Proyecto integrador · Tema 32

Modelar, calcular y visualizar

Diseñaremos un sistema de captación de lluvia desde el planteo físico hasta su verificación numérica con JavaScript.

01 · El desafío

¿Qué capacidad debe tener un tanque de lluvia?

Una cubierta conduce parte de la lluvia hacia un tanque. La intensidad cambia durante la tormenta, una fracción del agua se pierde y el depósito tiene capacidad limitada. Queremos calcular cuánto volumen se capta, cuánto se almacena y cuánto se desborda.

02 · Variables

Datos, incógnitas y supuestos

SímboloSignificadoUnidad
AÁrea horizontal de la cubiertam²
I(t)Intensidad instantánea de lluviamm/h
CCoeficiente de captación, entre 0 y 1sin unidad
TDuración de la tormentah
KCapacidad útil del tanqueL

Supondremos el tanque vacío al comenzar, sin consumo durante la lluvia y una misma eficiencia C durante todo el evento.

03 · Modelado

De la intensidad al caudal captado

Como un milímetro de lluvia sobre un metro cuadrado equivale a un litro, el caudal de entrada es:

q(t)=C·A·I(t)   [L/h]

Adoptamos una tormenta idealizada que crece hasta un máximo y luego disminuye suavemente:

I(t)=Imáx sen(πt/T),   0≤t≤T

Este perfil no representa todas las tormentas, pero es positivo, tiene un pico controlable y permite comparar una solución exacta con una aproximación numérica.

04 · Control dimensional

Las unidades también verifican el modelo

m² · mm/h = L/h

La equivalencia funciona porque 1 mm = 0,001 m y 1 m³ = 1000 L. Al integrar el caudal respecto del tiempo obtenemos litros:

[L/h]·[h]=[L]

05 · Solución analítica

Volumen total captado

V=C·A∫0TImáx sen(πt/T)dt

Una primitiva es −ImáxT/π · cos(πt/T). Al evaluar los límites:

V=2CAImáxT/π

La profundidad total de lluvia del modelo es H=2ImáxT/π. El volumen captado también puede escribirse como V=CAH.

06 · Evolución temporal

¿Cuánta agua llegó hasta un instante?

La función acumulada permite saber cuándo se llena el tanque:

V(t)=CAImáxT/π · [1−cos(πt/T)]

El agua almacenada es S(t)=min(V(t),K). Si no hay salida durante la tormenta, el desborde acumulado es D(t)=max(0,V(t)−K).

07 · Caso base

Una vivienda y una tormenta intensa

Consideremos A=120 m², C=0,85, Imáx=50 mm/h y T=3 h.

1. Profundidad: H=2·50·3/π≈95,49 mm.

2. Volumen captado: V=0,85·120·95,49≈9740,3 L.

3. Con un tanque de 5000 L se almacenan 5000 L y se desbordan aproximadamente 4740,3 L.

08 · Verificación numérica

La regla del trapecio comprueba el resultado

Dividimos [0,T] en n intervalos de ancho Δt=T/n y aproximamos:

V≈Σ [(q(tᵢ)+q(tᵢ₊₁))/2]Δt

Al aumentar n, el resultado debe acercarse a la fórmula exacta. La diferencia relativa sirve como control del algoritmo.

09 · Exploración

Laboratorio de dimensionamiento

PROYECTO 32

Tormenta, captación y tanque

I(t)=50 sen(πt/3) mm/h

Lluvia total95,49 mm
Volumen captado9740,3 L
Almacenado5000,0 L
Desborde4740,3 L
Error numérico0,0057 %

El tanque se llena durante la tormenta.

10 · Implementación

Separar el modelo del método numérico

// Parámetros del caso base
const area = 120;        // m²
const eficiencia = 0.85; // proporción captada
const pico = 50;         // mm/h
const duracion = 3;      // h

function intensidad(t, pico, duracion) {
  return pico * Math.sin(Math.PI * t / duracion);
}

function integrarTrapecios(f, a, b, n) {
  const h = (b - a) / n;
  let suma = (f(a) + f(b)) / 2;

  for (let i = 1; i < n; i++) {
    suma += f(a + i * h);
  }
  return suma * h;
}

const caudal = t =>
  eficiencia * area * intensidad(t, pico, duracion);

const volumen = integrarTrapecios(caudal, 0, duracion, 120);
const volumenExacto =
  2 * eficiencia * area * pico * duracion / Math.PI;
const errorRelativo =
  Math.abs(volumen - volumenExacto) / volumenExacto * 100;

console.log(`Volumen aproximado: ${volumen.toFixed(2)} L`);
console.log(`Volumen exacto: ${volumenExacto.toFixed(2)} L`);
console.log(`Error relativo: ${errorRelativo.toFixed(4)} %`);

Esta separación permite cambiar el perfil de lluvia sin reescribir el integrador, o reemplazar trapecios por otro método sin modificar el modelo físico.

11 · Interpretación

Calcular no es lo mismo que decidir

Un tanque capaz de contener toda la tormenta evita desborde en este escenario, pero quizá sea demasiado costoso. El diseño final también depende de la frecuencia de las lluvias, el consumo esperado, el espacio disponible y el nivel de riesgo aceptable.

ObjetivoCriterio matemático
Evitar todo desborde del eventoK≥V(T)
Captar al menos una fracción pK≥p·V(T)
Estudiar varios escenariosRecalcular con diferentes Imáx y T

12 · Sensibilidad

Qué variables tienen mayor impacto

En la fórmula V=2CAImáxT/π, el volumen es proporcional a cada parámetro. Aumentar el área, la eficiencia, el pico o la duración un 10 % aumenta el volumen un 10 % si los demás permanecen constantes.

La capacidad K no modifica el agua captada: solo reparte ese volumen entre almacenamiento y desborde.

13 · Alcance

Todo modelo simplifica la realidad

La tormenta real no es una senoide

Puede reemplazarse el perfil ideal por mediciones y aplicar la misma integración numérica.

La eficiencia no siempre es constante

Depende de materiales, suciedad, viento y pérdidas iniciales.

Puede haber consumo durante la lluvia

En ese caso se integra el balance qentrada(t)−qsalida(t).

No estudiamos probabilidades

Un diseño profesional requiere series históricas y eventos con distintos períodos de retorno.

El tanque podría no comenzar vacío

Se incorpora un volumen inicial S(0) al balance.

14 · Nuevos desafíos

Cómo ampliar el proyecto

  1. 1
    Usar datos reales

    Importar una serie temporal de intensidad y tiempos irregulares.

  2. 2
    Agregar consumo

    Simular riego o uso doméstico mientras ingresa agua.

  3. 3
    Comparar diseños

    Evaluar costo, porcentaje captado y volumen desperdiciado.

  4. 4
    Detectar eventos

    Separar tormentas y resumir cada una mediante integrales.

15 · Tu proyecto

Lista de verificación

  • Formulá una pregunta concreta que la integral permita responder.
  • Definí variables, unidades, intervalo y supuestos.
  • Construí la tasa cuya acumulación interesa.
  • Calculá el resultado analítica o numéricamente.
  • Verificá unidades, signo, cotas y convergencia.
  • Visualizá la tasa y la cantidad acumulada.
  • Interpretá el resultado como una decisión.
  • Explicá las limitaciones del modelo.

16 · Cierre del recorrido

La integral como herramienta de programación

En este proyecto la integral conectó una tasa variable con una cantidad acumulada. El mismo patrón aparece en distancia, trabajo, masa, energía, probabilidad y procesamiento de señales.