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.

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA

Máquinas, herramientas, instrumentos de medición, dispositivos electrónicos, materiales, aleaciones, compuestos, todo lo que nos rodea ha sido producto de un proceso de ingeniería. Piénselo, ¿cuántas actividades ha desarrollado el día de hoy?, ¿cuántas de ellas ha llevado a cabo utilizando herramientas o utensilios específicos? Piense en la cama en la que duerme, los zapatos que calza, las ropas que viste, los utensilios de la cocina, el vehículo en el que se trasladó por la mañana, la cafetera que utiliza en la oficina. Cada uno de estos elementos, útiles a nuestros propósitos, debe ser pensado como un producto de ingeniería. Incluso aquellas cosas que dada su naturaleza no forman parte de un dispositivo o arreglo mecánico, han ser consideradas como potenciales elementos de mecanismos.
Se conoce como ingeniería al conjunto de conocimientos científicos y técnicas empíricas que se aplican en la solución de problemas específicos, así como en la invención, diseño, construcción y mantenimiento de dispositivos mecánicos, eléctricos, electrónicos, electromecánicos, químicos, etc., que se utilizan en la industria y en la vida cotidiana.
La ingeniería tiene un campo de aplicación bastante amplio, pues no solo trabaja en el proyecto previo, la construcción y el mantenimiento, sino que aplica conocimientos en distintas áreas para llevar a cabo un proceso de mejora y perfeccionamiento continuo sobre aquellos dispositivos que ya han sido diseñados. La ingeniería debe intervenir de manera pragmática y ágil, adecuándose a las limitaciones del tiempo, recursos materiales, legislaciones, requerimientos sanitarios, requerimientos de seguridad, etc., para, así, lograr cubrir las exigencias del mundo industrializado actual.

TORNILLOS

Los tornillos son elementos cuya función es unir o asegurar las piezas estructurales o móviles de una maquinaria.
Existen dos tipos de tornillos de acuerdo a la función que desempeñan: Tornillos de unión y tornillos de potencia.
Tornillos de unión
Antes de describir este tipo de tornillos, es necesario aclarar que existen distintos métodos para unir piezas, entre los que destacan los permanentes y semi permanentes o desmontables.
1) Los métodos permanentes:
A) La soldadura: se caracteriza por mantener las piezas rígidas y estancas mediante la aplicación de una amalgama, cuyo objetivo principal es asegurar la continuidad de las piezas y la transferencia de esfuerzos entre ellas. En este sentido se puede decir que una unión de este tipo es más estable si la transferencia de esfuerzos es uniforme.
Existen más de cuarenta sistemas de soldar, sin embargo, el más importante (y ampliamente utilizado) es el de fusión.
B) Pegado: el conjunto de interacciones químicas por medio de las cuales tiene lugar la interfase adhesivo-adherente se llama adhesión. Los sutratos o adherentes son los materiales que se pretenden unir mediante la aplicación del adhesivo. Las características mecánicas y físicas de los materiales determinan el grado de adhesión, de forma que se logre una unión de tipo permanente la cual, aún cuando no presenta el nivel de resistencia de una soldadura, permite cierta rigidez y estanqueidad, e incluso la transferencia de esfuerzos limitados a través de los elementos.
C) Remachado: este método es aplicable en muchos casos, la razón es el costo que representa y la facilidad con la que puede llevarse a cabo.
Es importante señalar que los métodos de unión permanente tienen como característica común que, para separar las piezas, debe destruirse el elemento que las mantiene unidas.
2) Los métodos semi permanentes o desmontables
Este es el tipo de unión que emplea tornillos o pernos.
Un tornillo es una pieza cilíndrica con filetes en espiral a lo largo de su eje que le permiten introducirse en orificios roscados a los cuales se les conoce como "orificios ciegos", esto significa que no tienen salida en el extremo opuesto a la cabeza del tornillo.
Un perno es un tornillo que atraviesa las estructuras que se pretenden unir y en cuyo extremo opuesto a la cabeza se utiliza una tuerca para mantenerlo fijo.
Aún cuando existen otros métodos que reemplazan el uso de tornillos y pernos como medios de sujeción, son elementos que se utilizan en muchos mecanismos, maquinarias y estructuras, debido a su gran versatilidad, fácil comercialización y, sobre todo, que son normalizados.

Cuando un tornillo o perno asegura dos elementos, debe ser sometido a una precarga para garantizar que permanecerá estanco sin importar las tensiones o vibraciones a las que se someta. La manera adecuada de precargar estos elementos es mediante una llave dinamométrica y debe hacerse en secuencia, es decir, la tensión ha de repartirse en cada tornillo de manera que se logre una carga puntual y las superficies de las piezas mantengan una presión uniforme.
La magnitud de precarga creada al aplicar torque depende en gran medida de los efectos de la fricción. Por lo regular se emplea mayor torque para aflojar un tornillo o perno que el que se utilizó para colocarlo, esto se debe a la corrosión de las piezas, existen en el mercado muchos productos para lubricación de tornillos y pernos, lo cual puede ayudar en gran medida a solucionar este problema al mismo tiempo que previenen otras situaciones como fugas de fluido o escape de presión.

TORQUÍMETRO

Aunque el nombre técnico de esta herramienta es "llave dinamométrica" se le conoce en muchos lugares con el nombre torque (torque wrench) o simplemente torquímetro. Este instrumento de uso no tan común permite aplicar una tensión específica para el ajuste de tornillos y tuercas.
Si la tensión es aplicada a un tornillo que se ajusta dentro de un agujero ciego, se produce un efecto de compresión del eje y si se trata de un conjunto tornillo-tuerca se produce un efecto de elongación del eje. La compresión o elongación del tornillo está relacionada con su módulo de elasticidad, de ahí que la estimación del par sea tan importante y requiera ser medido a fin de disminuir el riesgo de daños estructurales del material.
Podemos encontrar distintos tipos de llave de torque, entre los cuales destacan:
1) De aguja: es el diseño más sencillo, consiste en una aguja fija en el cabezal y en cuyo extremo contrario, cercano al mango de la herramienta, se encuentra una escala graduada en libras-pie o Newton-metro.
2) Tipo trueno: el mango de la herramienta permite el ajuste de un eje interno, el cual vibra cuando se excede la tensión a la que se encontraba ajustado, causando un sonido similar a un "clack", lo que indica que se tiene ha aplicado el torque adecuado.
3) De caratula: sobre el cuerpo de la herramienta se encuentra una caratula en cuyo interior se desplaza una aguja que señala el valor del par mecánico aplicado.
4) Digital: una pantalla de LCD permite visualizar con mucha precisión el valor de tensión que se aplica.
Estos son solo algunos de los diseños, cabe señalar que existen otros, como: torquímetro hidráulico o neumático y torquímetro electrónico.