MECANISMOS Y MAQUINARIA

Un aspecto importante en cualquier especialidad del área de ingeniería es el diseño y análisis de dispositivos que tienen que ver con la elaboración de estructuras, mecanismos o maquinaria.
Las máquinas y herramientas, por rudimentarias o sofisticadas que parezcan, tienen en común muchos elementos y son distintas unas de otras solo en la aplicación.
Un arreglo mecánico orientado a realizar trabajos simples recibe el nombre de mecanismo, mientras que uno que transforma la energía es llamado máquina.

Cualquier dispositivo o arreglo mecánico, sea éste una máquina o un mecanismo, se forma de elementos simples, eslabonados y acomodados de tal forma que generan movimientos relativos. Estos elementos son llamados eslabones y pares cinemáticos (juntas) y los dispositivos obtenidos mediante el ensamble pueden ser catalogados como mecanismos simples o complejos.
Un eslabón es un cuerpo rígido que tiene dos o más pares o elementos de apareamiento por medio de los cuales se puede conectar con otros cuerpos con el fin de transmitir fuerza o movimiento.
Un par cinemático es un elemento de enlace entre eslabones, que permite el movimiento relativo de estos con cierta libertad.
Un mecanismo es una combinación de cuerpos rígidos o resistentes formados de tal manera y conectados de tal forma que se mueven uno sobre el otro con un movimiento relativo definido. Un ejemplo de mecanismo es el dispositivo manivela-biela-pistón de una máquina de combustión interna.

Dado que una máquina es un dispositivo generado con la finalidad de dirigir, regular o aprovechar la acción de una determinada fuerza, se les clasifica según su complejidad en:
Sencillas: La mayoría utilizan el principio de la palanca, tal es el caso de unas pinzas, un cortaúñas o incluso un cuchillo.
Complejas: Cuentan con varios elementos sincronizados, por lo regular son dispositivos que trabajan por ciclos y transforman energía en grandes cantidades, tal es el caso de las máquinas de combustión interna o los mecanismos hidráulicos de una excavadora.
Muy complejas: El número de mecanismos es muy elevado, tal es el caso de un motor a reacción o un transbordador espacial.
Y de acuerdo a la cantidad de pasos que requieren para realizar su trabajo:
Simples: Llevan a cabo su trabajo en un solo paso, lo que hace muy sencillo explicar su funcionamiento, tal es el caso de unas tijeras, un hacha o un torno. De acuerdo al operador del que derivan, las máquinas pueden dividirse en tres tipos: rueda, plano inclinado o palanca.
Compuestas: Este tipo de máquinas implica una sincronía necesaria con otros elementos que no son mecánicos, tales como computadoras, impresoras 3D, etc.
De acuerdo al tipo de propulsión:
Manuales: Son aquellas que funcionan mediante un impulso, no utilizan ningún tipo de motor.
Por motores eléctricos: Se dividen en dos categorías:
Estacionarias: Son aquellas que requieren una conexión a una toma de corriente para operar, tal es el caso de una máquina de coser.
Móviles: Utilizan motores eléctricos pero se alimentan por medio de baterías, la mayoría de las veces son recargables.
Por combustión: Utilizan un combustible para mantener su autonomía de funcionamiento, por lo regular es algún derivado del petróleo, gas natural o alcohol.

POTENCIA

La potencia se define como “la rapidez con la que se efectúa un trabajo”. Al igual que el trabajo es una cantidad escalar, cuya unidad de medida en el sistema internacional es el Watt (W) o el kilo Watt (kW).
1W=1 J/s

Si se realiza un trabajo ∆W en un intervalo de tiempo ∆t el trabajo medio efectuado por unidad de tiempo se conoce como potencia media y su módulo es:

P_med= ∆W/∆t

La rapidez con la que se efectúa el trabajo podría no ser constante, en este caso podemos definir la potencia instantánea P como:

P= lim┬(∆t→0)⁡〖∆W/∆t= dW/dt〗

Otra unidad que se utiliza para medir la potencia es el caballo de fuerza (hp):

1 hp=550 ft∙lb/s=33,000 ft∙lb/min

1 hp=746 W=0.746 kW

El Watt es una unidad común de potencia eléctrica; una bombilla de 100 W convierte 100 J de energía eléctrica en luz y calor cada segundo. Pero los watts no son inherentemente eléctricos, una bombilla podría especificarse en términos de caballos de fuerza así como algunos fabricantes de autos especifican la potencia de sus máquinas en kilo watts.
Las unidades de potencia pueden servir para definir nuevas unidades de trabajo o energía. El kilowatt-hora (kWh) es la unidad comercial usual de la energía eléctrica. Un kWh es el trabajo realizado en una hora cuando la potencia es de un kW:

1kWh= (〖10〗^3 J/s)(3600 s)=3.6 × 〖10〗^6 J=3.6 MJ

La potencia también puede ser considerada como media e instantánea:

P_med= (F_s ∆s)/∆t= F_(⃓⃓) ∆s/∆t= F_(⃓⃓) v_med

P= F_(⃓⃓)∙v

Donde v es la magnitud de la velocidad instantánea. Esta ecuación también se puede expresar en términos del producto escalar:

P= F ⃗∙v ⃗

Ejemplo:
Una motocicleta logra una potencia de 160 hp cuando se desplaza a una velocidad de 220 km/h (61.11 m/s). Determine la fuerza de empuje que desarrolla la máquina.

Desarrollo:

220 hp((0.746 kW)/(1 hp))=164.12 kW

164.12 kW=164.12 ×〖10〗^3 □(J/seg)=164.12 × 〖10〗^3 □((N∙m)/seg)

P=F∙v

F= (164.12 × 〖10〗^3 □((N∙m)/seg))/(61.11 □(m/s))

F=2.68 kN

TRABAJO Y ENERGÍA CINÉTICA

Cuando un objeto se desplaza de un lugar a otro, producto del trabajo aplicado, se logra un cambio en su aceleración, de forma que el aumento en la aceleración es directamente proporcional al incremento de la fuerza aplicada.

Estas observaciones pueden hacerse cuantitativas mediante un sencillo análisis: Suponga que una partícula se mueve a lo largo del eje x en dirección (+x) gracias a la aplicación de una fuerza de magnitud constante F. En este caso, la aceleración de la partícula será constante y se puede determinar mediante la segunda ley de Newton F=m∙a_x.
Supongamos que la rapidez cambia de v_1 a v_2 mientras la partícula sufre un desplazamiento: s= x_2-x_1
Debido a que se trata de aceleración constante se puede utilizar la fórmula:

v_x^2=v_0x^2+2a_x (x-x_0)

Sustituyendo:

v_2^2=v_1^2+2a_x s

a_x=(v_2^2-v_1^2)/2s

Al multiplicar esto por m y sustituir 〖ma〗_x, por la fuerza neta F, obtenemos:

F= 〖ma〗_x=m (v_2^2-v_1^2)/2s

Fs= 1/2 〖mv〗_2^2 - 1/2 〖mv〗_1^2

El producto Fs es el trabajo efectuado por la fuerza neta F y por tanto es igual al trabajo total W_tot efectuado por todas las fuerzas que actúan sobre la partícula. Llamamos a la cantidad 1/2 〖mv〗^2 la energía cinética (K) de la partícula.

K= 1/2 〖mv〗^2

La energía cinética es una cantidad escalar ya que no depende de la dirección del movimiento de la partícula, por ejemplo, un auto que se desplaza con una rapidez de 20 m⁄seg hacia el norte, tiene la misma energía cinética que si se desplazara con la misma rapidez hacia el sur.
Por otra parte, se dice que: el trabajo efectuado por la fuerza neta sobre una partícula es igual al cambio de energía cinética de la partícula.
A este enunciado se le conoce como “Teorema de Trabajo y Energía”, y su módulo es:

W_tot= K_2-K_1= ∆K

Ejemplo: Un vehículo de 1800 kg se desplaza a una velocidad de 35 m/seg. Calcule la energía cinética:

Desarrollo:

K= 1/2 〖mv〗^2

K= 1/2 (1800 kg)(35 □(m/seg))

K=31.5 kJ

TRABAJO

El trabajo tiene una definición precisa. Al utilizar esa definición, descubriremos que, en cualquier movimiento, por complicado que sea, el trabajo total realizado sobre una partícula por todas las fuerzas que actúan sobre ella es igual al cambio de su energía cinética: una cantidad relacionada con la rapidez de la partícula.

Imagine que el bulldozer empuja una gran cantidad de tierra (consideremos para este ejemplo que la fricción no es importante), estará de acuerdo que a medida que se aleja del punto de partida (al cual conocemos como punto de referencia), se describe una trayectoria o recorrido durante el cual la fuerza con la que se empuja actúa en todo momento. Ahora bien, utilizando este ejemplo - y las observaciones que del mismo se derivan - y considerando, para fines prácticos, que la fuerza es constante, podemos deducir el módulo de trabajo, el cual se define como: el resultado de una fuerza constante que actúa en dirección del desplazamiento, es decir, “el producto del magnitud F de la fuerza y la magnitud s de la distancia recorrida”.

W=F∙s

Cuando la fuerza que actúa sobre el cuerpo presenta un ángulo con respecto a la dirección del movimiento, se debe tomar en cuenta que el trabajo es el producto de dos componentes, por tanto:

W=(F∙d)cosθ

Ejemplo:
Sobre la corona de un pistón se ejerce una fuerza de 1500 lb. Considere que la fuerza es constante y el área sobre la cual actúa es 9.62〖in〗^2. Determine:
La cantidad de trabajo sobre el pistón cuando éste se desplaza una distancia de 0.041 ft y el ángulo con respecto a la línea de desplazamiento es 10°.
La cantidad de trabajo sobre el pistón cuando éste se desplaza una distancia de 1.10 ft y el ángulo con respecto a la línea de desplazamiento es 40°.
Desarrollo:

W_1=(1500 lb)(0.042 ft)∙cos10°=60.56 ft∙lb
W_2=(1500 lb)(0.10 ft)∙cos 40°=114.9 ft∙lb

El trabajo total realizado quedaría determinado por:

W_T=W_2-W_1
W_T=114.9 ft∙lb-60.56 ft∙lb=54.34 ft∙lb

En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de fuerza es el Newton y la de distancia es el metro, de tal manera que:

(1 Newton)(1 metro)=1 Joule

1J=1 N∙m

En el sistema británico la unidad de fuerza es la libra y la de distancia es el pie, de tal manera que:

1 J=0.7376 ft∙lb
1 ft∙lb=1.356 J

LA FÍSICA EN LA INGENIERÍA

La física es una ciencia experimental, lo que quiere decir que cada resultado puede ser comprobado mediante la experimentación y en cada caso se obtendrán los mismos efectos. La física estudia las propiedades y el comportamiento de la materia, la energía, el tiempo y el espacio, así como sus interacciones entre sí. Las ramas de estudio de la física son muchas, pero podemos destacar a la mecánica, y la electricidad como áreas de intervención activa dentro de la ingeniería.
Muchos términos que se manejan en ingeniería no son del todo desconocidos al estudiante. En este sentido, podemos mencionar las palabras “energía”, “trabajo”, “presión” y “temperatura” como ejemplo, y es muy probable que el lector tenga una idea de lo que cada una de ellas significa puesto que las ha utilizado en innumerables ocasiones. Sin embargo, aplicar cada concepto de forma adecuada, es algo que se logra, solamente, cuando son asimilados en su totalidad.
De todos los conceptos que el lector puede tener en mente, la ley o principio de la conservación de la energía es, con toda seguridad, uno de los pocos que no le representa mayor problema, ya que es simple y muy comprensible: “la energía es una cantidad que puede convertirse de una forma a otra pero que no puede crearse o destruirse”, dicho de otra forma, “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”. Esta sentencia, tantas veces citada a lo largo de una vida de estudios, comienza a adquirir sentido cuando la relacionamos con otros conceptos que también nos pueden resultar familiares, tal es el caso del trabajo.

INGENIERO

La palabra ingeniero proviene del latín “ingenium”, que se entiende como el carácter innato o rasgos psíquicos que han sido engendrados en el interior de la persona, también se interpreta como talento. En el ejército romano, un “ingenium” era una máquina de guerra, producto del ingenio humano. En el bajo latín aparece la palabra “ingeniarius” e “ingeniator”, que hacen referencia al soldado especializado que conoce y maneja una máquina de guerra. El término es el origen del vocablo francés “ingénieur”, mismo que deriva en el inglés “engineer”, éste último se utilizó para nombrar a la persona que operaba la máquina de vapor (desde James Watt, quien fue el primer ingeniero) y las locomotoras. Muchas veces el término “engineer” es traducido como “hombre máquina” o “maquinista”, es decir, “el que conoce de máquinas”.

PERFIL DEL INGENIERO

El perfil del ingeniero se desarrolla con base en tres aspectos:

1. Conocimientos: Es el cúmulo de información suficiente y necesario para desarrollarse dentro del campo profesional. Es ingeniero debe incursionar en los siguientes campos para cubrir el aspecto referente a conocimientos.
a) Ciencias: El estudio en los campos de la Física, Matemáticas y química constituye la base que sustenta la carrera del ingeniero. Se considera que el estudio de estas áreas es esencial para formar el carácter profesional del egresado de cualquier especialidad de la ingeniería. Estas asignaturas son conocidas como tronco común.
b) Ciencias de la Ingeniería: Se relaciona con el estudio de áreas específicas dentro de la especialidad que se ha elegido.
c) Ingeniería Aplicada: Constituye una parte esencial de las Ciencias de la Ingeniería, pues es la aplicación de aquellas en la búsqueda de soluciones y elaboración de diseños.
d) Otros aspectos: Además del aspecto informativo antes descrito, el ingeniero debe cubrir un aspecto formativo, en el cual debe desarrollar.
- Ética profesional.
- Técnicas para la solución de problemas.
- Relaciones humanas.
2. Habilidades: Es importante potenciar y desarrollar las aptitudes que ayuden a obtener un desempeño eficiente en el campo laboral. En este sentido, el ingeniero debe desarrollar:
- Creatividad e iniciativa para la solución de problemas específicos.
- Habilidad para el manejo de información.
- Habilidad para interrelacionarse y trabajar en equipo.
- Habilidad para comunicarse de forma oral, escrita o por algún otro medio.
- Habilidad para el análisis y la síntesis.
- Adaptación a nuevas áreas de oportunidades.
- Administración de tiempos de trabajo.
- Trabajo bajo presión.
- Adaptación a sesiones prolongadas de trabajo en ambientes y condiciones adversas,
- Manejo de incertidumbre.
- Toma de decisiones.
- Planeación y evaluación de proyectos para determinar su rentabilidad.
- Habilidad para el manejo de la incertidumbre.
3. Actitudes: El perfil del ingeniero y su desempeño profesional, no estarían completos si solo se desarrollara dentro del campo de los conocimientos y habilidades, de manera que también es menester orientar su actividad profesional hacia el beneficio de la sociedad y su entorno, haciendo uso eficiente de los recursos y fomentando una conciencia ambiental.
- Honestidad y ética profesional.
- Interés por los problemas de la sociedad.
- Enfoque en la productividad con calidad.
- Alto sentido de nacionalismo.
- Actitud emprendedora.
- Enfoque en el desarrollo de tecnologías sustentables.
- Capacidad de adaptación al cambio.
- Criterio flexible.
- Carácter firme.
El adecuado desarrollo de cada uno de los tres aspectos y su integración dentro de un ambiente adecuado, resulta esencial para la formación del ingeniero como profesionista.