep. Este resultado comparativo se valida mediante el ajuste del modelo a las curvas de datos experimentales obtenidos de la medición de distintos altavoces. El método de Levenberg–Marquardt, empleado para el ajuste del modelo por mínimos cuadrados no lineales, es estudiado con detalle.
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    Análisis y caracterización colorimétrica de zumos de naranja por espectrofotometría de reflexión y transmisión
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-03-07) Tesillo Quispe, Mabel Erlinda; Asmad Vergara, Miguel Augusto
    El color es considerado uno de los aspectos más importantes en la evaluación de la calidad de los productos alimentarios y su evaluación es de crucial importancia en una de las bebidas más consumidas como es el jugo de naranja, donde es importante evaluar el color y su aceptabilidad ante procesos que involucran su conservación y procesamiento. En este trabajo evaluamos el color del jugo de diferentes variedades de naranjas denominadas: Tangelo, Valencia y Huando, todas ellas se consumen en diferentes mercados de Lima-Perú. El color puede evaluarse por apariencia visual o análisis instrumental, en nuestro caso; hemos utilizado diferentes tipos de espectrómetros para medir el color. Se han obtenido varios parámetros como los espectros de transmitancia y reflectancia en el rango visible de la luz y las variables colorimétricas CIE L*a*b* y CIE L*c*h. En resumen, los resultados muestran que el valor numérico del color del jugo de naranja está asociado a la selección del instrumento, es decir: la geometría óptica, tipo de iluminación y preparación de la muestra. Los hallazgos más consistentes en relación con la escala visual fueron obtenidos con el espectrofotómetro Konica Minolta modelo CM-5. Además, Se encontró que es posible diferenciar los jugos frescos de los jugos industrializados mediante la determinación de las correspondientes diferencias de color (ΔE) en la escala CIELAB alrededor del umbral de 3 unidades. También, este estudio ha mostrado que los espectrómetros convencionales en configuración óptica 0/0 (0° de ángulo de iluminación / 0° de ángulo de observación) diseñado para obtener medidas del factor de transmitancia de una muestra líquida, son una alternativa viable para obtener valores colorimétricos para muestras líquidas transparentes, Sin embargo, se debe tener especial cuidado con muestras translúcidas, ya que debido a su naturaleza dispersiva, se pueden obtener colores con poca luminosidad y croma.