Proyecto: filtro de agua

Construcción, prueba física y comparación con la simulación

2026-11-05

Tema IV.4 · Unidad IV · Simulación de biosistemas

Proyecto: filtro de agua

Construcción, prueba física y comparación con la simulación

¿Coincide la simulación con el filtro real?

  • Construcción
  • Medición de caudal y turbiedad
  • Comparación en R
  • Versión 1 · noviembre de 2026
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Escucha primero

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1. El proyecto1 min
2. Cómo se trabaja1 min
3. Qué sigue1 min

1. El proyecto

Hasta aquí, todo ha sido simulación con datos que alguien más preparó. En este proyecto, el sistema es real. Lo construyes tú: una botella, grava, arena, y agua con tierra.

La pregunta es muy directa: ¿tu simulación coincide con lo que pasa en el filtro?

Antes que nada, una advertencia que no es negociable. Este filtro reduce la turbiedad, pero no vuelve potable al agua. No retira de manera confiable microbios ni sustancias disueltas. No se bebe esa agua, ni antes ni después de filtrarla.

Y una idea para empezar con el ánimo correcto. Si tu simulación no coincide con tus mediciones, no fallaste. Esa diferencia es lo más valioso del proyecto, porque dice qué le falta al modelo.

2. Cómo se trabaja

Son cuatro pasos, y el orden importa.

Primero, construyes y mides tu filtro con cuidado: el espesor de la arena y el área de la botella. Tu modelo depende de esos números.

Segundo, predices. Antes de medir, usas lo que aprendiste para calcular qué caudal esperas, cuánto debería tardar el agua, y cuánta turbiedad se debería retirar. Las escribes. Una predicción que se hace después de medir no prueba nada.

Tercero, mides. En una prueba, anotas cómo baja el nivel con el tiempo. En otra, pasas agua turbia varias veces, y mides el caudal y la turbiedad de entrada y de salida. Repites, y anotas todo lo raro que pase.

Cuarto, comparas y calibras. Con el script, ajustas la conductividad hasta que la simulación siga tus puntos. Estimas la constante de remoción con las primeras corridas, y compruebas con la última. Eso es importante: si calibras y compruebas con los mismos datos, casi cualquier modelo parece bueno.

Lo más probable es que veas algo que el modelo no incluye. Conforme el filtro se usa, sus poros se tapan. El caudal baja, y la remoción suele cambiar. El modelo supone que esos parámetros son fijos, y tu filtro te va a enseñar que no lo son.

3. Qué sigue

Ya puedes pasar a la página. Ahí está la lista de materiales, los pasos de construcción y la forma de anotar los datos. Léela completa antes de empezar.

La carpeta trae un script que ya funciona, con mediciones de ejemplo. Ejecútalo primero así, y comprueba que obtienes los mismos resultados que aparecen en la página. Después pones tus datos.

Al final hay una tabla para ayudarte a explicar las diferencias, y la lista de lo que debe contener tu reporte. Dedica tiempo a la discusión, porque ahí se ve si entendiste el modelo.

Fíjate en lo que este proyecto reúne: datos, calidad de la información, ajuste, simulación, y comparar contra la realidad. Es, en pequeño, lo mismo que hace quien modela un biosistema de verdad.

De qué trata

Hasta aquí, todo fue simulación con datos didácticos. En este proyecto el sistema es real: lo construyes tú. Vas a predecir cómo se comportará, a medirlo y a comparar. Si no coinciden, no quiere decir que fallaste: esa diferencia es la información más valiosa del proyecto, porque dice qué le falta al modelo.

Tema IV.1 Dinámica hidráulica Te da el caudal y el nivel

Tema IV.2 Concentración Te da la remoción

Este proyecto · IV.4 Filtro de agua ¿Coincide con lo simulado?

Al terminar este proyecto podrás:

  1. Construir un filtro de arena y documentar sus medidas.
  2. Predecir su comportamiento antes de probarlo.
  3. Medir nivel, caudal y turbiedad, y anotar la incertidumbre.
  4. Calibrar los parámetros K y λ, y comprobarlos con datos que no usaste para calibrar.
  5. Explicar las diferencias entre lo simulado y lo medido.
Antes de empezar: el agua de este filtro no es para beber

Un filtro de arena reduce la turbiedad, pero no elimina de manera confiable microbios ni sustancias disueltas. No bebas el agua, antes ni después de filtrarla. Lávate las manos al terminar, ten cuidado al cortar la botella, y usa sólo agua de la llave con tierra limpia. No uses agua de drenaje, de canal ni con productos químicos.

1. Materiales

Material Cantidad Para qué
Botella de plástico transparente de 2 L, de paredes rectas 1 La columna del filtro
Arena lavada Unos 2 L El medio filtrante
Grava pequeña lavada Unos 0.5 L Soporte de la arena
Tela o malla fina y una liga 1 Evita que se salga la arena por la boca
Regla o cinta métrica, y marcador 1 Medir el nivel
Cronómetro 1 Se puede usar el del celular
Probeta o vaso graduado 1 Medir el caudal
Agua de la llave con tierra fina Unos 10 L El agua turbia de prueba
Soporte y recipiente 1 Sostener el filtro y recibir el agua
Turbidímetro 1 Medir la turbiedad en UNT

Si no hay turbidímetro, usa un método de comparación: prepara una escala de frascos con distinta cantidad de agua turbia, fotografíala con la misma luz y clasifica tus muestras contra esa escala. Di claramente en tu reporte que usaste este método, porque tendrás niveles relativos, no UNT.

2. Construir

  1. Corta la base de la botella. Pasa la lija por el borde, si hace falta.
  2. Cubre la boca con la tela, y sujétala con la liga.
  3. Colócala boca abajo en el soporte, con un recipiente debajo.
  4. Pon la grava: unos 5 cm.
  5. Pon la arena: 20 cm. Agrégala poco a poco, con agua, para evitar bolsas de aire.
  6. Mide y anota el espesor real de arena (L) y el diámetro interior en la parte recta. Calcula el área: A = 3.1416 × diámetro² ÷ 4.
  7. Pega una regla por fuera, con su 0 en la superficie de la arena.
  8. Lava el filtro: pasa agua limpia hasta que salga clara. No dejes secar la arena antes de medir.

Coloca algo pequeño, como un plato, encima de la arena al verter el agua, para no remover la superficie. Quítalo antes de medir el nivel, si estorba.

3. Predecir antes de medir

Antes de echar agua turbia, escribe tu predicción en el cuaderno. Después ya no se vale: una predicción hecha después de medir no prueba nada.

Qué predecir Con qué Dónde se vio
Caudal inicial Q = K × A × (h + L) ÷ L, con una K de tabla Tema IV.1
Tiempo para que el agua llegue a la arena t = (L ÷ K) × ln((h0 + L) ÷ L) Tema IV.1
Remoción de turbiedad 1 − e−λ×L, con λ = 0.1 por cm como primer intento Tema IV.2

Para la arena, usa K = 0.02 cm/s como primer intento, si no tienes un mejor dato.

4. Medir

Prueba A · Nivel contra tiempo

  1. Con la arena saturada, llena con agua limpia hasta h = 10 cm sobre la arena.
  2. Arranca el cronómetro.
  3. Cada 60 s, anota el nivel. Si baja muy rápido, mide cada 30 s.
  4. Termina cuando llegue a la superficie de la arena.
  5. Repite al menos una vez más.

Prueba B · Caudal, turbiedad y uso

  1. Prepara el agua turbia, mézclala bien y mide su turbiedad de entrada.
  2. Llena el filtro hasta el nivel de la prueba.
  3. Descarta lo primero que salga, porque contiene el agua que ya estaba en el filtro. Como referencia, usa un volumen cercano al de la arena por su porosidad: unos 0.5 L.
  4. Junta el agua durante un tiempo fijo, mide su volumen y calcula el caudal, en mL/s.
  5. Mide la turbiedad de salida.
  6. Repite por lo menos 5 corridas, y mezcla bien el agua de entrada antes de cada una.

Cómo anotar

Escribe tus datos en estos archivos con el Bloc de notas, y no los abras ni los guardes con Excel. Conserva los nombres de las columnas.

mediciones_nivel.csv.

Ejemplo

tiempo_s,nivel_cm
0,10
60,8.5
120,7.2

mediciones_turbiedad.csv.

Ejemplo

corrida,entrada_unt,salida_unt,caudal_ml_s
1,62,8.1,1.5
2,58,6.5,1.4

Anota también lo que no cabe en la tabla: un cambio de arena, si se removió la superficie, una burbuja o cualquier cosa rara. Los tiempos deben ser múltiplos de 5 s, porque el script simula de 5 en 5.

5. Comparar en R

La carpeta trae un script listo, con mediciones de ejemplo para que veas cómo funciona. Después se usa con tus datos.

Carpeta IBS-MDO-Tema-IV4 en Google Drive · script y datos
Descárgala completa con el botón de descarga de Drive («Descargar todo»). Drive la baja en un .zip: en Descargas, haz clic derecho → Extraer todo y trabaja dentro de la carpeta extraída.

Abrir en Drive

Archivo Para qué
tema_IV4.Rproj Abre RStudio trabajando en esta carpeta. Siempre empieza con doble clic aquí.
Tema_IV4_script.R El script de comparación. Cambia sólo lo que dice «TUS DATOS».
mediciones_nivel.csv Ejemplo de la Prueba A. Lo reemplazas con tus datos.
mediciones_turbiedad.csv Ejemplo de la Prueba B. Lo reemplazas con tus datos.
  1. Ejecuta el script con los datos de ejemplo, y comprueba que obtienes los resultados de abajo.
  2. Escribe en los dos archivos tus mediciones, y en el Bloque 1, las medidas de tu filtro.
  3. Bloques 3 y 4. Compara tu predicción con lo medido.
  4. Bloque 5. Calibra K. Anota cada intento con su error.
  5. Bloque 6. Compara el caudal de Darcy con el medido.
  6. Bloques 7 y 8. Calcula la remoción, estima λ con las primeras corridas y comprueba con la última.
  7. Bloque 9. Observa si el caudal baja de una corrida a otra.
  8. Bloque 10. Propón el espesor para una meta, y calcula qué le pasa al caudal.

Bloque 3. Con K = 0.02 cm/s, la simulación predice 405 s.

Bloque 4. Las mediciones llegan a 0 cerca de los 540 s: el filtro real es más lento. RMSE: 1.11 cm.

Bloque 5.

K (cm/s) 0.020 0.018 0.016 0.0155 0.015 0.014
RMSE (cm) 1.11 0.69 0.22 0.14 0.20 0.50

El mejor valor es cercano a K = 0.0155 cm/s.

Curva de nivel contra tiempo que baja de 10 a 0 centímetros en unos 530 segundos, con los puntos medidos sobre ella.

Con K = 0.0155 cm/s, la curva pasa por las mediciones de ejemplo.

Bloque 6. Con K = 0.015 cm/s, Darcy da 1.44 mL/s, parecido a los 1.5 mL/s de la primera corrida.

Bloque 7. La remoción sube de 86.9 % a 91.4 %, con un promedio de 89.7 %.

Bloque 8. Con las primeras 4 corridas, λ = 0.112 por cm. Para la corrida 5, predice 6.07 UNT, y salieron 4.9 UNT: una diferencia de 1.2 UNT.

Bloque 9. El caudal baja de 1.5 a 1.0 mL/s: el filtro se está tapando. Al mismo tiempo, retiene mejor. Por eso λ no es constante, y el modelo se queda corto: subestima la remoción de la última corrida, y la K de la primera prueba ya no vale.

Bloque 10. Para bajar de 60 a 4 UNT harían falta 24.2 cm de arena. El caudal bajaría de 1.44 a 1.36 mL/s, con K = 0.015 cm/s.

6. Explicar las diferencias

La parte más importante del proyecto es discutir por qué difiere lo simulado de lo medido. Estas preguntas ayudan:

Lo que ves Qué podría explicarlo Cómo comprobarlo
El filtro es más lento que lo simulado La K real es menor, o la tela o la grava frenan el paso Calibrar K, o medir con y sin tela
El nivel no sigue la curva Aire atrapado, o una salida que limita el flujo Saturar bien y volver a medir
El caudal baja con el uso Las partículas tapan los poros Graficar caudal contra corrida y lavar la superficie
λ cambia entre corridas El filtro cambia con el uso, y el modelo supone que no Separar las corridas en primeras y últimas
Repetir da resultados distintos Hay error de medición o el agua no se mezcló bien Repetir y reportar el rango

Recuerda que calibrar con un dato y comprobar con otro es la única manera honesta de decir que un modelo predice.

7. Qué debe contener tu reporte

  1. Pregunta y fotografías: qué querías saber y cómo quedó el filtro.
  2. Diseño: materiales, L, A y un esquema con medidas.
  3. Predicción: los valores que calculaste antes de medir.
  4. Mediciones: las tablas, con sus unidades, y cómo se midió cada cosa.
  5. Comparación: la gráfica de lo simulado contra lo medido, y el RMSE.
  6. Calibración: K y λ finales, y su comprobación con una corrida que no se usó para calibrar.
  7. Discusión: por qué difieren, qué le falta al modelo y qué harías distinto.
  8. Conclusión y límite: qué tan bien funciona tu filtro, en números, y para qué no sirve. Debe decir que el agua no es para beber.

Instrucciones de R de este proyecto

Instrucción Qué hace En Excel sería
nrow(tabla) Cuenta los renglones CONTARA
x[1:(n - 1)] Todos los valores menos el último Seleccionar el rango
(1 - salida / entrada) * 100 Porcentaje de remoción =(1-C2/B2)*100
log(entrada / salida) / L λ de una corrida =LN(B2/C2)/L