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9º Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica
[Las Palmas de Gran Canaria 2009]
E. Métodos y técnicas para la formación en Ingeniería Mecánica
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31. Formación
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ENSAYO DE EVALUACION ALTERNATIVA EN LA ESCUELA DE
INGENIERIA MECANICA, FACULTAD DE INGENIERIA,
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
Chicojay Coloma C.A1
1Escuela de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala, Ciudad
Universitaria Zona 12, Guatemala, Guatemala C.A. [email protected], [email protected]
Área Temática: Formación
RESUMEN
La aplicación del método alternativo de evaluación surge de dos inquietudes: 1) Contar solamente con 50 minutos para el desarrollo de la evaluación tradicional y 2) Hacer de la actividad de evaluación una
actividad más de aprendizaje de forma agradable.
Se tomó el curso de Instrumentación Mecánica, que es un curso profesional, terminal, del área
complementaria para realizar este ensayo.
La aplicación del método de la evaluación alternativa, dentro de sus grandes ventajas presenta que el
estudiante no es sometido a la presión de un tiempo límite en el aula para el desarrollo del examen escrito.
Cuenta con el tiempo para que pueda consultar sus copias de clase, libros, revistas, internet, etc. para la
resolución de la prueba.
El nivel de aprobación de los estudiantes a la prueba, fue medido inicialmente en el año 2006 cuando se
utilizó por vez primera, aumentado de 75% a 92% de estudiantes aprobados en el curso. En ese mismo año se
realizó una medición de la aceptación del método por parte del estudiante. En el año 2008 se realizó una segunda medición obteniendo resultados muy parecidos.
¿Como resolver la incertidumbre de los estudiantes que no resuelven ellos mismos la prueba, sino se las
hacen o simplemente la copian? Para detectar a esos estudiantes se introduce en el primer semestre del año
2009 el instrumento “socialización de la prueba”, el cual consiste en la validación porcentual de la nota
obtenida en la prueba inicial (evaluación alternativa) de acuerdo al éxito de respuesta. Este instrumento
consta de diez preguntas elementales de conceptos básicos necesarios para la solución de la prueba.
PALABRAS CLAVE: Evaluación alternativa, Socialización de la prueba. INTRODUCCIÓN
La evaluación tradicional de exámenes en el aula, en donde el estudiante contesta y resuelve, en un periodo de
tiempo de 50 minutos, predispone a recibir las clases y estudiar bajo una presión con el único objetivo de la
resolución del examen. Desde el momento en que los Chinos en el año 2375 a.c[1], introducen la modalidad de exámenes en el proceso enseñanza aprendizaje, dicha acción dejó de ser agradable y de disfrutarse.
La evaluación alternativa que se ensayó, es una evaluación formadora, en donde el estudiante, lejos de sentir
la presión de un examen, la disfrutaron como una actividad más del curso.
La intencionalidad de la propuesta es compartir la experiencia de una evaluación formativa (procesal) en el
desarrollo del curso Instrumentación Mecánica (área profesional). Asimismo compartir la forma de evaluar las
acciones que realizan los estudiantes durante el proceso. Una interrogante ¿con esta propuesta evalúo los saberes de
mis estudiantes? Sin presunción afirmaría que sí. Puesto que se llega a la metaevaluación (evaluar la evaluación) [2],
La situación de aprendizaje que se diseñó permite que: durante el proceso se evalúa el grado de conocimiento
que los estudiantes han alcanzado sobre el tema. Los estudiantes seleccionan adecuadamente los instrumentos de
medición industrial. Asimismo interrelacionan todas las variables necesarias para la selección adecuada de los
instrumentos, para que finalmente compartan a manera de discusión su experiencia personal.
Se introduce finalmente, la socialización de la prueba, la cual busca rescatar el reflejo de los estudiantes que
de alguna manera no realizan la evaluación alternativa de manera ética.
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METODOLOGÍA DE ENSAYOS
Para este ensayo se realizaron dos evaluaciones durante el ciclo (6 meses, enero-junio 2009), poniendo como
pruebas, 1) La realización de un plano de distribución de instrumentación industrial y 2) Un proceso azucarero para
el cual en puntos específicos del mismo, deberían seleccionar medidores de presión, flujo y temperatura. El No. De estudiantes asignados en este semestre fue de 58. A continuación el modelo de una evaluación, así como la
socialización de la prueba. A continuación se presente el modelo de evalución alternativa
Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Mecánica
Curso: Instrumentación Mecánica
1er. Semestre 2009 Ing. Carlos A. Chicojay C.
1a. Evaluación
Nombre:_____________________________________________________Carnét:_____________
Instrucciones: Elabore el plano de instrumentación de acuerdo a las normas indicadas en la clase. Deberá de
entregarse en un fólder tamaño carta, utilizando este temario como primera hoja o carátula. Día de entrega: jueves 5
de marzo, en el salón de clase a las 6:10 pm. Trabajos entregados después de esa hora se calificarán sobre 50%,
entrega el día viernes sobre 25%, día lunes 9 de marzo sobre 5%, después de esa fecha ya no se recibe. Trabajos con
mala presentación no serán calificados. Tome esta evaluación como una guía de estudio en el tema de
simbología.
Tema Único: Simbología (20 puntos)
El temario que se adjunta indica el plano de la distribución de equipo, en el cual debe de instalarse el siguiente equipo de medición y/o control. Defina los números de identificación de lazos de control de acuerdo a su criterio, y
elabore el plano de distribución de la instrumentación..
1) En el punto A, debe de instalarse un medidor de flujo tipo turbina, con indicador, instrumento de campo.
2) En el punto B debe de instalarse una placa de orificio con tomas en la brida, transmisor con señal eléctrica.
Indicador y registrador instalado en panel No. 1.
3) En el punto C debe de instalarse un medidor de desplazamiento positivo indicador de flujo, de campo.
4) En el punto D debe de instalarse un medidor de presión, indicador y registrador montado en panel No. 2
5) En los puntos E y F un medidor de temperatura con vaina, transmisor neumático, indicadores montados en
panel No. 1.
6) En el punto G un tubo venturi para medir flujo de vapor, transmisor eléctrico, con indicador montado en
panel No. 2.
7) En el punto H una tobera para medir flujo de vapor, transmisor neumático, registrador montado en panel
No. 2.
8) En la bodega de producto, en el punto I, un transmisor de humedad, neumático, para indicar y registrar la
humedad en panel No. 2.
9) En el área de mantenimiento, en el punto J, un reloj. (medidor de tiempo)
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10) En el punto K, una cámara para vigilancia del parqueo, con monitor y registrador de imágenes en el panel
No. 1, transmisión de señal inalámbrica.
Fig.1. Temario modelo de evaluación alternativa
El instrumento, socialización de la prueba, valida en términos porcentuales, la nota obtenida de la
evaluación alternativa. El objetivo de esta es disminuir el porcentaje de estudiantes que de alguna manera, realizan la
prueba de forma que no estudian, ni realizan investigación sobre el tema, para la resolución de la prueba.
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Universidad de San Carlos de Guatemala No. Temario de
Facultad de Ingeniería la evaluación:_______________
Escuela de Ingeniería Mecánica
Curso: Instrumentación Mecánica
1er. Sem. 2009
SOCIALIZACION DE LA PRIMERA EVALUACION
Nombre:___________________________________________________________________Carnét:____________
Instrucciones: Conteste concreta y directamente lo que se le solicita. Cada respuesta valida el 10% de la nota de
su primera evaluación.
1. Dibuje la representación de un instrumento de campo
2. Dibuje la representación de un instrumento colocado en panel No. 2
3. Represente señal eléctrica
4. Represente señal neumática
5. Con cual letra se representa la variable “Tiempo”
6. Con cuales letras se representa un instrumento “Transmisor de flujo”
7. Con cuales letras se representa un instrumento “Registrador de presión”
8. Con cual letra se representa un instrumento “Indicador”
9. Con cual letra se representa la variable “Humedad”
10. Represente un “tubo venturi” como elemento primario.
RESULTADOS
En la Fig. 1 aparecen en términos porcentuales la forma en que los estudiantes realizaron la evaluación
alternativa, observándose en un 70% la realizaron en grupo, y un 6% pidió copia. En las figuras 3 y 4 aparece la
comparación entre la evaluación alternativa y la evaluación tradicional. Por simple comparación se puede observar
que con la evaluación alternativa aprobó un 17% más que con la tradicional, reprobaron 16% menos y abandonaron
1% menos. Comparando la Fig. 5 los resultados utilizando la socialización de la prueba, con la Fig. 3 Porcentaje de
estudiantes aprobados y reprobados utilizando la evaluación tradicional y Fig. 4, Porcentaje de estudiantes
aprobados y reprobados con la evaluación alternativa, se observan los resultados en la tabla No. 1
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Fig.1. Forma de realización de la evaluación alternativa por los estudiantes
Fig.2. Interés de los estudiantes sobre la evaluación alternativa
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Fig.3. Porcentaje de estudiantes aprobados y reprobados con la evaluación tradicional
Fig.4. Porcentaje de estudiantes aprobados y reprobados con la evaluación alternativa.
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En el primer semestre de 2009, introduciendo la socialización de la prueba, se obtienen los siguientes
resultados:
Fig.5. Porcentaje de estudiantes aprobados y reprobados con socialización de la prueba.
Tabla 1. Comparación entre evaluación tradicional, alternativa y alternativa con socialización de la prueba, en
términos porcentuales
Evaluación tradicional
Evaluación alternativa
Evaluación alternativa
con socialización de la
prueba
Aprobados 75 92 66
Reprobados 20 4 22
Abandonaron 5 4 12
Por simple comparación, se puede observar que con al utilizar la socialización de la prueba, aprueban menos
estudiantes que en la evaluación tradicional y alternativa, existe mas reprobados y más deserción.
DISCUSIÓN
Si bien es cierto, la aceptación del método de la evaluación alternativa formadora, por los estudiantes fue bien
recibida, 90% de aceptación, se refleja en ello, que la presión a la que es sometido el estudiante en un examen
tradicional es alta. Sin embargo la gran debilidad de una evaluación del tipo alternativa, es que depende de la
madurez y la seriedad con que el estudiante encare dicha actividad. Para algunos estudiantes, este tipo de evaluación
no la toman con la ética y seriedad necesarias para una adecuada formación, 6% según Fig. 1, porcentaje que según mi experiencia es mayor en la realidad. Enfocado a ese 6% de estudiantes que no realizan la evaluación éticamente,
es que se introduce la socialización de la prueba, la cual es elaborada para que el estudiante responda preguntas
elementales necesarias para la solución de la evaluación alternativa formadora. Necesariamente el estudiante debería
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de conocer estos conceptos elementales para solucionarla. ¿Se castiga doblemente al estudiante cuando se equivoca?
¿Se premia doblemente al buen estudiante? Dos preguntas que aun no sabemos responderlas aun con certeza.
CONCLUSIONES
La inclusión de de la socialización de la prueba, aumenta el numero de estudiantes reprobados y los que
abandonan el curso. Disminuye el número de estudiantes aprobados, pero se cubre el porcentaje de estudiantes que
no realizan la prueba con toda la ética necesaria para su buena formación.
REFERENCIAS
1. Rios N. Modulo docente. Evaluación del aprendizaje.. Centro didáctico DDA USAC Guatemala. 2007.
2. Pimienta J. Evalución de los aprendizajes. Un enfoque basado en competencias. Editorial Pearson educación.
Primera edición, impreso en Mexico. 2000.
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EL NACIMIENTO DE UNA ASIGNATURA SOBRE “DESARROLLO DE DISPOSITIVOS MÉDICOS” EN EL MARCO DEL E.E.E.S.
Andrés Díaz Lantada1, Julio Muñoz-García1, Pilar Lafont Morgado1,
José Luis Muñoz Sanz1, Juan Manuel Munoz-Guijosa1, Javier Echavarri Otero1
1 Grupo de Investigación en Ingeniería de Máquinas. E.T.S.I. Industriales – Universidad Politécnica de Madrid c/ José Gutiérrez Abascal 2, 28006 Madrid, España
Área Temática: Formación RESUMEN La asignatura “Desarrollo de Dispositivos Médicos” nace dentro del Máster en Ingeniería Mecánica de la Universidad Politécnica de Madrid para contribuir a las necesidades industriales en materias de desarrollo de dispositivos diagnósticos y terapéuticos, siendo su primera impartición en el curso académico 2007 – 2008. Se exponen en este trabajo los objetivos formativos, temario, metodología docente y distribución de aprendizajes de la asignatura, así como los resultados de la primera experiencia docente y las propuestas de mejora. La asignatura ha sido diseñada para cumplir los criterios del Espacio Europeo de Educación Superior, cuyas bases se sentaron en la Declaración de Bolonia. Se explican también las acciones realizadas para fomentar la participación activa de los alumnos en su propio aprendizaje, algunas de ellas basadas en experiencias “PBL – Problem Based Learning”. El empleo de herramientas CAD-CAE-CAM y de tecnologías de prototipado y fabricación rápidas, disponibles en los laboratorios de la División de Ingeniería de Máquinas, ha ayudado al desarrollo e impartición de la asignatura, acercando también a los alumnos a la realidad industrial y proporcionando valor añadido a su formación. Estas tecnologías han permitido la realización de casos de estudio asociados a desarrollos completos de dispositivos médicos. Se detalla la experiencia docente durante los dos cursos de impartición, así como las carencias detectadas y se proponen acciones futuras destinadas a la mejora continua de la asignatura. Creemos que la agrupación de conceptos y enseñanzas realizadas en esta última asignatura aporta novedad respecto a asignaturas impartidas en otros centros europeos. Explicamos en este trabajo su nacimiento, esperando que esta información pueda ayudar a realizar planteamientos de asignaturas afines y ser fruto de colaboraciones docentes e investigadoras. PALABRAS CLAVE: Bioingeniería, Biomecánica, Dispositivos Médicos, E.E.E.S..
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INTRODUCCIÓN
Se entiende por dispositivo médico “Cualquier instrumento, aparato, aplicación, material o artículo, usado aisladamente o en combinación con otros, que incluye el software necesario para su actuación, destinado por el fabricante para su uso en humanos con los siguientes propósitos:
Diagnóstico, prevención, registro, tratamiento o alivio de infecciones.
Diagnóstico, registro, tratamiento, alivio o compensación por una herida, lesión o discapacidad.
Investigación, sustitución o modificación de la anatomía o de un proceso fisiológico.
Control de natalidad, cuando no se consigue principalmente mediante procedimientos farmacológicos, inmunológicos o metabólicos, pero que puede ser asistido en su función por estos procedimientos”.
El mercado mundial de los dispositivos médicos se estima supera los 200 billones de Euros y presenta un crecimiento anual en torno al 8% (crecimiento sólo superado por el del sector farmacéutico). La Unión Europea en su conjunto es el segundo productor, con una cuota de mercado del 30%, siendo España el quinto productor de la Unión Europea con una cuota del mercado de la UE alrededor del 6%.
Mientras que en otros países de la Unión Europea la titulación en Ingeniería Biomédica lleva ya tiempo implantada (como se puede consultar en la siguiente página web que recoge algunos de los principales programas formativos http://programs.gradschools.com/europe/biomedical_engineering.html), en España se está empezando a recorrer ese camino. El interés por estos temas se debe, como se ha expuesto anteriormente, a que existe una necesidad creciente del mercado que precisa ingenieros con conocimiento en dichos temas.
Se mencionan a continuación algunos de los programas de Máster Europeos más destacados en relación con la Ingeniería Biomédica y se hace referencia a los programas formativos que recientemente han apareciendo en España sobre estas materias.
La “Technische Universiteit Delft” ofrece dos programas de Máster sobre temas tecnologías médicas, el de “Ingeniería Bioquímica” y el de “Tecnología y Ciencias de la Vida”, ambos de 2 años de duración, con enseñanzas centradas en el nivel celular y especialmente relacionados con la Industria Farmacéutica.
La “Technische Universiteit Eindhoven” imparte un programa de Máster en “Ingeniería Biomédica” especialmente orientado a tareas de investigación fundamental y aplicada en Bioingeniería. Gran parte del contenido está orientado a tareas de análisis de señales médicas y modelado y simulación de procesos en organismos vivos.
En la “HAW Hamburg” se puede estudiar un programa de Grado en “Biotecnología” y profundizar hacia tareas de investigación en el Máster de “Técnica Aplicada a la Medicina”. Se combinan asignaturas sobre microbiología y biología humana, con otras más tecnológicas sobre procesamiento de señales y desarrollo de dispositivos. Se presta atención a la formación destinada a la empresa, tanto con asignaturas sobre realización de presentaciones y comunicación, como con un semestre de práctica externa.
El Máster en “Ingeniería Médica” de la “Universidad de Hull” ofrece un programa en combinación con el “NHS Hospital Trust” que cubre temáticas sobre anatomía, fisiología, materiales biológicos, dispositivos médicos y medicina regenerativa. A través de su spin-off “MediCET” ofrece trabajos de consultoría a empresas médicas, con lo que los alumnos pueden participar en aplicaciones reales.
En España han surgido recientemente (cursos 2006-2007 y 2007-2008) varios programas en relación a aplicación de diversas tecnologías al campo médico. Algunos destacados se enumeran a continuación:
En la Universidad Politécnica de Cataluña se ha elaborado un Máster en Ingeniería Biomédica destinado a la realización de tareas en la Industria Médica en relación con selección, adquisición y mantenimiento de equipamiento médico e instalaciones asociadas.
La Universidad de Navarra es un centro privado que ofrece un Máster en “Ingeniería Biomédica” que comienza con unos fundamentos en Medicina, Biología, Informática y Biofísica, para luego ofrecer diversas asignaturas de especialización sobre técnicas, instalaciones y equipos médicos y de laboratorio.
La Universidad Politécnica de Madrid (UPM) ofrece enseñanzas sobre Bioingeniería en dos programas diferentes:
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En su Máster en “Telemedicina y Bioingeniería” se tratan aspectos sobre tecnologías de la información con aplicación a Medicina.
En su Máster de “Ingeniería Mecánica” se incluye formación en materias de Bioingeniería gracias a la asignatura “Desarrollo de Dispositivos Médicos”.
Creemos que la agrupación de conceptos y enseñanzas realizadas en esta última asignatura aporta novedad. Explicamos en este trabajo su nacimiento, esperando que esta información pueda ayudar a realizar planteamientos de asignaturas afines y ser fruto de colaboraciones docentes e investigadoras.
Por otro lado en la actualidad se está llevando a cabo una actuación conjunta en toda la UPM, denominada “Iniciativa Biotech”, para potenciar la docencia en investigación en estos temas, así como la relación entre universidades, hospitales, centros tecnológicos y empresas que ayuden a promocionar el impacto de dichas actividades de investigación.
ENSEÑANZA DE LA ASIGNATURA “DESARROLLO DE DISPOSITIVOS MÉDICOS” EN LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
La asignatura sobre “Desarrollo de Dispositivos Médicos” nace dentro del Máster en Ingeniería Mecánica de la Universidad Politécnica de Madrid UPM (www.upm.es) para contribuir a las necesidades industriales en estas materias expuestas anteriormente, siendo su primera impartición en el curso académico 2007 – 2008. Su inclusión en un programa de Ingeniería Mecánica está plenamente justificada por el carácter especialmente multidisciplinar que tienen este tipo de ingenieros (también por su mayor rapidez de adaptación a los requisitos del mercado que los de otras disciplinas), y por las razones expuestas a continuación.
Una posible titulación en Ingeniería Biomédica debería enseñar a aplicar conceptos, técnicas y tecnologías al campo Médico. La docencia y práctica de la Ingeniería Biomédica debe beneficiarse de combinar la experiencia de ingenieros en el diseño y desarrollo de productos adecuados a la solución de un problema, junto con la experiencia de médicos en la mejora de la salud y la calidad de vida de los pacientes. Dicha formación en Ingeniería Biomédica combina enseñanzas diversas ramas de Ingeniería entre las que destacan:
Ingeniería Mecánica.- Para la docencia de temas relacionados con Biomecánica y metodologías de desarrollo de máquinas y productos que se puedan aprovechar y adaptar al Sector Médico.
Ingeniería de Materiales.- Para la docencia de la aplicación de biomateriales en el desarrollo de dispositivos médicos.
Ingeniería de Telecomunicación.- Para la docencia en temas relacionados con obtención y procesamiento de señales neurológicas y en tareas de apoyo al desarrollo de instrumentación adecuada.
Ingeniería Automática, Electrónica e Informática.- Para enseñar temas relacionados con robótica y sus aplicaciones en Medicina, procesamiento de imágenes médicas y programación de dispositivos.
Ingeniería Química.- Para la docencia del desarrollo de biomateriales y tejidos como apoyo al desarrollo de dispositivos y a la realización de intervenciones quirúrgicas.
Así pues, de todas las disciplinas relacionadas con la Ingeniería Biomédica, es la Ingeniería Mecánica una de las que mayores conocimientos puede aportar a esta nueva área del saber, especialmente en tareas relacionadas con desarrollo de máquinas y productos.
Aunque futuras decisiones pudieran llevar a la creación de una nueva titulación sobre Ingeniería Biomédica en España, mientras no se dé esa situación, resulta importante introducir en la Universidad dichos conceptos para responder a necesidades industriales existentes. Parece razonable incluir dichos conceptos según las afinidades y áreas de conocimiento descritas anteriormente en los programas de distintos departamentos de escuelas técnicas.
Se justifica así plenamente la presencia de una asignatura sobre “Desarrollo de Dispositivos Médicos” en el Máster de Ingeniería Mecánica de la E.T.S.I. Industriales de la UPM. Además la asignatura ha sido diseñada para cumplir los criterios del Espacio Europeo de Educación Superior, cuyas bases se sentaron en la Declaración de Bolonia. Dicho Espacio Europeo de Educación Superior. Dicho documento, firmado por los ministros encargados de la educación superior de 29 países europeos, marcó para el año 2010 los objetivos de:
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Adoptar un sistema fácilmente legible y comparable de titulaciones basado en dos ciclos principales.
Establecer un sistema internacional de créditos, el European Credit Transfer System (E.C.T.S.).
Promover la movilidad de estudiantes, profesores e investigadores.
Promover la cooperación europea para garantizar la calidad de la educación superior, como clave para la competitividad a todos los niveles.
Promover una dimensión europea de la educación superior.
En dicho sistema internacional de créditos el punto central deja de ser la clase magistral tradicional y el trabajo personal de los alumnos pasa a ser el motor principal del aprendizaje universitario. Acuerdos posteriores llevaron a definir como unidad de medida el Crédito Europeo, que equivale a entre 25 y 30 horas de trabajo personal del alumno.
La asignatura “Desarrollo de Dispositivos Médicos” ha sido diseñada de acuerdo a estos principios de actuación y evaluación, intentando fomentar en todo momento la participación activa de los alumnos en su propio aprendizaje.
El empleo de herramientas “CAD-CAE-CAM” y de tecnologías de prototipado y fabricación rápidas, disponibles en los laboratorios de la División de Ingeniería de Máquinas, ha ayudado al desarrollo e impartición de la asignatura, acercando también a los alumnos a la realidad industrial y proporcionando valor añadido a su formación.
El apoyo a dichas tareas de desarrollo de dispositivos médicos que ofrecen herramientas software (tipo MIMICS), para procesado de imágenes médicas procedentes de tomografías axiales computerizadas y de resonancias nucleares magnéticas, es también materia de estudio y práctica en la asignatura.
Es importante destacar también que la asignatura está englobada en un área temática en la que las tareas de I+D+i son especialmente importantes, algunas de cuyas líneas de investigación coinciden con las de la División de Ingeniería de Máquinas que se encarga de su impartición. Creemos que puede suponer un valor añadido muy importante a la formación de los alumnos, así como proporcionar oportunidades de colaboración.
Se explican a continuación los objetivos formativos, temario, metodología docente y distribución de aprendizajes de la asignatura, así como los resultados de las primeras experiencias durante los cursos 2007 – 2008, 2008 – 2009 y las propuestas de mejora.
Fig. 1. Imagen de portada de la Guía Docente de “Desarrollo de Dispositivos Médicos”.
Máster en Ingeniería Mecánica de la Universidad Politécnica de Madrid.
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OBJETIVOS FORMATIVOS DE LA ASIGNATURA
Los objetivos formativos de esta asignatura se orientan a la preparación de los alumnos para la ejecución de tareas de desarrollo de dispositivos médicos en la Industria, Centros de Investigación y Universidades. Los conocimientos técnicos aportados se centran en propiedades de materiales, consideraciones biomecánicas, metodología de diseño, tecnologías de fabricación y a la integración de todo ello en el proceso completo de desarrollo de dispositivos médicos. Por otro lado las habilidades a transmitir hacen referencia al empleo de herramientas de diseño y fabricación asistidos por computador y a su aplicación a casos reales.
Sin embargo asignatura no sólo busca aportar los conocimientos y habilidades necesarias para desarrollos técnicamente válidos; sino también proporcionar una serie de valores éticos y recomendaciones de seguridad, que ayuden a minimizar riesgos en la aplicación de los futuros dispositivos que los alumnos puedan desarrollar. Se detallan los distintos objetivos generales a continuación:
En el dominio del Conocimiento (Aptitudes)
• Conocer la situación actual del mercado de los dispositivos médicos. • Aprender una metodología estructurada para desarrollar dispositivos médicos. • Conocer la importancia de la biomimesis como herramienta de diseño. • Conocer los materiales aplicables y sus propiedades. • Conocer las ventajas que aportan los computadores en el sector. • Conocer las tecnologías de fabricación aplicables y sus ventajas. • Conocer la normativa aplicable. • Conocer los dispositivos existentes con mayor impacto. En el dominio de Actitudes (Motivaciones)
• Comprender la importancia Industrial de los Dispositivos Médicos. • Comprender la importancia Social de los Dispositivos Médicos. • Comprender la responsabilidad de un diseñador de Dispositivos Médicos. En el dominio de Habilidades (Capacidades)
• Poder aplicar lo aprendido a desarrollos reales. • Poder plantear el proceso completo de desarrollo de un dispositivo médico. • Poder seleccionar los materiales adecuados. • Poder realizar análisis críticos de alternativas. • Manejar tecnologías de simulación con orientación al sector médico. • Manejar tecnologías “CAD-CAE-CAM” con orientación al sector médico. • Manejar tecnologías de procesado de imágenes médicas. • Diseñar en el marco de una normativa estricta.
METODOLOGÍA DOCENTE
Para cumplir con los objetivos formativos de la asignatura, es hay que tratar en detalle diversos aspectos dentro del área del saber de la Ingeniería Biomédica. Es necesario proporcionar a los alumnos una visión general del mercado de los dispositivos médicos y de su importancia social, así como proporcionarles un marco ético y normativo de actuación.
Es también necesario explicar en detalle el proceso completo de desarrollo de dispositivos médicos. En este sentido hay que incidir en técnicas de diseño y realizar consideraciones biomecánicas, bioestructurales, biomiméticas, ergonómicas y normativas. Las tecnologías de fabricación aplicables en función de los diseños y materiales involucrados deben ser también conocidas. En dicho proceso de desarrollo es imprescindible realizar una selección adecuada de biomateriales y conocer las ventajas que cada familia de dichos biomateriales puede aportar al dispositivo final, por lo que a esta temática se dedican varios temas. Una vez comprendido el proceso y herramientas de desarrollo, es fundamental mostrar ejemplos completos de desarrollo, incidiendo especialmente en dispositivos implantables y prótesis, así como explicar su impacto en la mejora de la calidad de vida de los pacientes, tras la rehabilitación postoperatoria.
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A tal efecto, para una docencia más provechosa de la asignatura se dispone también de diversos casos de estudio que muestran desarrollos completos de dispositivos médicos y aplicación de distintas tecnologías “CAD-CAE-CAM” y de fabricación. Todos ellos han sido fruto de las labores de investigación llevadas a cabo por la División de Ingeniería de Máquinas y se emplearán como complemento a los contenidos de distintos temas. Se incluyen algunos ejemplos a continuación.
Fig. 2. Diseño y prototipo de “stent” expandible fabricado en polímero con memoria de forma.
Fig. 3. Diseño y prototipo de microbomba peristáltica para suministro de fármacos.
Parte de las actividades formativas del Máster en Ingeniería Mecánica están orientadas a fomentar el razonamiento crítico y la resolución de problemas reales. Por ello, parte importante del tiempo destinado a la asignatura “Desarrollo de Dispositivos Médicos” (ver tabla correspondiente en el apartado “Créditos E.C.T.S.”) se dedicará a la realización de un trabajo de desarrollo. La intención es que los alumnos puedan aplicar conocimientos adquiridos los distintos temas de la asignatura a un ejemplo completo de desarrollo de un dispositivo con aplicación en el sector médico.
El proceso y metodología a seguir serán similares a los empleados en la Industria (según se explica en las clases), si bien las limitaciones en tiempo y presupuesto llevarán a desarrollos simplificados o “preprototipos”. En todo caso la potenciación del aprendizaje mediante actividades de este tipo es destacable, como se expone en trabajos de diversos autores. Entre los trabajos propuestos para los primeros años de impartición de la asignatura se tienen:
• Desarrollo de prótesis e implantes asistido por MIMICS y Tecnologías CAD. • Análisis de tensiones en bioestructuras por elementos finitos. • Análisis de tensiones en bioestructuras por fotoelasticidad. • Sensores piezoeléctricos como detectores de “hombre muerto”. • Sensores piezoeléctricos como aplicación biomecánica en brazos de robot. • Desarrollo de “stents” poliméricos autoexpandibles con memoria de forma. • Desarrollo de bombas volumétricas para suministro de medicamentos. • Desarrollo de microsistemas para análisis químicos. • Aplicaciones biomecánicas de la termografía. • Estudio y aplicación de materiales activos en dispositivos médicos.
Cada alumno deberá elegir uno o proponer una alternativa, pues resulta esencial para su aprendizaje y evaluación. De hecho la asignatura está diseñada para calificarse en función de los resultados del trabajo de desarrollo individual y de la asistencia y participación en clase. En cualquier caso, los alumnos que lo deseen pueden presentarse como alternativa a un examen final de la asignatura. Dicho examen supondría un 80% de la calificación final del alumno, puesto que la asistencia es en todo caso obligatoria y supone un 20% de la calificación del alumno.
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Esta propuesta es orientativa y deberá enriquecerse de forma continuada con nuevas ideas de desarrollo y sugerencias realizadas tanto por profesores como por alumnos. En cualquier caso la División de Ingeniería de Máquinas pone sus medios a disposición de los alumnos, como soporte a la realización de los trabajos.
El material desarrollado para la asignatura queda a disposición de los alumnos mediante el empleo de la herramienta de enseñanza a distancia “Aulaweb” (http://aulaweb.etsii.upm.es). Se empleará también dicha herramienta para envío de avisos por parte de los tutores a los alumnos de la asignatura y para ayudar al intercambio de información profesor – alumno. Permite también la inclusión de referencias y trabajos de ampliación, para aquellos alumnos que quieran profundizar en temas la investigación y el desarrollo de nuevos dispositivos.
DISTRIBUCIÓN DE TIEMPOS
La tabla muestra la distribución del tiempo de aprendizaje de los alumnos para la asignatura “Desarrollo de Dispositivos Médicos” que tiene asignados 5 créditos E.C.T.S.. Al ser los primeros años de impartición, estará sujeta a futuras mejoras, destinadas a redistribuir el tiempo disponible para maximizar el aprendizaje.
Tabla 1. Información detallada sobre la distribución del tiempo de aprendizaje para la asignatura.
A B C D E Créditos E.C.T.S.
Actividad Técnica Horas de
Clase
Horas presenciales fuera
del aula
Factor de trabajo del estudiante*
Horas de trabajo personal del estudiante
Horas totales: A+B+D
(E/30 a E/25)
Teoría Clase magistral. 24 - 0,5 12 36 1,2 a 1,44 Prácticas MIMICS Trabajo en grupo. 2 - 4 8 10 0,33 a 0,4
Seminario Prototipado
Rápido
Seminario sobre un tema. 2 - 2 4 6 0,2 a 0,24
Trabajo de Desarrollo de
Dispositivo Médico
Trabajo individual. 2 60 - - 62 2,06 a 2,48
Tutorías personalizadas. - 6 - - 6 0,2 a 0,24
Búsquedas bibliográficas. - - - 4 4 0,133 a 0,16 Otras
actividades Visitas a Empresa o Centro Tecnológico. - 2 1 2 4 0,133 a 0,16
Examen Ejercicios escritos. - - - - - - TOTAL 30 48 - 30 128 4,3 a 5,1
Así mismo se incluye una relación del número medio de horas dedicado por los profesores participantes al desarrollo e impartición de la asignatura. Los resultados muestran un esfuerzo notable por parte de los profesores para el lanzamiento de la asignatura. Futuras experiencias permitirán comparar la carga de trabajo del profesorado según evolucione la asignatura.
El empleo de casos de estudio fruto de investigaciones ya realizadas por el Grupo de Investigación en Ingeniería de Máquinas de la UPM ha sido de gran ayuda en la elaboración de material docente.
La esporádica participación de los alumnos en las tutorías va acompañada de una relación profesor – alumno menor de la deseable, especialmente en una asignatura aplicada y dentro de un programa de Máster de Investigación. Dicha relación puede potenciarse mediante el establecimiento de un “Plan de acción tutorial” con sesiones de asistencia obligada distribuidas a lo largo de curso, para mejorar el seguimiento a los alumnos, solucionar a tiempo sus dificultades en los trabajos de desarrollo y también como herramienta de evaluación.
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Tabla 2. Carga de trabajo del profesorado para la preparación e impartición de la asignatura.
Dedicación a las distintas tareas Número total de horas dedicadas
Clases presenciales (teoría): 16 Clases presenciales (ejercicios y casos): 10 Prácticas de laboratorio: 2 Seminarios: 2 Preparación de la guía docente: 45 Preparación del material de clase: 186 Preparación de información para los trabajos de aplicación: 26 Preparación de los casos de estudio: 46 Preparación de ejercicios: 25 Seguimiento de los alumnos: 21 Empleo de herramientas e-Learning: 14 Acciones tutoriales: 8 Evaluación de trabajos: 12 Evaluación adicional: 8 TOTAL: 421
CONCLUSIONES Y PROPUESTAS DE MEJORA
Los avances tecnológicos de los últimos años, en relación a nuevos materiales, tecnologías de diseño, fabricación y miniaturización, comunicaciones inalámbricas y control automático, han hecho que el mercado de los dispositivos médicos crezca de forma destacada. Desarrollos terapéuticos o diagnósticos que hace sólo 10 años parecían sueños lejanos están hoy al alcance de la mano; es ahora cuando la docencia sobre estos temas cobra especial relevancia, pues hay que estructurar los conocimientos de un campo esencialmente multidisciplinar y separar lo fundamental de lo accesorio. Se podrán así formar, en un plazo razonable, ingenieros preparados para su incorporación a una Industria amplia, cambiante y en continuo crecimiento.
A pesar de la existencia de nuevos programas de Máster en Ingeniería Biomédica en España, la mayoría de asignaturas de estos estudios están relacionadas con temas de instrumentación clínica, análisis de señales biológicas e informática médica. La asignatura de la Universidad Politécnica de Madrid objeto de este trabajo es la primera impartida en nuestro país centrada en el “Desarrollo de Dispositivos Médicos”.
Creemos que la agrupación de conceptos y enseñanzas realizada aporta novedad, no sólo a nivel nacional, pues proporciona una visión general sobre biomateriales, biomecánica, biomimética, diseño de dispositivos, tecnologías de fabricación, microtecnologías, “CAD-CAE-CAM”, seguridad, normativa y compromiso ético, en relación al desarrollo de dispositivos médicos. Esperamos que esta información pueda ayudar a realizar planteamientos de asignaturas afines y ser fruto de colaboraciones docentes e investigadoras.
REFERENCIAS 1. Pammolli F, Riccabonni M. Medical Devices Competitiveness and Impact on Public Health Expenditure. Study
prepared for the Directorate Enterprise of the European Commission, University of Florence, 2005. 2. Johnson A, Schreuders PD. An Integrated Approach to Teaching Biotechnology and Bioengineering to an
Interdisciplinary Audience. International Journal of Engineering Education, vol. 15, nº4, pp. 256-264, 1999. 3. King P, Fries R. Designing Biomedical Engineering Design Courses. International Journal of Engineering
Education, vol. 19 nº2, pp. 346-353, 2003.
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NOCIONES DE INGENIERÍA TÉRMICA Y HERRAMIENTAS ASOCIADAS PARA INCORPORACIÓN AL MUNDO LABORAL
Andrés Díaz Lantada1, Pilar Lafont Morgado1, Juan Manuel Munoz-Guijosa1,
Julio Muñoz-García1, José Luis Muñoz Sanz1, Javier Echavarri Otero1
1 Grupo de Investigación en Ingeniería de Máquinas. E.T.S.I. Industriales – Universidad Politécnica de Madrid c/ José Gutiérrez Abascal 2, 28006 Madrid, España
Área Temática: Formación RESUMEN El curso “Experto en Tecnologías CAD-CAE-CAM” se imparte en la División de Ingeniería de Máquinas de la Universidad Politécnica de Madrid, como parte de las actividades formativas promovidas por la Comunidad de Madrid para fomentar la incorporación laboral de personas desempleadas. En la última edición correspondiente al curso 2008-2009 se ha incorporado un módulo nuevo destinado a impartir nociones de Ingeniería Térmica y a explicar las ventajas del empleo de distintas herramientas de simulación y ensayo en actividades asociadas a dicha área, íntimamente relacionada con la Ingeniería Mecánica y con aplicación en múltiples sectores industriales. Se exponen en este trabajo los objetivos formativos, temario, metodología docente y distribución de aprendizajes de dicho módulo, así como los resultados de la primera experiencia docente y las propuestas de mejora. Es importante destacar cómo la distribución de tiempos resulta especialmente decisiva para poder aportar a los alumnos, en tan solo 15 horas lectivas, los conceptos más importantes de esta disciplina y acercarles al uso de distintas herramientas ampliamente utilizadas en la industria que faciliten su posterior incorporación al mundo laboral. A tal efecto se comienza con sesiones teóricas sobre los conceptos fundamentales de transmisión de calor para poder aplicar dichos conceptos en las simulaciones y comprender mejor los análisis realizados y los resultados obtenidos empleando programas de cálculo por elementos finitos. Tras el estudio de dichos conceptos fundamentales los alumnos resuelven un total de 10 problemas de transmisión de calor relacionados con el diseño o con el análisis de distintos componentes con ayuda del programa “CAD-CAE-CAM” “NX-6” de Unigraphics – Siemens. Los distintos ejemplos están elaborados para mostrar fenómenos de transmisión de calor por conducción, convección y radiación, así como para enseñar a analizar sistemas térmicos, tanto en régimen permanente como en régimen variable. El módulo termina con una sesión práctica que muestra la importancia de la termografía infrarroja como herramienta de inspección y ensayo, así como las ventajas de su empleo para validar los resultados de simulaciones térmicas. Las encuestas realizadas a los alumnos muestran su satisfacción con los aprendizajes obtenidos en el módulo de análisis térmico y muestran también aspectos que pueden mejorarse en las próximas ediciones del curso. PALABRAS CLAVE: Ingeniería Térmica, Tecnologías “CAD-CAE-CAM”, Simulación en Ingeniería, E.E.E.S..
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INTRODUCCIÓN
La aparición de “software” de apoyo a tareas de desarrollo en ingeniería y su incorporación progresiva en la industria desde finales de los años 80, junto con las crecientes capacidades operativas y de cálculo, han motivado cambios decisivos en la forma de llevar a cabo los procesos de desarrollo, facilitando tareas de intercambio de información, ayudando a tener en cuenta múltiples efectos de forma combinada mediante simulaciones multivariable y permitiendo realizar predicciones sobre la influencia de parámetros como el material o el proceso de fabricación en la calidad final de una piezas, máquinas, producto o instalaciones. En concreto simulaciones térmicas tienen aplicaciones diversas en múltiples campos de la Ingeniería entre las que cabe citar:
Ingeniería Mecánica.- Optimización de diseños de productos, de elementos de máquinas (frenos, cojinetes, rodamientos, guías), de máquinas térmicas, de vehículos y de instalaciones, así como de procesos de fabricación.
Ingeniería Aeronáutica.- Estudios sobre calentamiento por rozamiento en el seno de fluidos, estimación de mejoras en base a cambios en la aerodinámica.
Ingeniería Electrónica.- Predicción sobre el comportamiento de circuitos y componentes, así como de las mejoras introducidas por refrigerantes y ventiladores.
Ingeniería Energética.- Estimación de pérdidas en ciclos termodinámicos, evaluación de acciones correctoras (aislamientos, refrigerantes), selección de materiales.
Arquitectura (y ahorro energético en edificios).- Mejora de los sistemas de calefacción y aislamiento, tareas de eficiencia energética y autosuficiencia.
Bioingeniería.- Diseño de implantes térmicamente activos, evaluación de daños potenciales al organismo.
Por ello en la actualidad la mayoría de paquetes “CAD-CAE-CAM” (de diseño, cálculos y fabricación asistidos por computador) relevantes en el mercado incluyen módulos para la realización de análisis térmicos. El progresivo aumento en la potencia de cálculo de dichos módulos y su funcionamiento “más intuitivo” facilitan y potencian su empleo.
EL CURSO “EXPERTO EN TECNOLOGÍAS CAD-CAE-CAM”
Este curso se imparte anualmente en la División de Ingeniería de Máquinas de la Universidad Politécnica de Madrid, como parte de las actividades docentes financiadas por la Comunidad Autónoma de Madrid destinadas a mejorar la formación de personas desempleadas y a promover su incorporación al mundo laboral. En dicho curso se proporcionan 200 horas de formación sobre el empleo de distintos programas de diseño, simulación, cálculos y fabricación asistida por computador.
Catia v.5. de Dassault Systems.
“NX-6” de Unigraphics – Siemens.
“Solid Edge” v.20. de Unigraphics – Siemens.
“Moldflow” de Autodesk.
Cuenta cada año con entre 20 y 30 participantes con titulaciones obtenidas en diferentes facultades de ciencias, escuelas universitarias y escuelas técnicas de ingeniería. El aprendizaje de avanzadas tecnologías de simulación altamente valoradas en la industria facilita la búsqueda de empleo al finalizar el curso. Sin embargo, al tratar sobre tecnologías en continua evolución, la actualización de contenidos e incorporación de nuevas herramientas y módulos es esencial para mantener la calidad formativa del curso. A tal efecto se ha incorporado en la última edición un módulo sobre “análisis térmico y herramientas asociadas” sobre el que se trata en detalle a continuación.
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OBJETIVOS DOCENTES DEL MÓDULO SOBRE “ANÁLISIS TÉRMICO”
El módulo sobre “Análisis Térmico” dentro del Curso “Experto en Tecnologías CAD-CAE-CAM” recoge conceptos básicos sobre transmisión de calor y varios ejemplos sobre análisis térmico empleando programas de simulación en algunas de las áreas de aplicación explicadas. Se incluyen también propuestas de continuación de los distintos casos de estudio para fomentar su adaptación al estudio de problemas más complejos que los alumnos puedan encontrar en su futura práctica profesional en la industria.
Los principales objetivos docentes del módulo se enumeran a continuación:
Revisar los conceptos fundamentales relacionados con la transmisión del calor.
Recordar las ecuaciones que permiten modelar transferencia de calor en sistemas termo-electro-mecánicos.
Aprender los fundamentos de un módulo de simulación “FEM” térmica.
Realizar simulaciones sencillas que permitan aplicar los distintos conceptos.
Simular transmisión de calor por convección, conducción y radiación.
Estudiar los efectos de variación de distintos parámetros en los resultados.
Destacar la importancia del correcto empleo de unidades.
Destacar la importancia del análisis crítico de las simulaciones.
Mostrar la necesidad de verificar las simulaciones mediante ensayos.
Mostrar las ventajas de la termografía “IR” como herramienta de ensayo.
Explicar las ventajas del empleo combinado de termografías y simulaciones.
Los ejemplos desarrollados en las sesiones del curso han sido realizados empleando el módulo de análisis térmico del paquete de diseño y simulación “NX-6” (Unigraphics - Siemens). Sin embargo siguiendo las pautas explicadas en cada uno de dichos ejemplos se puede fácilmente aprender a utilizar los módulos térmicos de otros paquetes informáticos. Es importante destacar que la parte verdaderamente compleja en relación al empleo de programas de simulación para resolver problemas físicos no es la simulación en sí, ni tampoco aprender el manejo de los distintos programas, sino saber modelar o pasar del problema real a un problema idealizado en el que se consideran sólo los factores de influencia significativos.
Dichos casos de aplicación están orientados a mostrar ejemplos de modelado de sistemas complejos; cuyo estudio sería prácticamente imposible, aún empleando programas de simulación y cálculo por computador, sin el modelado previo que selecciona lo relevante y prescinde de lo accesorio. La aplicación de cargas y condiciones de contorno, que representan de forma sencilla las relaciones del sistema estudiado con su entorno, será también un elemento clave a tratar.
La audiencia multidisciplinar, procedente de titulaciones como Ingeniería Mecánica, Energética, Electrónica, Aeronáutica, Telecomunicación, Informática y otras, fomenta el empleo de un enfoque docente generalista, con la intención de recordar o introducir los conceptos fundamentales sobre transmisión del calor, así como resolver problemas variados con la intención de mostrar las aplicaciones de estas herramientas de simulación en un gran número de sectores.
Es importante destacar la limitación temporal, pues el módulo sólo tiene asignadas 15 horas lectivas dentro del Curso “Experto en Tecnologías CAD-CAE-CAM”, por lo que la planificación de las actividades de enseñanza-aprendizaje y la distribución de tiempos debe ser estrechamente controlada. Se detallan en los siguientes apartados los contenidos, metodología docente del módulo y resultados de la primera experiencia, junto con las propuestas de mejora para futuras ediciones.
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CONTENIDOS Y METODOLOGÍA DOCENTE
El módulo consta de una parte teórica y de una parte práctica en la que los alumnos, agrupados por parejas, resuelven diversos problemas con ayuda de los ordenadores de apoyo disponibles para el curso. En la parte teórica se realiza una introducción (de 3 horas de duración) a los conceptos fundamentales sobre transmisión de calor, mecanismos asociados (convección, conducción, radiación), diferencias entre estudios en régimen permanente o en régimen variable y principales ecuaciones.
Para cubrir los objetivos formativos, la parte práctica del módulo está estructurada en paralelo a la realización de 10 ejemplos de simulación térmica por parte de los alumnos, ejemplos destinados a destacar la importancia de los distintos conceptos fundamentales y a aportar una visión de conjunto sobre las simulaciones en Ingeniería Térmica, que permita a los alumnos afrontar problemas reales en diferentes actividades industriales.
De esta manera los distintos ejemplos están elaborados para mostrar fenómenos de transmisión de calor por conducción, convección y radiación, así como para enseñar a analizar sistemas térmicos, tanto en régimen permanente como en régimen variable. Se incluyen también ciertas nociones sobre análisis multi-dominio que permiten analizar los efectos de acoplamientos temo-mecánicos.
Cada uno de los ejemplos está preparado para su realización en una hora de trabajo (en concordancia con el reducido tiempo docente). Se enumeran a continuación y algunos resultados se exponen como ejemplo de forma adicional en la Figura 1:
1. Ejemplo inicial: Fundamentos del programa. (1 hora lectiva).
2. Convección: Estudio de tubería. (1 hora lectiva).
3. Convección – conducción: Refrigeración de tubería por aletas. (1 hora lectiva).
4. Convección: Estudio de placa electrónica. (1 hora lectiva).
5. Convección – conducción: Diseño de disipador para circuito electrónico. (1 hora lectiva).
6. Convección – conducción: Estudio térmico de una vivienda. (1 hora lectiva).
7. Importancia de la radiación: Comportamiento del filamento de una bombilla. (1 hora lectiva).
8. Refrigeración de moldes de inyección: Régimen permanente y transitorio. (1 hora lectiva).
9. Tensiones por efecto térmico: Ejemplo de actuador bimetálico. (1 hora lectiva).
10. Simulaciones y ensayos: Comparativa empleando termografía infrarroja. (1 hora lectiva).
Por otro lado, como parte de las actividades formativas del módulo se incluyen 2 sesiones (de una hora lectiva cada una) sobre termografía infrarroja y sus aplicaciones. La termografía infrarroja es una técnica para realización de inspecciones y ensayos no destructivos con aplicaciones múltiples en desarrollo de máquinas y productos, mantenimiento de equipos e instalaciones, detección y corrección de fallos. Los campos de aplicación van desde la Ingeniería Mecánica, Eléctrica, Electrónica, Aeronáutica, Arquitectura e ingenierías en general, hasta Medicina o Veterinaria e incluso Arte y Arqueología.
El destacable progreso en la última década de los equipos disponibles en el mercado, así como su disponibilidad a partir de precios más asequibles (y posible alquiler para actuaciones aisladas), han fomentado su expansión como técnica de ensayo en todo tipo de industrias. Algunas de las ventajas fundamentales de la técnica son su rapidez y facilidad de empleo, la sencilla interpretación de resultados en base a mapas de temperaturas y el hecho de ser una técnica no destructiva, que no perjudica ni afecta a los sistemas e instalaciones estudiados.
Esta tecnología resulta de gran utilidad para validar de forma experimental los resultados fruto de simulaciones térmicas, aspecto sobre el que se incide de manera especial en el módulo docente objeto de este trabajo mediante la realización de una práctica de manejo con una cámara “Thermacam E-300” de “Flyr Systems” y la correspondiente simulación del problema estudiado (Figura 2).
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Fig. 1. Ejemplos de aplicación (de izquierda a derecha y de arriba abajo):
Tubería con aleta de refrigeración. Placa electrónica.
Molde para inyección. Actuador bimetálico.
Fig. 2. Comparativa entre simulación térmica y ensayo utilizando termografía infrarroja:
Actuador polimérico con memoria de forma y resistencia de calentamiento para su activación.
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EVALUACIÓN DE RESULTADOS
Al final del módulo se realizaron diferentes encuestas de evaluación de resultados para evaluar la satisfacción de los alumnos con los conocimientos adquiridos, valoración que resulta especialmente importante al tratarse del primer curso de impartición del módulo sobre análisis térmico. El interés de las 2 sesiones prácticas sobre termografía infrarroja, como herramienta para la realización de ensayos en máquinas e instalaciones, fue también evaluado. Los resultados se recogen en las tablas siguientes.
Tabla 1. Resultados de la encuesta de valoración del módulo de análisis térmicos.
Pregunta Puntuación media de 1 (mínimo) a 5 (máximo)
Interés del módulo como herramienta de trabajo: 4,33 Conocimientos previos sobre transmisión de calor: 2,93 Conocimiento previo sobre análisis térmico por computador: 1,66 Creo que este módulo puede resultarme útil en mi futuro profesional: 3,66 Interés de lo aprendido en las sesiones de análisis térmico: 4,27 Material y explicación de las sesiones de análisis térmico: 4,33 Adecuación en la distribución de tiempos: 3,66 Valoración general de las sesiones de análisis térmico: 4,33
Tabla 2. Resultados de la encuesta de valoración de resultados de las sesiones sobre termografía IR.
Pregunta Puntuación media de 1 (mínimo) a 5 (máximo)
Interés de la técnica como herramienta de ensayo: 4,33 Interés de la técnica como herramienta de inspección: 4,33 Conocimiento previo sobre la técnica: 2,53 Creo que esta técnica puede resultarme útil en mi futuro profesional: 3,73 Interés de lo aprendido en las sesiones de termografía: 4,06 Material y explicación de las sesiones de análisis térmico: 4,13 Adecuación en la distribución de tiempos: 4,13 Valoración general de las sesiones de análisis térmico: 4,06
Ambas tablas muestran el interés suscitado por las herramientas de simulación térmica y por la termografía infrarroja como herramienta de ensayo e inspección. Los propios alumnos reconocen sus reducidos conocimientos previos sobre estas herramientas y valoran positivamente las sesiones de nueva incorporación. Las encuestas realizadas ayudaron a detectar ciertos problemas en la distribución de tiempos, fruto de la diferente destreza de los grupos con el programa “CAD-CAE” al resolver los problemas de aplicación, que pretenden solucionarse en cursos venideros mediante la incorporación de anexos de ampliación para los distintos problemas.
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CONCLUSIONES Y PROPUESTAS DE MEJORA
En los últimos años la incorporación de módulos de cálculo por elementos finitos a la mayoría de programas “CAD” de diseño asistido por computador ha llevado a un generalizado empleo de estas herramientas para tareas de desarrollo en múltiples sectores industriales. Estas herramientas son muy valoradas en la industria, pues aportan multitud de funcionalidades y permiten analizar el comportamiento en servicio de piezas, productos, máquinas e instalaciones.
Dentro de las posibilidades que aportan estos “software”, tradicionalmente más empleados para tareas de análisis de tensiones y deformaciones en estructuras, la progresiva inclusión de módulos de análisis térmico proporciona un mayor control sobre las diferentes variables que afectan al funcionamiento de máquinas e instalaciones. Un adecuado conocimiento acerca del empleo de estas capacidades resulta especialmente demandado por la industria y facilita la incorporación de los estudiantes al mundo laboral.
Por ello el curso “Experto en Tecnologías CAD-CAE-CAM”, impartido en la División de Ingeniería de Máquinas de la UPM, como parte de las actuaciones formativas financiadas por la Comunidad Autónoma de Madrid para paliar el desempleo, ha incorporado un nuevo módulo sobre “análisis térmico” en el que los estudiantes adquieren capacidades adicionales. Se han presentado en este trabajo los objetivos formativos, metodología docente y principales resultados del primer año de impartición del módulo.
Como herramienta de simulación se ha recurrido al empleo de “NX-6” de “Unigraphics - Siemens”, programa de diseño y cálculos asistidos por computador con una rápida curva de aprendizaje, similar en muchos aspectos al conocido “Solid Edge”, pero con mayor capacidad de cálculo en base a sus módulos “FEM”, mecánico, térmico y fluídico, que funcionan bajo Nastran.
Creemos que la agrupación de conceptos y enseñanzas realizada en este curso sobre análisis térmico y sus aplicaciones aporta novedad, pues proporciona una visión general sobre los conceptos fundamentales de ingeniería térmica y enseña el manejo de herramientas “CAD-CAE” a través de numerosos ejemplos de aplicación, asociados a situaciones reales de diseño en diferentes sectores industriales, en los que la transmisión del calor presenta una influencia determinante.
Se destaca de manera especial la importancia de verificar las simulaciones realizadas mediante ensayos reales que proporcionen mayor confianza a los resultados obtenidos. Se muestran también las ventajas de la termografía infrarroja como herramienta para validar de forma eficaz las simulaciones térmicas.
Futuras actuaciones permitirán incorporar al curso módulos de cálculo adicionales, así como a la adaptación de los conceptos enseñados a la asignatura de nueva creación sobre “Ingeniería Mecánica Asistida por Computador” a impartirse en el futuro programa de “Máster en Ingeniería Mecánica” de la Universidad Politécnica de Madrid, postgrado adaptado el nuevo Espacio Europeo de Educación Superior.
Esperamos que esta información pueda ayudar a realizar planteamientos de asignaturas o cursos afines y ser fruto de colaboraciones docentes e investigadoras.
REFERENCIAS 1. Aparicio Izquierdo F, González Tirados RM, Sobrevila MA. Formación de Ingenieros: Objetivos, Métodos y
Estrategias. Editorial ICE - Universidad Politécnica de Madrid, 2005. 2. Chapman AJ. Transmisión del Calor. Mc Millan Publishing Company, (4th Edition) 1984. 3. Díaz Lantada A, Lafont Morgado P, Lorenzo Yustos H, Muñoz-García J, Muñoz Sanz JL, Echavarri Otero J,
Muñoz Guijosa JM. Infrared thermography as support tool for developing shape-memory polymer based biodevices. Biodevices 2009 – International Conference on Biomedical Electronics and Devices, 2009.
4. Finn E, Alonso M. Física: Volumen II – Campos y Ondas. Editorial Alambra, 1995. 5. Finn E, Alonso M. Física: Volumen III – Fundamentos Cuánticos y Estadísticos. Editorial Alambra, 1995. 6. Perera R. Introducción al Método de los Elementos Finitos. Sección de Publicaciones - E.T.S.I. Industriales -
Universidad Politécnica de Madrid, 2004. 7. Witt DP, Frank P. Fundamentos de Transferencia de Calor. Pearson Educación, 2000.
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LA DISTANCIA ENTRE LA TEORÍA Y LA PRÁCTICA EN LA INGENIERÍA MECÁNICA DEL SIGLO 19.
Teun Koetsier
Dpto Matematica, Facultad de Ciencias, Vrije Universiteit, De Boelelaan 1081, NL-1081HV Amsterdam, Países
Bajos, [email protected]
Area temática: historia de la ingeniería mecánica
RESUMEN La fundación de la École Polytechnique en Francia en el ano 1794 es el inicio de un desarrollo de reformas en el sistema de educación de Europa. En muchos países del Continente el gobierno fundió escuelas politécnicas con la esperanza que en esta manera estimularía el desarrollo económico en la competición con el Reino Unido. En estas escuelas la teoría de las maquinas era siempre en cierto modo parte del programa. Aunque existan excepciones, en general esta teoría solamente funciono como una manera de comprender las maquinas. A finales del siglo 19, la situación es bastante diferente. Hay mucha literatura sobre el desarrollo de la técnica y los resultados de la práctica en el siglo 19. También hay una literatura ampliada sobre el desarrollo de la teoría. Sin embargo hay mucho menos estudios acerca de cómo la relación de la teoría en la práctica se ha desarrollado. En este artículo presentamos algunas observaciones generales sobre este proceso. Finalmente hablamos brevemente sobre el ejemplo de la balística. LA SITUACIÓN A PRINCIPIOS DEL SIGLO 19
Por el lado de la teoría, en las primeras décadas del siglo 19 nuevos desarrollos se estaban llevando a cabo. Tradicionalmente se consideraba una máquina como una combinación de máquinas simples (hígado, polea, cuña, tornillo, etc.) y las máquinas simples se clasificaban según su función (maquinaria de elevación, bombas, etc.) Las novedades incluyeron un nuevo enfoque a la clasificación de las máquinas y en la idea de que las máquinas consistieren de máquinas elementales. También las máquinas elementales (por lo tanto: mecanismos) fueron vistas como medios para transformar el movimiento y se clasificaban fundamentalmente en una manera cinemática. Esta clasificación fue inventada por Monge y publicada por Lanz y Betancourt. Junto a este enfoque Coriolis y Poncelet iniciaron un enfoque enérgico: una máquina debe diseñarse de tal manera que el máximo de la energía de entrada se transforma en trabajo. Este enfoque fue fundado en siglo 18 por Lazare Carnot. Relacionada a este trabajo, pero mucho más fundamental fue la publicación de Sadi Carnot (1824) de la base de lo que más tarde se llamará la termodinámica.
En las primeras décadas del siglo 19 la Revolución Industrial estaba en pleno apogeo. Sin embargo, el
nuevo desarrollo teórico apenas tenía influencia en el diseño de las máquinas. Conducía práctica la teoría y no al revés. Los gobiernos en el Continente intentaron entrar en la competencia con Inglaterra con la creación de las escuelas politécnicas, lo que estimuló el desarrollo de la teoría, pero su impacto en la práctica de construcción de maquinaria fue muy pequeño. LA TEORÍA DE LAS MÁQUINAS EN LA SEGUNDA MITAD DEL SIGLO 19: EL EJEMPLO DE ALEMANIA Un siglo más tarde, en las primeras décadas del siglo 20 el mundo había cambiado por completo. Por ejemplo, en el cambio del siglo la Alemania fue un de los principales poderes económicos y una de las razones fue su industria basada en la ciencia. El hecho de que la teoría y la práctica habían comenzado a encontrar se, fue el resultado de un desarrollo complejo y multifacético.
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Fig. 1. Máquina para cortar ruedas dentada [4] y fresadora (milling machine)[4]
Vamos a tratar de simplificar la imagen. En general, la aplicación de un modelo matemático en situaciones
que son creados por el hombre, no sólo exige que el modelo es suficientemente sofisticado, pero también que la realidad puede ser forzado a comportarse de acuerdo con el modelo. En la segunda mitad del siglo 19 los modelos teóricos de las máquinas, que un siglo antes habían solamente prometido a dar sus frutos en la práctica, se habían vuelto más realista. El tamaño y la calidad de las diferentes partes de una máquina se controlaba mucho mejor que un siglo antes. Además, se han elaborado los instrumentos y métodos para la ejecución de mediciones precisas con respecto al funcionamiento de las máquinas. Por otro lado, la producción en serie de piezas idénticas se había convertido en posible. Constructores de máquinas habían logrado en la construcción de una y otra vez la misma máquina.
Vamos a hablar primero sobre el desarrollo de la teoría de las máquinas. La experiencia y el conocimiento tácito de los hombres en los talleres de trabajo siguieron siendo muy importantes. Muchas personas se mantuvieron escéptico con respecto a algunos planteamientos teóricos, y, a menudo, con buenas razones. Sin embargo las teorías se fueron dando sus frutos o, al menos, ellas se hicieron más y más prometedoras.
Reuleaux Franz (1829-1905), ingeniero y profesor en Berlín, fue uno de los actores centrales en Alemania
en la década de 1870 y 1880. A primera vista ello parece ser un contraejemplo. Reuleaux publico el núcleo de sus opiniones en su libro Theoretische Kinematik (1875 – Cinemática teórica). Criticó la idea de que la ciencia de las máquinas no es más que solamente mecánica aplicada. El libro en el que quería establecer la ciencia de las máquinas como una ciencia independiente, contiene un sistema de clasificación de mecanismos, muy superior a la original intento por parte de Monge. La intención de Reuleaux era la de aplicar los resultados desde un análisis de este tipo de mecanismos para la síntesis de nuevos mecanismos. Sin embargo, la distancia entre sus ideas y la práctica de la ingeniería era grande. El ingeniero de trabajo es generalmente más interesado en un problema específico que en las consideraciones generales. En Alemania, muchos ingenieros se opusieron a Reuleaux y a otros teóricos en las escuelas politécnicas. El portavoz de este movimiento, Alois Riedler (1850-1936), aunque sostuvo que la base de toda la ingeniería está en la experiencia. Inicialmente Riedler gano. Reuleaux había sido muy influyente, pero después de su retiro su curso en la cinemática fue incluso suprimido. Reuleaux desarrolló una nueva teoría abstracta que en el momento no represento un cierre de la brecha entre la teoría y la práctica.
Sin embargo, las ideas de Reuleaux sobre la cinemática, a pesar de que ejercieron una influencia considerable en el transcurso del tiempo, no eran representativas para el desarrollo de la teoría de las máquinas en su conjunto. En realidad su valor no fue negado totalmente por la crítica. La oposición se dirigió contra la convicción de Reuleaux que su punto de vista de las máquinas fue la única correcta. Los críticos argumentaron que en la práctica su punto de vista aún no ayudó mucho. En el momento más estaba sucediendo en Alemania. De diferentes maneras la teoría se estaba aproximando a la práctica. Existe el trabajo de Rudolf Clausius (1822-1888) y Gustav Zeuner (1828-1907. Desarrollando los resultados de Clausius, Zeuner publicó en 1860 su Grundzüge der mechanischen Wärmetheorie (Principios de la Teoría Mecánica del Calor, y en 1887 su Technische Thermodynamik (Termodinámica Técnica), sobre la termodinámica técnica. Aunque la aplicación directa de estas teorías siguió siendo difícil, los libros demostraron claramente que la teoría fue acercando a la práctica de la máquina de vapor.
En realidad el primero en promover la aplicación de la termodinámica fue William Rankine (1820-1872) con su Manual of Steam Engine and Other Prime Movers (1859 - Manual de Motor de Vapor y Otros Motores Primeros). Sin embargo, incluso aquí
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“As it happened, most of the improvements on the reciprocating engine, which thermodynamic theory might have suggested, already had been made pragmatically by this time: specifically, high pressures and maximum use of the expansive power of the steam. The growing body of theory contributed somewhat more to the development of the steam turbine.” [1, p. 343].
Una teoría que podría explicar lo que se había descubierto ya, podría en principio sugerir nuevas mejoras
también.
Fig. 2. Corliss motor (izquierda) y el cilindro con válvula de arte (a la derecha) [2, Cap. 14]. Cortesía de Wes Kinsler.
Algunas veces el valor de los nuevos desarrollos teóricos fue inmediatamente evidente. Uno de los puntos débiles de la cinemática de Reuleaux fue que subestimo la importancia de la dinámica. Por ejemplo, el Corliss motor, introducido en la década de 1860 por el ingeniero americano George Henry Corliss (1817-1888), fue un gran éxito. El motor tenía un mecanismo variable para cortar el vapor corte basado en un sistema de válvulas diseñado brillantemente. El sistema permitió un uso mucho más eficiente de la energía expansiva del vapor. Como resultado de ello el motor tenía una mayor eficiencia energética y podría trabajar a velocidades muy altas [3]. Sin embargo, muchos ingenieros dudaron con respecto a las altas velocidades. Esto estimuló Johann von Radinger (1842-1901) para investigar el comportamiento dinámico de de las máquinas de vapor con alta velocidad. En su Ueber Dampfmaschinen mit Hohen Kolbengeschwindigkeiten (1867 - Acerca de las máquinas de vapor con pistones de alta velocidad) investigó la relación entre la gran masa y una rotación suave en el caso de alta presión y un alto grado de expansión. Sus métodos no se basaron en, por ejemplo, la mecánica analítica de Lagrange, pero fueron los más accesibles posible para los ingenieros. Ello uso medios gráficos: los diagramas de aceleración. En este sentido, Von Radinger siguió Julius Weisbach (1806-1871) [6], que también trató de escribir para los hombres en la práctica. LA PRODUCCIÓN EN MASA
Sin embargo, no fue sólo el desarrollo de la teoría que llevó a la construcción científica de máquinas. Lograron más y más control de la materia de diferentes maneras: control de la forma, el control de la calidad del material. En la segunda mitad del siglo 19, la producción en masa a gran escala de piezas intercambiables de idéntica calidad se habia convertido en posible [Ver 14]. La historia de la producción en masa es complicada. En los Estados Unidos y en Inglaterra después de 1850 las máquinas para construir herramientas como tornos, formadores, planificadores, taladros, etc. se habían mejorado y una nueva generación de estas máquinas apareció. La causa fue el hecho de que la producción en masa ya no se limito a las esclusas, los relojes y las armas pequeñas, pero se extendió a las máquinas de escribir, máquinas de coser, y por último la bicicleta. Invenciones del siglo 19 fueron la fresadora (milling machine) y la máquina rectificadora (grinding machine). La fresadora tenía ruedas que reúnan una serie de aristas de corte para que el trabajo pueda hacerse más rápidamente en situaciones en las que un montón de trabajo idéntico había que hacer.
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Fig. 3. “Index typewriter” de 1885. Estas máquinas de escribir eran más baratos que las máquinas de escribir con teclado. Cortesía del Early Office Museum
El método de hacer un gran número de piezas idénticas a menudo se denomina el sistema Americano. Aunque la idea no es nueva - el ingeniero sueco Christopher Polhem la aplico hasta cierto punto en la primera mitad del siglo 18, y al final del siglo 18 tenía Gribeauval ideas similares cuando reorganizó el ejército francés - pero fue en la nacional Armería Springfield en Massachusetts en las principios del siglo 19 que aplicaron el sistema Americano en una escala mayor: la maquinaria especialmente diseñada para la tarea producía muchos piezas idénticas. Manómetros se utilizaban para garantizar la uniformidad [Cf. 16]. LOS EXPERIMENTOS Y LAS MEDICIONES
Aunque también en la primera mitad del siglo 19 se hicieron intentos serios para tomar el funcionamiento de las máquinas en términos de números, sólo en la segunda mitad del siglo, los experimentos y las mediciones se convirtieron en influyentes. Por ejemplo, en el período 1856-1870, en Alemania, August Wöhler (1819-1914) hizo por las ferroviarias extensas experiencias con respecto a la resistencia de los ejes de los trenes. Su obra marca la primera investigación sistemática de las curvas SN. Representan la magnitud de una tensión cíclica (S) contra el número de ciclos hasta el fracaso (N, en una escala logarítmica) [5]. Krupp compró su primera máquina de ensayo de materiales en 1862. Las escuelas politécnicas pronto siguieron. En 1870 Johann Bauschinger (1834-1893) abrió su laboratorio en la escuela politécnica en München. El historiador alemán Klaus Mauersberger escribió:
“Sobre la base de muchos experimentos los ingenieros empezaron a llevar las idealizaciones (en los modelos de los artefactos y en los métodos) más en conformidad con la realidad. Esto requirió muchas investigaciones. Con respecto a las máquinas esto afectaba a las siguientes áreas: el comportamiento del gas y de vapor en los motores térmicos, el comportamiento de los líquidos, la fricción, la demanda de energía de los motores, las pruebas de metales y materiales de construcción, y la conducción de calor y la pérdida de calor. Esto requirió el desarrollo de muchos métodos y técnicas de experimentación” [6, p. 39].
Fig. 4. La primera máquina de ensayo de materiales de Krupp (1862)[7]
Esto es lo que estaba ocurriendo y se ha hecho con gran éxito. La oposición a Reuleaux que hemos mencionado en la sección anterior fue apoyada por los hombres que creen que el experimento, pero no la teoría, debería desempeñar el papel central en la ingeniería mecánica. La oposición era exagerando y su victoria fue de corta duración: el aumento de la construcción de maquinaria sobre la base de las ciencias era inevitable.
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En los años 1880 los Estados Unidos se había convertido en una gran potencia económica. Es notable que el enfoque experimental en los Estados Unidos se desarrollara de manera similar. En cuanto a la teoría los Estados Unidos estaban detrás de Europa [8]. En 1830 el Instituto Franklin empezó una investigación sobre las causas de las explosiones de caldera de vapor. En este contexto, Walter R. Johnson construyó la primera máquina de ensayo en los Estados Unidos y ejecuto una serie de experiencias exitosas sobre la resistencia de los materiales. La misma máquina se utilizaba más tarde para investigar las causas de una desastrosa explosión en el USS Princeton [8, p. 571].
Sin embargo, aunque esas investigaciones fueron obviamente importantes, ni el Gobierno ni las
comunidades empresariales fueron fácilmente dispuestos a apoyar este tipo de investigación en un contexto más general. Hubo excepciones. En West Point, la primera escuela de ingeniería de América, hubo interés serio en la resistencia de los materiales y al final de la década de 1840 Benjamin Franklin Green (1817-1895) convirtió Rensselaer en una escuela politécnica tras haber estudiado las escuelas europeas. Aproximadamente en la época de la Guerra Civil (1861-1865) las cosas cambiaron. Se fundaron institutos técnicos y universidades se volvieron más orientadas a la investigación. En 1861 las actividades de William Barton Rogers dio lugar a la formación de MIT y programas de ingeniería se iniciaron en la universidades de Harvard y Yale. Después de la guerra Robert Thurston fundada los primeros laboratorios de investigación en los Estados Unidos: en el Stevens Institute of Technology y la Universidad de Cornell. Layton escribió: "Hacia 1900 la comunidad tecnológica de América fue en el camino para convertirse en un espejo de doble imagen de la comunidad científica” [8, p.575]. Esto es correcto. Sin embargo, el énfasis en los EE.UU. fue sobre cuestiones prácticas.
Fig. 5. Rectificadora (Grinding machine) [4, etc] BALÍSTICA La tecnología militar es una fascinante zona. En la primera mitad del siglo 19, el tope de la percusión se introdujo, después de su invención en 1807 por Alexander Forsyth, y por lo tanto la carga de nalgas. El mosquete con su bloqueo pedernal y con boca de carga fue sustituido por fusiles con un mecanismo de carga de nalga. La primera fusil de esto tipo que funcionó realmente - llamado el aguja fusil, porque una aguja detonaba la bala - se introdujó en el ejército Prusiano en 1841 y dio a los prusianos una ventaja decisiva en la guerra austro-prusiana en 1866. Añada a estas invenciones la mejora de la idea de una bala cónica, la introducción de los cartuchos metálicos y pólvora sin humo en la década de 1870, y los enormes cambios son evidentes. Cambios similares se llevaron a cabo en las armas de la artillería: ‘rifling’ fue introducido aquí también, la carga de nalgas y pólvora sin humo. En el curso del siglo 19 el hierro fundido fue sustituido por el hierro forjado y finalmente por acero (Acerca de la tecnología militar en el siglo 19 ver [9]). BALÍSTICA EXTERIOR: INTRODUCCIÓN
Balística exterior se refiere a la trayectoria de la bala o granada. Es comprensible que la balística exterior siempre ha sido un tema de gran importancia. Hasta el siglo 20, cuando el deseo de ser capaces de golpear objetivos de vuelo creó nuevos desafíos, el principal objetivo en la balística exterior fue la determinación del punto de impacto en la tierra.
Antes del siglo 19 un gran número de matemáticos trabajaron en la trayectoria de una bola de cañón: Tartaglia, Galilei, Newton, Huygens, Johann Bernoulli, Euler, D'Alembert y otros. Tuvieron éxito en la solución de las ecuaciones diferenciales de un punto de masa sobre la influencia de la gravedad y una fuerza F (v) que expresa la resistencia del aire cuando F (v) sea una expresión polinómico simple. En la segunda mitad del siglo 18 los grandes matemáticos perdieron algo de su interés y soldados profesionales se interesaron. La razón principal es que en
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Francia se convirtió en la mejor la organización de la artillería; sus funcionarios se volvieron más sofisticados y mucho más conscientes de nuevos resultados científicos [10, p. 149].
Además, en el ejército francés el sistema Gribeauval se introdujo en 1765. Este sistema dio lugar a una mejor organización de la oferta en el ejército francés, a mayor uniformidad y a una calidad más constante. Uno de los soldados interesados en balística era Jean-Charles de Borda (1733-1799), que deriva una solución aproximada a las ecuaciones diferenciales en el caso de una arbitraria resistencia del aire. También fue ello el primero en examinar la influencia de la dependencia de la densidad del aire con la altitud. Uno de los datos cruciales necesarios para determinar la trayectoria de una bola de cañón es su velocidad inicial. En el transcurso del tiempo se han propuesto varios métodos para determinar ello. Por ejemplo, en la primera mitad del siglo 18 el inglés Benjamin Robins (1707-1751), quien también sugirió la ‘rifling’ (la inserción de una espiral) de los barriles, inventó el péndulo balístico: una bala se disparó contra un péndulo y de la conducta del péndulo la velocidad de la bala se deriva [10, p. 114].
La aplicación de estas ideas en práctica, sin embargo, no fue fácil. La teoría de la trayectoria siguió siendo imperfecta y, por otra parte, no era fácil obtener la velocidad inicial de la bala. De hecho en 1908 el alemán C. Cranz dio tres razones para el lento desarrollo de la balística: i) La extrema complejidad (matemática) de los problemas. Supongo que Cranz quiere decir que en los modelos matemáticos no tengan soluciones exactas y la aproximación de las soluciones deban ser encontrados con gran ingenio, ii) Se tomó un largo tiempo antes de una fórmula correcta para la resistencia F(v) se podría determinar experimentalmente, y iii) Era muy difícil determinar la velocidad inicial y la presión del gas. Durante mucho tiempo había otras razones también que tienen que ver con la producción en serie de piezas idénticas y calidad constante. En el siglo 18 el Frances d'Urtubie escribió en su Manuel de l'artilleur (Guía para el artillero):
“Le degré de hauteur, la véritable charge à donner sont des choses difficiles à trouver. Des causes sans nombre répandent de l’incertitude sur ce service: la résistance de l’air, toujours hétérogène; la quantité et la qualité de la poudre, jamais bien proportionnées; les bombes toutes a la rigueur défectueuses en poids, en figures, en dimensions; la construction du mortier, de l’affût, celle de la plateforme inévitablement dérangée au premier coup, l’impossibilité de placer la bombe avec précision, de façon que son axe est celui du mortier ne fassent qu’un et que tous les deux sont confondus avec l’alignement du but, une seule de ces deux causes produit des variations étonnantes. Ce n’est donc qu’a force de la théorie, d’attention dans la pratique et d’exactitude que l’on peut tirer du mécanisme du jet des bombes le parti le plus favorable.” [10]
Sin embargo, aunque las piezas de artillería no eran exactas, eran útiles. Von Scharnhorst escribió en su manual para los oficiales de artillería prusiana (varias ediciones entre 1787 y 1820) que los experimentos mostraron que una meta de 6 pies de altura a una distancia de aproximadamente 500 metros fue alcanzado 45 veces de 145 intentos. A una distancia de 1000 metros hubo 1 golpe de 30 intentos [11, pp. 32-33]. BALISTICA Y TEORÍA VERSUS EXPERIMENTO EN EL SIGLO 19 El éxito limitado de la teoría en la búsqueda de la solución de los problemas de la balística interior y exterior, aparece en que en Francia el general Félix Hélie (1795-1885) defendió la necesidad de una nueva ciencia, la balística experimental, y atacó en su libro de 1865 el planteamiento teórico de la balística, que dominó en la Escuela de Artillería de Metz donde el general Piobert Guillaume (1793 - 1871) fue el profesor de los principios de la artillería. Hélie fue el fundador de la famosa Comisión de Gavre, que fue en Francia durante muchos años responsable de la investigación experimental de armas de fuego. Hélie estuvo también a cargo de la enseñanza de la balística en la Escuela de Artillería de Lorient. Según Hélie los representantes de la Escuela de Metz sustituían un punto de vista puramente imaginario por la realidad que nunca levaría a ninguna parte. Hélie propuso fórmulas exclusivamente basadas en experimentos.
De hecho también en Metz muchos experimentos fueron ejecutados. Un otro representante de Metz, General Didion, por ejemplo en sus libros de 1858 y 1860 informó de que el "carabine a tige", inventado en 1844 por De Thouvenin (percusión, carga frontal, topo oblonga), a 400 metros tenia un "circulo de probabilidad" (por definición, la mitad de los golpes están dentro del círculo) de 26 cm. Los viejos fusiles de la infantería con balas esféricas tenían a la misma distancia un círculo de probabilidad con un diámetro de 9,40 metros! Sin embargo, los experimentos de Metz y la teoría se combinaron. Esto condujo a resultados. En 1846 Quetelet había relacionado las estadísticas de los tamaños
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del seno de soldados escocés a la distribución binomial. En Metz, aproximadamente al mismo tiempo, el general Didion hizo algo similar: relacionó los experimentos de tiro a la teoría de la probabilidad. Demostró que los errores satisfacen una distribución binomial bidimensional. Las líneas de probabilidad igual son elipses. Se dio cuenta de que ya había cumplido estas curvas en 1823, cuando había analizado en un experimento el impacto de 1300 bombas. En una memoria de 1854 Hélie también dio fórmulas para describir la distribución de los puntos de impacto. Él lo hizó únicamente sobre la base de los datos empíricos, sin ninguna teoría. Las fórmulas de Hélie resultaron ser inferiores y menos de acuerdo con los datos que las fórmulas de la distribución normal. En su libro de 1865 Hélie todavía atacó el enfoque teórico de la Escuela de Metz, pero al mismo tiempo, incorporó parte de los resultados de Didion. De hecho Hélie había sido ya derrotada. La balística necesita experimentos y teoría juntos. El enfoque de la Escuela de Metz ganó en la final. Sin embargo, duró hasta el final del siglo 19 antes se han encontrado buenas soluciones para las ecuaciones diferenciales de modelos realistas de la trayectoria. Esto incluyó expresiones realistas para la resistencia del aire. El trabajo de Francesco Siacci (1839-1907) debe mencionarse a este respecto. En particular, la segunda edición de su libro de texto sobre balística de 1888 (traducido al francés en 1891) fue muy influyente. Uno puede encontrar un estudio muy completo de resultados en el libro de C. Cranz sobre la balística. En la quinta edición del Tomo I, publicado en 1925, el contenido del artículo 40 fue el resultado de un descubrimiento en 1914 [12]. El 21 de octubre de 1914 se disparó un tiro en el enorme campo de tiro de la empresa Krupp en Meppen cerca de la frontera neerlandesa, probablemente con un Big Bertha, un mortero de 42 cm construido por Krupp. En lugar de los 38 kilómetros calculados, la granada viajó 49 kilómetros [13, p. 245]. La investigación reveló que los alemanes no habían considerado el hecho de que la densidad del aire es casi insignificante en grandes alturas. El artículo 40 del libro de Cranz fue escrito por Cranz y revisado por Von Eberhard. Von Eberhard fue el hombre que propuso en 1916 para construir un arma con un rango de 100 kilómetros. Después, Krupp fue ordenado construir uno con un rango de 120 kilómetros. Estas armas con un barril de 36 metros fueron construidas y utilizadas contra París en 1918.
Fig. 6a. Exposición de París 1867: Gran canon expuesto por Krupp presumiblemente con un barril de acero. Más tarde los modelos fueron cargados de la parte trasera. Fig. 6b. Paris canon de 1918 (Krupp, 21 cm. Cortesía de
www.One35t.com)
A pesar de los progresos las tablas de tiro a menudo no se utilizaban, dice una nota confidencial del ejército francés en 1917 [11, p. 32]. CONCLUSION
Antes del fin del siglo 19 no es frecuente que la teoría de las maquinas llevo hacia mejorías en las maquinas actuales o hacia el diseño de mejoras maquinas. A finales del siglo 19, la situación es bastante diferente y el mundo se estaba moviendo hacia una ingeniería científica, donde la mecánica teórica, las matemáticas, la termodinámica y otras teorías científicas desempeñaban un papel importante. Sin embargo, no fue sólo el desarrollo de la teoría que llevó a la construcción científica de máquinas. Muy importante fue el desarrollo del control de la materia: control de
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la forma, de hierro a acero, el control de la calidad del material. También en la segunda mitad del siglo 19, la producción en masa de piezas intercambiables de idéntica calidad se había convertido en posible. Finalmente están los experimentos y las mediciones a gran escala y la práctica se acercó a la teoría. REFERENCIAS
1. John B. Rae, The Age of Steam and Iron, 1830-1880, pp. 325-349 in Melvin Kranzberg & Carroll W.
Pursell, Jr., Technology in Western Civilization, Vol. I, The Emergence of Modern Industrial Society Earliest Times to 1900, Oxford University Press, 1967
2. Frank D. Graham Audel's Engineer's and Mechanic's Guide, Vol. 2, Theo Audel and Co., New York 3. Nathan Rosenberg and Manuel Traitenberg, The Corliss Steam Engine in the Late Nineteenth Century
United States, The Journal of Economic History 64, pp. 61-99, 2004 4. Woodbury etc 5. August Wöhler, Über die Festigkeitsversuche mit Eisen and Stahl, Zeitschrift für Bauwesen 20, 1879, pp.
73-106 6. Klaus Mauersberger, Die Herausbildung der Technischen Mechanik und ihr Anteil bei der
Verwissenschaftlichung des Maschinenwesens, Dresdener Beiträge zur Geschichte der Technikwissenschaften Heft 2, Technische Universität Dresden, 1980, pp. 1-52, p. 39
7. http://www.die-verbindungs-spezialisten.de/index.php?id=dvs-home (organización Alemán que se ocupa de la soldadura)
8. Edwin Layton, Mirror-Image Twins: The Communities of Science and Technology in 19th-Century America, Technology and Culture 12 ,1971, pp. 562-580
9. Thomas A. Palmer, Military technology, pp. 489-502 in Melvin Kranzberg & Carroll W. Pursell, Jr., Technology in Western Civilization, Vol. I, The Emergence of Modern Industrial Society Earliest Times to 1900, Oxford University Press, 1967
10. P. Charbonnier, Essais sur l’histoire de la balistique, Paris, Imprimerie Nationale, 1928 11. Bernard Brus, Problème de ‘l’efficacité du tir a l’école de Metz, aspects théoriques et expérimentaux,
Mathématiques et sciences humaines 136, 1996, pp. 29-42 12. Henry W. Miller, Paris Gun. The Bombardment of Paris by the German Long-range Guns and the Great
German Offensives of 1918, Jonathan Cape, Harrison Smith, New York, 1930 13. C. Cranz, Lehrbuch der Ballistik, Erster Band, (5e Auflage), Berlin, 1925, p. 245 14. David A. Hounshell, From The American System to Mass Production, 1800-1932: The Development of
Manufacturing Technology in the United States. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1984. 15. David Alan Grier, Dr. Veblen Takes a Uniform Mathematics in the First World War, The American
Mathematical Monthly, Vol. 108, No. 10 (Dec., 2001), pp. 922-931 16. Robert S. Woodbury: E. g. Machines and tools, on pp. 620-636 in Melvin Kranzberg & Carroll W. Pursell,
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17. Bernhard Menne, Blood and Steel, The Rise of the House of Krupp, Lee Furman Inc. New York, 1938
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METODOLOGÍA DOCENTE BASADA EN EL EMPLEO DE SOFTWARE COMERCIAL PARA EL ANÁLISIS DE PROBLEMAS ESTRUCTURALES
Dorado Vicente R.1, Díaz F.A.1, López García R.1, Mata Bago J.E.1
1 Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera, Campus las Lagunillas, Edif. A-3, 23071, Jaén
E-mail: [email protected] , [email protected] , [email protected] , [email protected]
Área Temática: Métodos y técnicas para la formación en ingeniería mecánica
RESUMEN
Las sesiones teóricas sobre conceptos como la integridad estructural, la durabilidad o fatiga, de interés para el ingeniero mecánico requieren del alumno atención, capacidad de abstracción y visualización espacial. La realización de prácticas puede reforzar las capacidades previas, pero en general se trata de actividades limitadas y no garantizan un aprendizaje individual significativo. Este trabajo plantea una metodología que combina las sesiones teóricas con la utilización de software para el modelado, análisis y simulación. El resultado es un refuerzo de la atención y de la capacidad de asimilación de conceptos mecánicos. Además, los alumnos consiguen una primera toma de contacto con software CAE (Computer Aided Engineering) comercial.
PALABRAS CLAVE: Aprendizaje, Conceptos mecánicos, Modelado, Simulación, Análisis INTRODUCCIÓN
Durante las últimas décadas el software de modelado gráfico y los paquetes de análisis mecánico han revolucionado el trabajo de los ingenieros. Estos cambios han motivado la inclusión de estas herramientas en su aprendizaje. Actualmente, el impulso del nuevo EEES (Espacio Europeo de Educación superior), con su política de desarrollar contenidos a partir de las competencias requeridas por la sociedad [1], incentiva aún más la formación en este tipo de software.
En general, se proporciona una formación en distintos programas comerciales, pero ¿qué hay de la capacidad de estas herramientas para acercar los conceptos mecánicos al alumnado? La impresión, como mencionan Jensen y Pramono [2], y Díaz-Garrido et al. [3], es que estas herramientas facilitan el aprendizaje individualizado debido a la facilidad para la experimentación virtual que ofrecen. También, son elementos motivadores porque permiten la resolución de problemas complejos industriales [4] similares a los que el alumnado puede encontrar en su futuro trabajo [5].
Algunos tópicos de la ingeniería mecánica como la integridad estructural, la durabilidad o el comportamiento a fatiga de elementos mecánicos son de vital importancia en la formación de un ingeniero. Sin embargo, a menudo su estudio va asociado a un complejo aparataje matemático que puede hacer perder al estudiante la perspectiva física del problema en sí mismo.
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Fig. 1. Modelado de una pala de carga
Este estudio ilustra una metodología docente basada en el empleo de software comercial para el análisis de diferentes problemas mecánicos de diseño (Fig. 1 y 2), como los mencionados en el párrafo previo. Los objetivos son:
• Facilitar la asimilación de conceptos mecánicos analizando problemas reales mediante software comercial.
• Analizar los efectos de la metodología empleada en la asimilación de conceptos y motivación del alumnado.
Fig. 2 Detalle de mallado de un Asidero
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Los resultados son altamente satisfactorios, y demuestran que los estudiantes prefieren metodologías docentes como la planteada en la presente comunicación, pese a que a menudo requieren de un mayor esfuerzo y dedicación por parte del profesor y del alumnado.
METODOLOGÍA DE APRENDIZAJE Objetivos
La experiencia de aprendizaje tratada en este trabajo se ha desarrollado dentro del contexto de la asignatura ‘Métodos avanzados para el diseño mecánico’ impartida en el último curso de la titulación de Ingeniería Industrial durante el primer cuatrimestre del curso 2008/09. Se trata de una optativa de 4,5 créditos LRU. Simplificando mucho, los objetivos de esta asignatura son que el alumno:
• Adquiera conocimientos sobre las etapas de diseño y desarrollo de un producto. • Conozca y aplique el MEF Método de Elementos Finitos, técnica de análisis mecánico ampliamente
extendida [6].
Ambos objetivos se adaptan a las capacidades del software comercial CAE. En concreto, se utilizó SolidWorks para el modelado sólido de mecanismos, y su módulo CosmosWorks para realizar análisis por elementos finitos. Esta aplicación, aparte de su manejo relativamente sencillo frente a otras aplicaciones similares, tiene una amplia difusión en sectores como la automoción y el diseño de maquinaria industrial [7].
Actividades
Las herramientas de aprendizaje para alcanzar los anteriores objetivos se describen a continuación.
Clases teóricas.
La idea es aplicar conceptos teóricos sobre desarrollo de productos y el MEF a problemas reales modelados mediante SolidWorks, para reforzar y motivar el aprendizaje significativo de los alumnos. Las clases teóricas se impartieron a todo el grupo de alumnos y los conceptos se reforzaron en las sesiones de utilización del software en el aula de informática.
Además los alumnos contaron con apuntes y recursos electrónicos disponibles en la plataforma virtual de la Universidad de Jaén.
Elección de los problemas mecánicos
Cada alumno debía realizar el modelado y análisis de un sistema o componente mecánico, por lo que el primer paso que tenían que dar era la elección de un problema mecánico. Para esto último contaban con las nociones teóricas previamente recibidas y con el apoyo tutorial del profesor.
Aprendizaje de SolidWorks
Para que los alumnos adquirieran manejo con el software, se realizaron algunos ejemplos de diseño de los propuestos por Planchard y Planchard [8], y de análisis propuestos por Steffen [9].
Modelado 3D mediante SolidWorks
En el aula de informática cada alumno modeló su problema mecánico con el apoyo del profesor.
Análisis estructural mediante CosmosWorks
En el aula de informática cada alumno analizó su problema mecánico con el apoyo del profesor. Los alumnos realizaron un estudio estático de su modelo siguiendo las etapas clásicas del MEF:
• Preprocesado. Adaptación de la geometría al análisis, definición del material, de restricciones y de cargas.
• Mallado. Control de malla en regiones con gradientes de tensión y mallado automático en el resto
• Procesado. Resolución del problema usando el solver de SolidWorks.
• Postprocesado. Visualización gráfica de los resultados e interpretación de los mismos.
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Estudio de posibles mejoras
Aprovechando las herramientas de SolidWorks es relativamente fácil experimentar con distintas configuraciones y modelos. Cada estudiante pudo evaluar distintos diseños y elegir una configuración óptima
Elaboración de un informe y presentación de resultados
Finalmente los alumnos confeccionaron un informe descriptivo del estudio desarrollado y presentaron las principales conclusiones alcanzadas. Esta última actividad es quizá una de las más interesantes para el alumnado, porque constituye una competencia de su futuro trabajo.
Evaluación del aprendizaje
Los informes y presentaciones previos se han utilizado para evaluar el aprendizaje alcanzado. La Fig. 5 muestra los resultados de los alumnos en este curso 08/09 y en el anterior 07/08 en el que se utilizó una metodología clásica.
EJEMPLOS DE ESTUDIOS REALIZADOS POR ALUMNOS
La Fig. 3 muestra cuatro modelos 3D realizados por alumnos, mientras que la Fig. 4 presenta detalles gráficos de su análisis.
Fig. 3. Modelos sólidos de alumnos. a) King-Pin, b) Cuadro Bicicleta, c) Gancho portable d) Estructura para pinza telescópica
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Fig. 4. Análisis MEF de alumnos. a) King-Pin, b) Cuadro de Bicicleta, c) Gancho portable, d) Pinza telescópica
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DISCUSIÓN. EVALUACIÓN DE LA METOLOGÍA
Se han utilizado 2 herramientas para analizar la metodología empleada.
Los resultados de los alumnos (Fig. 5).
Puede observarse una reducción en el número de no presentados, esto puede interpretarse como un aumento de la motivación de los alumnos. También es apreciable el aumento de los estudiantes con una nota notable, lo que puede interpretarse como una mejor asimilación de los conceptos alcanzados.
La evaluación personal de los alumnos (Fig. 6).
Se ha dejado que los alumnos expresen su opinión personal sobre la asignatura. Valorándose las siguientes categorías: interés de la asignatura, grado de satisfacción personal con las competencias adquiridas, posibles mejoras, y valoración global de la asignatura.
Pese al alto porcentaje de estudiantes que no muestran opinión alguna, puede decirse que los estudiantes valoran positivamente la experiencia destacando la utilidad de lo aprendido en su futuro profesional. Por último, como sugerencia de mejora proponen aumentar las sesiones con el software en detrimento de las sesiones teóricas, porque consideran que de esta manera tendrán más tiempo para acometer problemas reales complejos.
Fig. 5. Calificaciones de los alumnos
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Fig. 6. Valoraciones personales de los alumnos
CONCLUSIONES
Se ha mostrado una metodología que incrementa la motivación y la asimilación de conceptos mecánicos. La idea es combinar el aprendizaje clásico con las posibilidades de animación y simulación del software comercial, en concreto SolidWorks. Además se consigue que los alumnos adquieran manejo en programas que posiblemente empleen en su futuro profesional.
Resulta difícil definir parámetros adecuados que permitan conocer la bondad de las metodologías docentes. En este estudio se han empleado por un lado las calificaciones obtenidas por los alumnos, que en comparación con los resultados de cursos anteriores (con docencia clásica) muestran una tendencia ascendente en el número de presentados, y en la nota media del curso (Fig. 5). Por otro lado, las valoraciones de los alumnos indican un gran interés en la metodología desarrollada (Fig. 6).
Finalmente, los trabajos de los alumnos muestran la aplicación práctica de los conceptos desarrollados, las Fig. 3, 4 y 7 muestran detalles gráficos de los resultados alcanzados por los estudiantes.
Fig. 7. Detalles análisis fémur.
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REFERENCIAS 1. Universidad de Deusto-Universidad de Groningen, Tuning Educational Structures in Europe, 2003. 2. Jensen, D.; Pramono, E., Method for teaching Finite Elements which combines the advantages of comercial pre-
and postprocessing with student-written software, Computer Applications in Engineering Education, Vol. 6, (2), pp. 105-114, 1998.
3. Díaz-Garrido, Fco. A.; Dorado Vicente, R.; Mendoza-Moreno, F.J.; Casanova-Peláez, P.; ‘Desarrollo de competencias en ingeniería mecánica a través de un proyecto de diseño’, IV Congreso Intenacional: La renovación de las metodologías docentes centradas en el alumno, Universidad Europea Miguel de Cervantes, 2008.
4. Abbas Aminmansour, Utilizing the best of today’s technologies to better educate engineers of tomorrow, Computer Applications in Engineering Education, Vol. 4, (1), pp. 79-84, 1996.
5. Miller, G.R.; Cooper, S.C. Something old, something new: Integrating engineering practice into the teaching of engineering mechanics, Journal of Engineering Education, April, pp. 105-115, 1995.
6. Adams, V., Askenazi, A., Finite element analysis, Oxford: Oxford Press, 1st Edition, 1999. 7. http://www.solidworks.es/sw/mechanical-design-industries.htm 8. Planchard, M. P.; Planchard, D.C., Engineering Design with SolidWorks 2006, SDC Publications, 2005. 9. Steffen, R., Analysis of Machine Elements Using CosmosWorks Professional, SDC Publications, 2005. NOMENCLATURA EEES Espacio Europeo de Educación Superior CAE Computer Aided Design MEF Método de Elementos Finitos
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SISTEMA DE FORMACION INTERACTIVO PARA LA INTRODUCCION
EN EL MANEJO Y COMPRENSION DEL FUNCIONAMIENTO DE LAS
MAQUINAS Y PROCESO DE INYECCION J. Castany
(1), J. Fuentelsaz
(1), D.Mercado
(1), J.Aisa
(1), F.Serraller
(1), M.Muniesa
(1), A.Fernandez
(1),F.Mate
(2),
(1)TIIP Unidad Asociada al ICTP(CSIC) Universidad de Zaragoza, España
(2) AITIIP. Fundación aiTIIP. Zaragoza , España.
Área Temática: Formación
RESUMEN
La inyección de plásticos es una tecnología que implica a distintos actores: productores demateria prima, moldistas,
diseñadores y transformadores. La integración de todos ellos desde el principio del desarrollo es la única forma de
tener éxito en el desarrollo de un componente inyectado. En los últimos años el TIIP ha desarrollado un conjunto de
paquetes formativos , enfocados en su generalidad como juegos de rol en los que el usuario en base a sus
conocimientos toma determinaciones de condiciones de proceso en una maquina, o en un laboratorio,o en un molde
y en función de ello el sistema le conduce a una serie de situaciones que se aproximan o alejan del objetivo a
alcanzar como pueden ser peso de pieza opresión mínima de proceso, ciclo mínimo etc etc.
En este articulo se describen el conjunto de las herramientas desarrolladas específicamente para entender el
funcionamiento de una maquina de inyección.
Los programas tienen un carácter muy abierto y pueden ser utilizados tanto por estudiantes universitarios como por
estudiantes de formación profesional como puede ser utilizado en formación continua en las empresas.
Se describen cuatro de ellos.
SIMMI. Para relacionar parámetros con movimientos de la maquina
SOMAR. Para entender el sistema hidráulico de las maquinas de inyección.
GUIA DE MOLDEO. Para el ajuste de los parámetros de plastificación.
IM-TUTOR Para relacionar los parámetros de maquina con el llenado del molde.
Mencionando que se dispone de otros programas orientados a la oficina técnica o a la de producción o de
laboratorio que quedan fuera del alcance de este articulo..
PALABRAS CLAVE: Inyección, Maquinas, Simulación, Formación.
INTRODUCCIÓN
La formación en una tecnología de transformación de plásticos como es la inyección es un tema complejo ya
que demanda conocimientos de distintas disciplinas. No se trata tanto de adquirir destrezas sino comprender como se
relacionan en todo instante las distintas fenomenologías que conviven en el proceso de transformación.
Difícilmente un técnico en hidráulica y neumática podrá resolver un problema de inyección cuando el
operador ha realizado la configuración de parámetros sin base técnica del proceso, pero a su vez un técnico de
proceso debe comprender el funcionamiento de los subsistemas hidráulicos y neumáticos que gobiernan la máquina
para comprender si ese ciclo teórico que comprende es ideal para la calidad de la pieza la maquina lo podrá dar
función de su estructura y sistema de control hidráulico.
Existen en el mercado distintos paquetes formativos alrededor de esta tecnología ,PICAT(3) sistema
formativo con una excelente colección de audiovisuales formativos, Paulson(2)con una excelente colección de
videos sobre las destrezas a desarrollar en las distintas operaciones que se realizan en inyección , hay además
distintas tentativas de autores individuales que han desarrollado programas formativos sobre aspectos particulares así
JJ Marques(1) presenta un trabajo de un entorno virtual de cálculos de proceso optimo.
¿Cuál es la diferenciación del sistema desarrollado y su propósito?. La convivencia con un sin numero de
empresas en los últimos años ha permitido constatar como la presión productiva con objeto de obtener el rendimiento
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en una planta de inyección hace muy difícil establecer un proceso racional basado en el conocimiento teórico
técnico- científico y normalmente se basa en un empirismo histórico para resolver los problemas.
Las herramientas que aquí se presentan pretenden hacer pensar y adquirir el automatismo entre la
fenomenología que ocurre en el funcionamiento de las maquinas y su relación con las leyes que explican el
comportamiento real de la maquina y el proceso de inyección.
Se exponen a continuación cuatro problemáticas tipo que se pretende enfocar con estas herramientas para la
mejora del criterio del operador.
CASUISTICAS TIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE LAS MAQUINAS DE INYECCION.
Si se describen las fases de un ciclo de inyección y se asocian al funcionamiento de la máquina de inyección
se obtiene este cuadro relacional.
Parámetros de control más importantes.
Fuerza de cierre Velocidad de llenado Cotas del husillo Caudal de aceite
Velocidad plato móvil Presión de llenado Velocidades del husillo Volúmenes de
aceite
Posiciones plato móvil Presión de
compactación
Presión especifica Presiones
hidráulicas.
Velocidad de expulsión. Tiempo de
compactación
R.P.M
Posiciones del expulsor. % de llenado Presiones.
Fuerza de expulsión
Herramientas desarrolladas
SIMMI INJECT GUIA MOLDEO SOMAR.
Maquina –cierre molde.-
funcionamiento global.
Relación maq-molde Relación maqu-mater. Relación maquina-
función
Fig 1. Esquema relacional- proceso- maquina simulación
Proceso de transformación
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En el diagrama se observan tres zonas diferenciadas la superior en la que describen los parámetros mecánicos
que se controlan con la maquina, los correspondientes a las dos casillas centrales corresponden al proceso propio de
transformación del material , las dos laterales son fases y estructuras de acondicionamiento y preparación.
En al zona central se muestra esquemáticamente la estructura de la maquina y la localización de los
subsistemas que la configuran.
En la zona inferior los programas desarrollados para cada casilla, responden a la casuística más importante
asociada a cada bloque.
SIMMI. Entender parámetros mecánicos y movimientos de la maquina.
IM-TUTOR. Parámetros de inyección y su repercusión en le llenado del molde.
GUIA DE MOLDEO. Parámetros del husillo u su influencia en la plastificación del material.
SOMAR. Relación entre hidráulica y funcionamiento de la maquina.
Todos ellos organizados como juegos de rol, no hay indicaciones sino consecuencias función de las
determinaciones tomadas.
SIMMI.
Al inicio del aprendizaje del funcionamiento de una maquina de inyección el tema que mas respeto infunde al
novato es la relación existente , entre los cuadros y parámetros que se pueden introducir en el control y el
funcionamiento de la maquina en su sistema de cierre y grupo de inyección.
Esta herramienta permite tanto al profesor en el momento de comentar y explicar esta relación como al
alumno familiarizarse con los controles y funcionamiento del grupo de cierre y de inyección , es un sistema digamos
sencillo y visual que rompe la distancia inicial entre la maquina y el futuro operario o responsable de producción .
Fig. 2. Pantalla central con botones para cada función.
Fig. 2. Pantalla de control fase de llenado volumétrico.
Fig. 3. Pantalla de control de cierre de molde
Fig. 4. Pantalla comparativa con control real MATEU.
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El programa o juego cubre la relación control – maquina de las funciones:
Inyección-Llenado Compactación Apertura molde Cierre molde Expulsión
Tabla 1. Fases del ciclo representadas en SIMMI.
En todas y cada una de ellas se eligen cotas de movimientos , velocidades y posibles presiones de actuación o
de retorno a tanque. Asi mismo se puede elegir secuenciación de cotas.
En el caso del llenado volumétrico se observa en función de las cotas elegidas la carencia del material o la
rebaba consecuencia del exceso.
En el caso del cierre de molde se hace hincapié en el ajuste de las cotas de seguro de molde .
Se observa y se comprende con su utilización cuales son los parámetros activos de funcionamiento y cuales
son de seguridad.
GUIA DE MOLDEO
Este programa incide en el ajuste de los parámetros en la fase plastificación. Normalmente este proceso tiene
unas reglas de funcionamiento mas empíricas que el resto de fases en que existen unos criterios técnico científicos
para el ajuste .
Este concepto de empirismo, bases de datos de fabricantes de materia prima, junto con los dos parámetros de
cálculo en cámara como la velocidad de husillo que da tanto la máxima cizalla aplicada al material como el tiempo
de residencia, y la temperatura final del material constituyen el sistema motor del programa.
Fig. 5. Visión general de los parámetros activos en azul.
En blanco parámetros de calculo
Fig. 6. Representacion de zona limite de degradación por
temperatura.
En la Fig. 5 que es la pagina central del programa se observa como en la persiana superior puede elegirse el
material a transformar, hay diversos semicristalinos y amorfo. El representado es una PA66.
Se muestran los botones de selección de las distintas temperaturas de proceso y de preparación del material,
así como las rpm de giro del husillo y la contrapresión en cámara.
En la persiana inferior se observan los distintos defectos que pueden aparecer en la colada consecuencia de
una defectuosa selección de parámetros. En el momento que la selección es correcta el sistema lo advierte.
En la Fig.6 se observa el cálculo del comportamiento a temperatura del material la zona roja es la limite a
alcanzar y la azul es la respuesta actual del material. Ello permite por aproximaciones sucesivas encontrar unos
parámetros adecuados de proceso.
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IMTUTOR.
Uno de los temas a nivel formativo claves para el responsable de inyección es comprender que el proceso
debe controlarse realmente en el molde y no en la maquina. Es curiosoo observar como aun en la actualidad existe
una gran cantidad de ajustadores de proceso que piensan que los parámetros que se establecen en la maquina tienen
su traducción directa en el molde. Obsérvense en al fig 7 dos imágenes correspondientes al llenado y presión al final
de llenado de un molde de dos cavidades con flujo descompensado.
Fig7. Llenado cavidad de dos figuras
Fig8. Distribución de presiones en el llenado..Cavidad
pequeña 690 bares, cavidad grande 200 bares de presión
media
Se observa como la cavidad grande necesita 0,3s mas que la pequeña para completar el llenado , ello significa
que mientras en maquina se está en fase de llenado en el molde se entra en fase de compactación en este intervalo de
tiempo.
Para ello el ajustador de proceso debe comprender la relación entre:
Fig9. Relación llenado de molde con condiciones de proceso.
El programa o juego virtual sitúa al alumno en la necesidad de llenar tres moldes de características distintas
controlando los parámetros principales de funcionamiento de una maquina de inyección descritos en la figura 9.
El motor de cálculo del sistema es una base de datos de las inyecciones simuladas , creada a partir de
simulaciones de MOLDFLOW , los valores intermedios se encuentran a partir de un ajuste por polinomios
Chebyschev.
A partir de esta información se representan 5 casuísticas de trabajo secuenciales, se corresponden con la Fig 9
de forma y manera que alumno no puede proseguir sino resuelve correctamente la anterior. Una vez ha comprendido
las relaciones del llenado con cada una de las variables que lo condicionan, puede abordar el problema multivariable
y encontrar para tres tipos de materiales distintos las condiciones óptimas de llenado para cada uno de los moldes que
se plantean.
Llenado del molde
Carrera del husillo
(c)
Presión limite de
llenado,( p)
Temperatura de la
colada, (T)
Fuerza de cierre Multivariable
p,T, c, Tm,t
Temperatura del
molde
(Tm)
Tiempo de inyección
(t)
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Fig 10. Pantalla Principal de trabajo Fig 11. Pantalla para selección de moldes.
La pagina principal del programa muestra a parte de las ventanas desplegables superiores correspondientes a
la zona de gestión del programa , la zona central donde se visualiza la maquina activa en cada inyectada con 4
resultados para juzgar la bondad de nuestra actuación.
Temperatura máxima del flujo.
Tiempo de solidificación.
% de llenado.
Cojín.
En la zona inferior se muestran los 6 parametros que el operador puede programar:
1.Carrera del husillo 2. Presión máxima de inyección. 3. Temperatura de la cámara.
4.Tiempo de llenado 5 Fuerza de cierre. 6 Temperatura de molde.
SOMAR.
Otro aspecto importante en la formación delos responsaables de inyeccion es conocer el funcionamiento
intrínseco de la máquina de inyección, en especial del sistema de tarnsmision de energia mecanica a traves
generalmente de sistemas oleo-hidraulicos y sus sistemas de control.
Para ello se ha construido el simulador SOMAR que visualiza los movimientos y sistema de gestion de la
máquina pero no de forma fija sino a través de los parametros que el operador aprendiz introduce en el programa.Se
observa la conecuencia de las decisiones y por un proceso de cambio error se planifican adecuadamente los
movimientos.
Logicamente todas las maquinas tienen logicas de control y sistemas de control distintos pero comprender el
funcionamiento de un sistema normal facilita en gran manera la comprensión de otro distinto.
Asi el operador se encuentra con 4 tipos de información a analizar
Pantalla general de control.
Circuito hidraulico.
Visualizacion de actuación del sistema hidraúlico.
Graficas de presión generadas.
Con esta información se comprende la logica y funcionamiento de los sistemas de apertura y cierre de molde,
plastificación , inyección y compactación.
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Fig 12. Sinoptico de los controles Fig 13. Control Grupo de cierre.
En la Fig 13 se observa el tipo de pantalla de establecimiento de parámetros de control , tal como se muestra
en la pantalla se muestran una serie de persianas para seleccionar la simulación del control, graficas de presiones y
circuito hidráulico.
Fig 14.Esquematización funcionamiento sistema hidráulico. Fig 15. Muestra de gráficas de presión.
La Fig 14 muestra el tipo de animación, circuitos en rojo significa activos en presión, las válvulas de tres
vías se mueven de forma que se advierte que paso es el que permite la actuación del fluido . Una onda envía la orden
de activación de las electroválvulas. La figura 15 muestra las graficas de presión hidráulica en distintos puntos del
circuito.
Tanto este programa como todos los anteriores están desarrollados en VISUAL BASIC.
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CONCLUSIONES
Estos sistemas interactivos de formación han sido utilizados en distintos niveles formativos con notable éxito.
Tienen dos tipos de uso;
A) Como ayuda a la labor docente del profesor en la impartición de las clases.
B) Como medio audiovisual de prácticas.
Su aplicación ha sido de mucha utilidad en la formación para diversos colectivos:
A) En cursos formativos de formación continua para operarios de empresa.
B) En asignaturas de Ingeniería Industrial especialidad Mecánica, Ingeniería Química e Ingeniería de
materiales.
C) En diversos MASTERES en los que el TIIP ha participado en los últimos años.
REFERENCIAS
1. Manual de mantenimiento METEOR 100. Matéu y Sole.
2. Manual de funcionamiento MOLDFLOW .
3. JJ. Marquez, M.Rodriguez, ”Nuevo entorno virtual para la enseñanza activa del ajuste de
Parámetros en el proceso de moldeo por inyección de termoplásticos” Resúmenes XVI Congreso de
Innovacion Educativa de Enseñanzas Técnicas, Cadiz, 2008. pp208.
4. Paulson Training Programs Inc. Injection molding.www.paulsontraining.com.
5. PICAT Plastics Process Simulation Software. www.traininteractive.com.
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ESPACIO DE ESTADOS EN LÍNEA PARA ESTA ERA TECNOLÓGICA DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
Arteaga Bouchan M. G.1, Benavides Guzmán M. E.2 Ibarra Quevedo R.3
Profesoras investigadoras del IPN
1 Ave. IPN 2119, Lindavista, D.F.México, ESIME IPN, [email protected] 2 Chiclayo 976,Lindavista,D.F. México, EST IPN, [email protected]
3 Santana 1000, San Fco. Culhuacan, ESIME IPN
Área Temática: E.31 Formación RESUMEN
Un sistema moderno automatizado posee muchas entradas y muchas salidas que se relacionan entre sí en una forma complicada. Para diseñar dichos sistemas, es necesario reducir la complejidad matemática, digamos a un modo compacto matricial y esto se logra con un enfoque de espacio de estados, el cual permite su aplicación más rápida en automatizaciones computarizadas. En esta era tecnológica de automatización industrial es imprescindible que el ingeniero que quiera hacer control de sistemas para que sean autónomos tenga las bases de espacio de estados para diseñar dichos sistemas.
La propuesta aquí mostrada, hecha por un equipo multidisciplanario, es una alternativa para la enseñanza de materias de ingeniería [1]. La metodologia consistió en: a) recopilación de información de la materia y temas complementarios, b) búsqueda de simuladores para computadora adecuados a la materia, c) definir aspectos pedagógicos y técnicos necesarios a la materia en línea, e) encuadre del curso, f) jerarquización de toda la información seleccionada a subir de la materia y hacer una corrección de estilo, g) seleccionar la plataforma a usar, en este caso Moodle y h) montar el curso de espacio de estados en el campus virtual politécnico
Los cursos en línea no reemplazarán las clases en el aula, así como la radio no reemplazó a las noticias, ni la televisión reemplazó a la radio, i.e. todos se complementan.
PALABRAS CLAVE: Procesos, Automatización, en línea. ANTECEDENTES
Después de haber terminado el Diplomado: “Didáctica de la Ciencia y la Tecnología”, en el cual se reunieron profesores del IPN de diversas áreas y se trabajo colaborativamente entre todos haciendo diversas actividades a fín de lograr el conocimiento de la teoría y la práctica de diversas herramientas didácticas modernas que nos permitieron mejorar nuestra práctica docente; una inquietud que surgió en ese entonces fue el ¿cómo enseñar en esta era tecnológica las asignaturas de las diferentes carreras del politécnico bajo el entorno del Nuevo Modelo Educativo? De ahí surgió la idea de formar un equipo multidisciplinario para idear la forma de enseñar una materia de ingeniería.
HIPÓTESIS
Al estudiante de ingeniería de la ESIME, se le dificultan mucho las materias del área de control, debido a que se necesita que domine las matemáticas (Laplace, ecuaciones diferenciales, algebra matricial, etc) ya que control es la aplicación de las matemáticas en forma práctica. Por ello y de acuerdo con los medios tecnológicos actuales se
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presenta una alternativa para el aprendizaje de la materia de espacio de estados que trata de sistemas con multientradas/salidas. INTRODUCCIÓN
La materia de espacio de estados del séptimo semestre de la carrera de ingeniero en comunicaciones y electrónica, trata sobre temas del área del control avanzado, y esta soportada por una fuerte base matemática, de ahí que sea considerada como una de las materias “difíciles” de la carrera, por ello se pretende hacer un curso en línea sobre dicha asignatura para que el alumno pueda tener una opción extra para su aprendizaje, el objetivo de este curso en linea es que sea de unidades autosuficientes y que contengan simuladores para un mejor aprovechamiento global. Para ello se propone el uso de la plataforma moodle. MARCO TEÓRICO
Los fundamentos teóricos que rigen los criterios didácticos que deben cubrir los programas académicos y materiales educativos para la modalidad no presencial dentro del IPN, están claramente marcados en un documento con dicho nombre [4] y elaborado por la Unidad Politécnica para la Educación Virtual. METODOLOGÍA 1.- Recopilación de información de la materia y temas complementarios. 2.- Búsqueda de simuladores adecuados a la materia. 3.- Definir aspectos pedagógicos y técnicos necesarios a la materia en línea [2]. 4.- Encuadre del curso. 5.- Jerarquización de toda la información seleccionada a usar en la materia y hacer una corrección de estilo. 6.- Seleccionar la plataforma a usar, en este caso Moodle. 7.- Subir a la plataforma (campus virtual politécnico http://148.204.103.84/moodle/ ) todo el material del curso [3]. 8.- Informe de actividades.
Para los pasos anteriores se supone un total dominio de la materia teórico-práctico y de que se disponen de material impreso/digital suficiente para su enseñanza.
En el encuadre se ponen las actividades a realizar, la bienvenida al curso, los objetivos particulares y generales
del mismo, los productos esperados, la forma de evaluación y coevaluación a realizar. La jerarquización del material se pone de acuerdo a las ventajas proporcionadas por la plataforma moodle [5].
RESULTADOS
El curso en línea en la plataforma moodle ocuparía 10 bloques (uno para cada unidad) y quedaría de la siguiente manera. CURSO EN LINEA:
ESPACIO DE ESTADOS Tema 0
objetivo general Analizar y resolver sistemas MIMO con el modelo de Espacio de Estado Foro de Noticias Bienvenida_txt Para empezar: encuadre_ppt
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Documentos: Programa de la asignatura Espacio de Estados Calendario IPN 2009 Motivación 1: Hacerlo_ppt Lectura 0: Introducción al control_pdf Tutorial 0: manual del alumno de la plataforma moodle_pdf Psm 0: Automatización y robótica_pdf
Unidad I: Introducción a Sistemas Dinámicos y Espacio de Estados
objetivo particular Describir los principales conceptos de sistemas dinámicos, Algebra Vectorial y Matricial utilizados en el estudio de sistemas dinámicos Foro de Noticias 1 Desarrollo unidad I : Introducción a sistemas dinámicos y espacio de estados_word Enlace Web 1.1: Electronics related companies Lectura 1: Introducción a la robótica_pdf Tutorial A: Introducción al control digital_pdf Tutorial B: Evolución de la automatización_pdf Tutorial C: Introducción a técnicas digitales_pdf Psm 1: Dinámica 1 de sistemas_ppt Psm 2: Control básico_ppt Psm 3: Sistemas básicos_pdf Actividad 1.1: Individual Actividad 1.2: Individual y en equipo Cuestionario 1.1 Documento 1.1 Actividad 1.3: Foro “Cafetería” Actividad 1.4: Individual “Chat” Tarea 1.1
Unidad II: Modelo de Espacio de Estado
objetivo particular Explicar las principales formas de representación de modelos dinámicos de sistemas, y aplicarlas en simulaciones y prácticas de sistemas MIMO Foro de Noticias 2 Desarrollo unidad II: Modelo de espacio de estado_word Lectura 2: Principios generales de robótica_pdf Tutorial D: Introducción a sistemas muestreados_pdf Tutorial E: Signals & systems 1 Psm 4: Dinámica de sistemas_ppt Actividad 2.1: Individual Actividad 2.2: Individual y en equipo Cuestionario 2.1
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Actividad 2.3: Foro “Cafetería” Actividad 2.4: Individual “Chat” Tarea 2.1
Unidad III: Solución de la Ecuación de Estado
objetivo particular Emplear diferentes métodos de solución para la ecuación de estado de forma analítica y práctica mediante simulaciones en laboratorio. Foro de Noticias 3 Desarrollo unidad III: Solución de la ecuación de estado_word Lectura 3: Sistemas en tiempo real_ppt Tutorial F: Introducción a sistemas discretos_pdf Tutorial G: Signals & systems 2_pdf Psm 5: ABB automatización industrial_ppt Psm 6: PHAGSIM con matlab_ppt Actividad 3.1: Individual Actividad 3.2: Individual y en equipo Cuestionario 3.1 Documento 3.1 Actividad 3.3: Foro “Cafetería” Actividad 3.4: Individual “Chat” Tarea 3.1
Unidad IV: Análisis de Estabilida de Lyapunov
objetivo particular Analizar los principios de estabilidad mediante los criterios de estabilidad de Lyapunov, para interpretar la estabilidad mediante simulaciones. Foro de Noticias 4 Desarrollo unidad IV: Análisis de estabilidad de Lyapunov_word Lectura 4: Automata 1_ppt Lectura 5: Lectura 6: Simulación de evento.pdf Tutorial H: Análisis de sistemas discretos_pdf Tutorial I: Flexible modeling of manufacturing_pdf Psm 7: Sistemas de información_ppt Actividad 4.1: Individual Actividad 4.2: Individual y en equipo Cuestionario 4.1 Documento 4.1 Actividad 4.3: Foro “Cafetería” Actividad 4.4: Individual “Chat” Tarea 4.1
Unidad V:
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Observabilidad y Controlabilidad
objetivo particular Integrar los conceptos de observabilidad y controlabilidad, destacar su importancia en la teoría de sistemas y comprobar sus efectos en el cambio de coordenadas Foro de Noticias 5 Desarrollo unidad V: Controlabilidad y observabilidad_word Lectura 7: Autómata 2_ppt Lectura 8: PLCs 1_ppt Lectura 9: PLCs 2_ppt Tutorial J: Introducción a controladores contínuos_pdf Tutorial K: Sistemas Estócasticos_pdf Psm 8: Introducción al HMI_pdf Psm 9: Modelo de sistemas discretos_pdf Psm 10: Autómatas a distancia_ppt Actividad 5.1: Individual Actividad 5.2: Individual y en equipo Cuestionario 5.1 Documento 5.1 Actividad 5.3: Foro “Cafetería” Actividad 5.4: Individual “Chat” Tarea 5.1
Unidad VI: Retroalimentación Estática de las V. E.
objetivo particular Describir las ventajas y desventajas de retroalimentación estática de las variables de estado y hacer un análisis de la asignación de polos manteniendo la estabilidad del sistema Foro de Noticias 6 Desarrollo unidad VI: Retroalimentación estática de las v.e._word Enlace Web 2: Enalce Web 3: Automation Studio Lectura 10: Rdp y G_ppt Lectura 11: Redes de Petri y Grafcets_word Lectura 12: Modelado en automatización_ppt Tutorial L: introducción a Rdp_pdf Tutorial M: Rdes 2_pdf Psm 11: Introducción a modelo con perturbaciones_pdf Actividad 6.1: Individual Actividad 6.2: Individual y en equipo Cuestionario 6.1 Documento 6.1 Actividad 6.3: Foro “Cafetería” Actividad 6.4: Individual “Chat” Tarea 6.1
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Unidad VII: Observadores de Estado
objetivo particular Examinar las características de observadores de estado de orden completo y reducido, aplicados a sistemas de lazo cerrado Foro de Noticias 7 Desarrollo unidad VII: Observadores de estado_word Lectura 13: Simulación_ppt Lectura 14: Automation Studio Lectura 15: Introducción de sistemas automatizados_ppt Lectura 16: Etapas de un proyecto_ppt Tutorial Q: Introducción al PID digital_pdf Tutorial R: Introducción al ERP_word Tutorial S: Introducción al predictor Smith_pdf Psm 12: Inteligencia artificial_ppt Psm 13: Robótica a control remoto_pdf Psm 14: Redes neuronales artificiales_ppt Psm 15: Simulador de RNA_ppt Psm 16: Redes neuronales artificiales 2_ppt Psm 17: Fuzzy Control_ppt Documentos: Enlaces Web a Schneider, Texas Instruments, National Instruments y automationstudio Actividad 7.1: Individual Actividad 7.2: Individual y en equipo Cuestionario 7.1 Documentos: Aplicaciones Industriales de Shneider Documentos: Aplicaciones Industriales de Texas Instruments Documentos: Películas de AS_zip Actividad 7.3: Foro “Cafetería” Actividad 7.4: Individual “Chat” Tarea 7.1
Unidad VIII: Terminología usada en Automatización
¿ Qué términos se usan en automatización de sistemas ? Foro de Noticias 8 Desarrollo tema nueve: Terminología usada en automatización Lectura 17: Terminología control de Gieck_pdf Lectura 18: Instituto de Automática_pdf Tutorial T: Ubicación polos de transferencia_pdf Tutorial U: Análisis espectral_pdf Tutorial V: Transformada delta_pdf Tutorial W: Ubicación polos de estados_pdf Psm 18: Redes neuronales artificiales_ppt Psm 19: Lenguaje de control avanzado_pdf Psm 20: Technology of the future_pdf
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Actividad 8.1: Individual Actividad 8.2: Individual y en equipo Cuestionario 9.1 Actividad 8.3: Foro “Cafetería” Actividad 8.4: Individual “Chat” Tarea 8.1
Para saber más (Psm)
¿ Dónde puedo encontrar mayor información ? Foro de noticias Documentos: Ejercicios Documentos: Enlaces Web (ti, ni, as, rdp, Schneider, industrial companies) Documentos: Relax (Tim, ajedrez, invention, toons, Los ovnis de Hitler_word, Ingeniería de Sistemas el cerebro_ppt, inteligencia computacional_ppt) Documentos: Libros de control_pdf Documentos: Apuntes complementarios_pdf Documentos: Información de fabricante Actividad 9.1: Foro “Cafetería” Actividad 9.2: Individual “Chat” CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Aún cuando la educación en línea requiere de esfuerzos adicionales por parte del profesor y el desarrollo de habilidades distintas a las requeridas en un curso tradicional; tiene la ventaja de ser un canal adicional para educar y/o complementar la educación en el aula de clase. La propuesta aquí presentada se puede usar como una plantilla para elaborar cursos en línea para las materias de ingeniería del IPN. Los cursos en linea no reemplazarán las clases en el aula, así como la radio no reemplazó a las noticias, ni la televisión reemplazó a la radio. REFERENCIAS
1. Diaz, S., Juan Arturo; Sandía, Beatriz; Caligiore, C., Irene (2004). Diseño e implementación del curso en
línea “Ciencias I” de la carrera de licenciatura de la Universidad Nacional de Venezuela. 2. González O, Elvia; Gutiérrez G, Judith; Domínguez G, Patricia ESIT IPN .Metodología didáctica en
entornos virtuales de aprendizaje. 3. Castro Enrique (2004) Moodle: manual de usuario, una introducción a la herramienta base del campus
virtual de la Universidad de las Palmas Gran Canaria. 4. UPEV Unidad Politécnica para la Educación Virtual. (2007). Criterios didácticos que deben cubrir los
programas académicos y materiales educativos para la modalidad no presencial. 5. www.moodle.org
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APLICACIÓN DE HERRAMIENTAS DE E-LEARNING PARA
LA DOCENCIA EN GRANDES GRUPOS DE ALUMNOS
J. Echávarri Otero1, A. Díaz Lantada, D. Galindo Gallego, H. Lorenzo Yustos,
J.L. Muñoz Sanz, P. Lafont Morgado, J.M. Munoz-Guijosa, J. Muñoz García.
1DIM, Universidad Politécnica de Madrid, España. [email protected]
Área Temática: Métodos y Técnicas para la formación en Ingeniería Mecánica
RESUMEN
Entre los objetivos del Espacio Europeo de Educación Superior están la mejora de la calidad docente
y el fomento del aprendizaje activo y continuado de los alumnos. La implantación de acciones que
permitan alcanzar estos objetivos requiere un mayor seguimiento del proceso de aprendizaje para la
detección de problemas antes, durante y después de este proceso. Este trabajo del Grupo de
Innovación Educativa GIE-DIM está orientado a la mejora docente en las asignaturas impartidas por
la DIM. Se ha recopilado información a través de encuestas a los alumnos, de las que se desprende
que éstos tienen en general un interés muy dispar por la asignatura y por los conocimientos que en
ella se adquieren. En ellas se refleja un estudio poco regular de la asignatura y la inexistencia de
equilibrio entre la docencia teórica y práctica, ya que se valora esta última como escasa. Las
encuestas de profesores ponen de relieve dificultades ligadas al elevado número de alumnos, como son
la imposibilidad de prestar una atención personalizada y una dedicación semanal elevada a la
corrección de ejercicios. Para mejorar los aspectos mencionados, se ha preparado un sistema de
Autoevaluación de conocimientos de los alumnos, apoyado en herramientas de e-learning, orientado a
alcanzar mejor los objetivos formativos y conocer de manera individual y grupal la evolución del
grado de aprendizaje. Esta información continua resulta muy útil para el alumno, pero igualmente
para el profesor, como parte de la evaluación formativa. La plataforma Aulaweb, con cuyo entorno
están altamente familiarizados alumnos y profesores, ha sido la aplicación sobre la que se ha
implementado una experiencia piloto con una base de datos de cuestiones teóricas y prácticas y sus
claves de auto-corrección.
Un primer análisis permite observar la gran aceptación y participación del alumnado. Los profesores
aprecian una notable reducción de su carga de trabajo en la corrección de ejercicios y consideran
muy útil disponer de información en tiempo real del proceso de aprendizaje, con el fin de tomar las
decisiones apropiadas para alcanzar los objetivos de la asignatura. Además, transcurrido un tiempo
de utilización de la herramienta, los datos almacenados han permitido realizar un completo análisis
de la calidad de las pruebas de evaluación utilizadas, determinando la dificultad, discriminación y
eficacia de cada cuestión planteada.
PALABRAS CLAVE: Espacio Europeo de Educación Superior, e-learning, Aulaweb, Teoría de Máquinas y
Mecanismos (TMM).
INTRODUCCIÓN
La materia “Teoría de Máquinas y Mecanismos” (TMM) está muy consolidada a nivel mundial como
disciplina presente en los planes de estudios de las carreras de ingeniería [1]. En la Universidad Politécnica de
Madrid, el Grupo de Innovación Educativa GIE-DIM imparte esta asignatura en la titulación de Ingeniería Industrial,
durante el último semestre antes de la especialización.
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Se trata de una asignatura básica común para todos los alumnos, que supone el primer contacto con problemas
reales de Ingeniería Mecánica, desde un punto de vista del diseño básico y predimensionado de máquinas. Esta
materia debe servir a los Ingenieros especializados en Mecánica de Máquinas como punto de partida para abordar
todos los niveles de estudio de las máquinas. Al mismo tiempo, con ella se necesita proporcionar una visión
generalista a aquellos alumnos de Ingeniería Industrial que van a elegir otras ramas de ingeniería y por tanto no van a
seguir el resto de asignaturas citadas anteriormente.
La asignatura tiene alrededor de cuatrocientos alumnos, que reciben semanalmente cuatro horas de docencia
presencial en aula, repartidos en cinco grupos diferentes, a lo que se suman seis horas de laboratorio por semestre,
organizados en dieciséis grupos de alumnos. Los alumnos que asisten a ésta asignatura componen un grupo cada vez
más heterogéneo: algunos alumnos provienen de traslados de otras universidades españolas y de otros países
europeos, iberoamericanos, orientales, etc. Además, en el grupo de Teoría de Máquinas se integran alumnos de la
carrera de Ingeniero Industrial e Ingeniero Químico y alumnos titulados de diferentes carreras que cursan la
asignatura como Complemento de formación.
En este trabajo, el Grupo de Innovación Educativa GIE-DIM, presenta algunas acciones realizadas en TMM
con el objetivo de mejorar la calidad docente y fomentar el aprendizaje activo y continuado [2], como promueve el
Espacio Europeo de Educación Superior (EEES). La implantación de acciones que permitan alcanzar estos objetivos
requiere un mayor seguimiento del proceso de aprendizaje para la detección de problemas antes, durante y después
de este proceso [3].
DIFICULTADES Y NECESIDADES DETECTADAS
En los últimos cursos, se ha realizado un estudio sobre las dificultades y necesidades del alumnado para
mejorar el aprendizaje de la materia TMM, basado en las encuestas que Jefatura de Estudios realiza cada curso. La
figura 1 muestra algunos resultados de los tres cursos pasados, calificados en una escala 1-5, que permiten encontrar
algunos puntos fuertes y débiles de la asignatura. Se observa que existen pocas variaciones en la opinión de los
alumnos en los tres años recogidos, reflejo de una situación con escasos cambios, o con cambios de escasa
repercusión a juicio del alumnado.
Figura 1. Algunos resultados de las encuestas a los alumnos la asignatura.
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Cabe destacar que las encuestas indican que la asignatura se comprende sin necesidades adicionales a lo
ofrecido en el Centro y que los alumnos perciben coherencia entre la materia impartida y las pruebas y métodos de
evaluación. Se observa que el alumnado considera que los problemas ayudan a comprender la asignatura, a la vez
que reclaman la necesidad de hacer más problemas y no más clases teóricas. Por otra parte el estudio de los alumnos
es poco regular y los materiales de estudio se valoran como mejorables.
En paralelo, el estudio de las opiniones del colectivo de profesores de TMM sobre los aspectos a mejorar en la
docencia, permite llegar a la conclusión de que existen algunas dificultades ligadas al elevado número de alumnos y
a la diversidad de los mismos, como son la imposibilidad de prestar una atención personalizada a los estudiantes y la
excesiva dedicación de tiempo a la corrección de ejercicios y exámenes.
Para mejorar los aspectos mencionados, se ha preparado un sistema de Autoevaluación de conocimientos de
los alumnos apoyado en herramientas de e-learning, orientado además a alcanzar mejor los objetivos formativos y
conocer de manera individual y grupal la evolución del grado de aprendizaje. Esta información continua resulta muy
útil para el alumno, pero igualmente para el profesor, como parte de la evaluación formativa
IMPLANTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOEVALUACIÓN A DISTANCIA
La plataforma Aulaweb
El sistema informático Aulaweb [4] consiste en una plataforma de apoyo para alumnos y profesores, utilizada
actualmente para el seguimiento de muchas de las asignaturas de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). En
particular, se viene utilizando desde 2001 en la asignatura TMM.
La aplicación permite desarrollar tareas como la gestión y organización de los alumnos matriculados en la
asignatura, la comunicación telemática alumno-profesor, la puesta a disposición de los estudiantes de todo tipo de
material docente [5], la solicitud y entrega de trabajos y prácticas, o la configuración y realización de ejercicios de
autoevaluación.
En una asignatura con un elevado número de alumnos resulta muy útil la funcionalidad de Autoevaluación.
Mediante ella, se facilita a los profesores la creación de un banco de preguntas de la asignatura y la preparación de
ejercicios. Los alumnos pueden realizar y responder las cuestiones utilizando únicamente un ordenador conectado a
Internet. Aulaweb permite obtener en tiempo real la información individualizada sobre la evolución del aprendizaje
de los alumnos. De esta forma se guía al profesor en la toma de decisiones acertadas durante el proceso de
enseñanza-aprendizaje, que permitan alcanzar los objetivos de la asignatura y el fin último de mejorar la calidad
docente.
Existen otras plataformas [3] similares a Aulaweb, como es el caso de Moodle, que también sirven para
facilitar la gestión del gran grupo de alumnos, la transmisión de contenidos docentes y el aprendizaje de los alumnos.
Ambos sistemas presentan las siguientes ventajas como herramientas de e-learning:
- Facilidad para su aplicación a grupos de cualquier tamaño, ya que la principal actuación del profesor es la
elaboración de preguntas para la autoevaluación.
- Los alumnos pueden realizar los ejercicios a distancia, en las fechas indicadas por el profesor de la
asignatura.
- La aplicación permite la introducción de claves de corrección y proporciona al instante información a los
alumnos sobre los aciertos y errores en cada una de sus respuestas.
- Permite al profesor introducir orientaciones complementarias, que son proporcionadas al alumno tras su
respuesta, para aclararle dudas sobre las posibles respuestas, con el objetivo de potenciar la evaluación
formativa.
- Se puede dar un tiempo máximo de respuesta para cada pregunta, se pueden elegir preguntas específicas o
aleatorias, se puede seleccionar la dificultad de cada ejercicio, el método de puntuación, etc.
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- Es posible combinar preguntas teóricas y prácticas. La respuesta puede ser de selección entre múltiples
posibilidades, o bien una o varias casillas con datos de entrada en las que se soliciten resultados intermedios y
finales de un caso de interés a estudiar.
- El profesor recibe información sobre los resultados de cada alumno, en tiempo real y sin necesidad de
esfuerzo de corrección. También dispone de estadísticas generales de acceso al sistema, de resultados de cada
pregunta y de cada ejercicio de autoevaluación.
Puede decirse que Moodle permite realizar una configuración más completa y versátil que Aulaweb. En
cambio, se ha preferido emplear Aulaweb por disponer de todas las funcionalidades necesarias para llevar a cabo la
Auetoevaluación, a lo que se une su sencillo, intuitivo y amigable entorno, así como un importante soporte técnico en
la Escuela de Ingenieros Industriales. Además, cabe reseñar que los alumnos y profesores de la asignatura están
altamente familiarizados con el entorno de Aulaweb, ya que lo vienen usando con anterioridad. En cualquier caso, el
formato de elaboración de tests es fácilmente exportable desde Aulaweb a otras aplicaciones que se quieran utilizar
en el futuro.
Implantación piloto
Se ha realizado una implantación piloto de un módulo de autoevaluación a distancia en el curso 2008-2009.
Se comunicaron a los alumnos las actividades previstas relacionadas con las herramientas de e-learning introducidas
y los objetivos perseguidos con las mismas, así como los beneficios previstos de su uso. Cabe destacar los siguientes:
- Profundización en conceptos fundamentales de la asignatura impartida mediante la realización de ejercicios
durante el desarrollo de la asignatura.
- Mejora del material de estudio, favoreciendo la aplicación práctica de los aspectos aplicados en clase y
fomento del aprendizaje activo.
- Se promueve que la asignatura se estudie de manera más regular. Para ello se pueden establecer fechas de
realización en los ejercicios de autoevaluación.
- Se dispone de información sobre los conocimientos adquiridos, de gran utilidad para el alumno, pero
también para el profesor, como parte de la evaluación formativa. El conocimiento de lo que se sabe, se duda o
se ignora, se produce en tiempo real y sirve de ayuda y orientación al alumno, a la par que al profesor, quien
debe tomar las decisiones apropiadas en base a la información sobre la marcha del proceso educativo.
- Reducción de los recursos dedicados a la corrección de ejercicios, que permitan a los profesores dedicar más
tiempo a detectar, analizar e intentar ayudar a resolver los problemas de aprendizaje de los alumnos.
- El empleo de herramientas informáticas proporciona información objetiva que ayuda a ajustar la carga de
trabajo real del alumnado a los créditos ECTS establecidos para la asignatura.
- Se pueden obtener conclusiones acerca del progreso de los alumnos, de su interés por la asignatura, del
grado de motivación, las dificultades encontradas, etc.
- Idoneidad del número y tipo de preguntas de los cuestionarios: Índices de dificultad y de discriminación de
cada pregunta, eficacia, etc.
- Sistema de comunicación y digitalización de la información, ya que se permite al alumno a acceder a
materiales docentes, enviar trabajos, comunicaciones con los profesores y otros alumnos
En la prueba piloto más de trescientos alumnos matriculados en la asignatura realizaron las cerca de 120
cuestiones de selección simple propuestas. Los ejercicios se organizaron por temas, se establecieron de carácter
voluntario y no puntuaban en la nota final de la asignatura. La puesta en marcha de la plataforma se completó a falta
de un mes para el examen. La figura 2 muestra algunos ejemplos de preguntas propuestas.
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Figura 2. Ejemplos de preguntas del módulo de Autoevaluación.
Por medio del sistema informático Aulaweb, los alumnos tenían a su disposición una serie de preguntas tipo
test y de problemas cortos. Se recogió información relativa a los resultados individuales y grupales de los alumnos, a
la vez que se han realizaron encuestas sobre la implantación piloto de la autoevaluación.
A partir de los datos proporcionados por los medios de recogida de información anteriormente expuestos, se
pueden conocer los resultados de manera sencilla y rápida, dando lugar a conclusiones preliminares durante el
proceso de realización de la experiencia de e-learning, que permiten conocer las dificultades encontradas e introducir
las modificaciones necesarias durante su funcionamiento.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE LA EXPERIENCIA
Durante la primera semana de funcionamiento, y pese a ser fechas festivas, más de cincuenta alumnos se
conectaron para realizar ejercicios, alcanzándose un porcentaje de utilización en torno al 14% de alumnos y unas
2000 preguntas contestadas. Posteriormente, la figura 3 muestra el número de ejercicios realizados en intervalos de
cuatro días, hasta la fecha de examen de 23 de enero de 2009.
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Figura 3. Gráfica de ejercicios de autoevaluación de TMM realizados durante el mes de enero.
Otro aspecto a mencionar es que el porcentaje de alumnos presentados a examen resultó aproximadamente un
15% superior al de otros cursos, lo cual puede deberse, al menos en parte, a una mayor motivación de los alumnos
para el autoestudio.
Durante el empleo de ésta nueva herramienta se realizaron encuestas a los alumnos para conocer su opinión
sobre la misma. La figura 4 muestra sus respuestas en una escala 1-5, que resultan muy positivas en general, aunque
consideran que queda por mejorar la cantidad de material y su grado de organización, de manera que esta experiencia
previa se consolide.
Figura 4. Valoración de los alumnos sobre la experiencia piloto de Autoevaluación.
El profesorado valoró también de manera muy positiva la incorporación de herramientas de e-learning,
principalmente para su uso en la evaluación y control del aprendizaje, que permite una información continua de cada
alumno y del grupo, a pesar de su gran número. Los resultados de opinión de los profesores se reflejan en la figura 5.
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Figura 5. Valoración de los profesores sobre la experiencia piloto de Autoevaluación.
Pasado el periodo de realización de los ejercicios, se ha llevado a cabo un estudio objetivo los resultados de
las preguntas para conocer la calidad de las pruebas de autoevaluación. Para el análisis se eligen dos grupos de
alumnos en base a los resultados de una prueba: el grupo superior (los alumnos con mejores resultados) y el inferior
(los alumnos con peores resultados). Estudiando los aciertos de cada pregunta en cada uno de los dos grupos puede
conocerse las preguntas más fáciles, más discriminatorias y las más eficaces, así como las preguntas que presentan
incorrecciones en el enunciado. Para ello se han seguido los indicadores definidos por el ICE-UPM [6].
La figura 6 muestra los aciertos de los alumnos del grupo superior (AS) y del grupo inferior (AI) en las 120
preguntas planteadas. Con el número de aciertos totales y el número de veces que ha sido contestada se puede
calcular el índice de facilidad de cada pregunta. La relación entre los aciertos AS y AI define la discriminación de
cada pregunta, que resulta en general baja en la mayoría de las preguntas.
Figura 6. Aciertos de los alumnos del grupo superior (AS) e inferior (AI).
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En la figura 7 se refleja la relación facilidad-discriminación, de manera que resulta apropiado el
planteamiento general de las preguntas, puesto que las preguntas fáciles discriminan menos, y son las difíciles las
que sí separan a los AS de los AI.
Figura 7. Relación facilidad-discriminación de las preguntas planteadas.
CONCLUSIONES
Se ha llevado a cabo un estudio sobre la asignatura “Teoría de Máquinas y Mecanismos” impartida en la
Universidad Politécnica de Madrid. Una vez diagnosticada la situación de partida mediante encuestas a alumnos y
profesores, se ha considerado conveniente la introducción de un módulo de autoevaluación a distancia de los
conocimientos de los alumnos, como complemento a otras acciones.
Este sistema se ha implantado en la plataforma Aulaweb y ha tenido una gran aceptación por parte de los
alumnos, quienes lo han usado masivamente para conocer su nivel de conocimiento y su progreso en la asignatura.
Además, proporciona al profesor una valiosa información en tiempo real sobre los aspectos donde los alumnos
encuentran dificultades y el grado de consecución de los objetivos cognoscitivos de la asignatura.
Finalmente, se ha realizado la valoración objetiva de la calidad de las preguntas utilizadas para la
autoevaluación, mediante el análisis de los resultados de los alumnos del grupo superior (AS) y del inferior (AI), que
permiten obtener indicadores de facilidad y discriminación para cada pregunta.
REFERENCIAS
1. P.C. Warkant y D.S. Oreovicz, “Teaching Engineering”. McGraw-Hill, 1993
2. Munoz-Guijosa J.M. et al. “Adaptation of the subject <Machine Vibration and Noise> to the European Area of
Higher Education”. 12th IFToMM Word Congress, Besançon(Francia), 2007.
3. Gagne, R. M. y Briggs, L, “Planificación de la enseñanza”. México. Trillas, 1976.
4. García-Beltrán A., Martínez R. “Web assisted assessment in computer programming learning using AulaWeb”,
International Journal of Engineering Education, 22-5, 2006, ISSN:0949-149X.
5. Holzer S.M. y Andruet R.H., “Experiential learning in mechanics with multimedia”. Journal of Engineering
Education, 16, 2000, ISSN:0949-149X.
6. Contreras E. y Sánchez Núñez J.A., Instituto de Ciencias de la Educación de la Universidad Politécnica de
Madrid (ICE-UPM), “Curso superior de formación para la docencia universitaria, módulo III, “Didáctica
universitaria: planificación, metodología y evaluación”, 2008.
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LA INGENIERÍA MECÁNICA DURANTE EL SIGLO DE ORO Y SU
RELACIÓN CON EL RENACIMIENTO EN EUROPA
J.L. Muñoz Sanz1, J. Echávarri Otero
1, E. Bautista Paz
1, M. Ceccarelli
2, A. Díaz Lantada
1,
J.M. Munoz-Guijosa1, H. Lorenzo-Yustos
1, P. Lafont Morgado
1, P. Leal Wiña
1, J. Muñoz García
1
1DIM, Universidad Politécnica de Madrid, España. [email protected]
2LARM, Universidad de Cassino, Italia. [email protected]
Área Temática: Historia de la Teoría de Máquinas y Mecanismos – Formación en Ingeniería Mecánica
RESUMEN
Durante la Edad Moderna se inició en Europa un proceso de expansión de su influencia política y
cultural a grandes zonas geográficas, creándose imperios coloniales europeos que se han mantenido
hasta nuestros días. Uno de los catalizadores de este fenómeno fue el rápido desarrollo tecnológico
del Renacimiento. Parafraseando a Nebrija: “Siempre la Tecnología fue compañera del Imperio”.
Precisamente, la publicación de la Gramática Castellana de Nebrija en 1492 es considerada como el
inicio del Siglo de Oro en España, que es conocido por un gran auge de la literatura, las artes
plásticas y la música. Este esplendor cultural estuvo acompañado de un importante avance en
ingeniería y arquitectura, que aunque menos conocido, fue necesario para que durante gran parte de
los siglos XVI y XVII la Corona Española extendiera su imperio por cuatro continentes.
Durante el Siglo de Oro, la ingeniería mecánica tuvo un papel muy relevante, con novedosos
desarrollos de máquinas hidráulicas, molinos y maquinaria para la construcción, así como otros
ingenios de elevada utilidad. Muchas de estas máquinas se recogen en una enciclopedia anónima
escrita hacia 1570, denominada “Los Veintiún Libros de los Ingenios y las Máquinas”, a la que se
añaden otros tratados relevantes sobre máquinas de la época.
En este trabajo se recogen los avances en la creación y utilización de máquinas en el Siglo de Oro,
que en ocasiones alcanzaron unos niveles de sofisticación y complejidad muy elevados. Además de los
nuevos desarrollos, en esta época se realizaron revisiones de trabajos anteriores para mejorar la
capacidad, precisión y eficiencia de las máquinas preexistentes. En cambio, se reduce el interés por
otras máquinas menos prácticas como relojes o autómatas. Se analizan también las relaciones entre
las máquinas del Siglo de Oro y las debidas a los más brillantes y reconocidos autores del
Renacimiento Europeo, entre las que se aprecian numerosas similitudes.
PALABRAS CLAVE: Siglo de Oro, Corona Española, Renacimiento, Máquinas.
INTRODUCCIÓN
Puede decirse que los grandes imperios que se han sucedido a lo largo de la historia han tenido siempre su
base en una superioridad científico-tecnológica. Parafraseando a Nebrija [1]: “siempre la tecnología fue compañera
del imperio”. Durante la Edad Moderna, el rápido desarrollo tecnológico del Renacimiento fue decisivo para el
proceso de expansión de la influencia política y cultural de Europa hacia grandes zonas geográficas, creándose
imperios coloniales europeos.
La ingeniería materializa y aprovecha la tecnología existente en cada época, pone en valor los conocimientos
tecnológicos y los coloca al servicio de la sociedad creando realidades útiles. En particular, la ingeniería mecánica ha
tenido históricamente un papel muy relevante, como antecesora de otras ingenierías. Cada grupo humano vive un
nivel condicionado por el desarrollo de su ingeniería.
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El Siglo de Oro, que se inicia en 1492 con la Gramática Castellana del citado Nebrija, tuvo lugar durante un
periodo de gran esplendor de la Corona Española, que llegó a extender su Imperio por cuatro continentes: Ámérica,
África, Asia y Europa. Por lo que suele decirse que en los dominios del Rey Felipe II “no se ponía el Sol”. En esta
época, el gran auge de la literatura, las artes plásticas y la música se produjo en paralelo con un avance menos
conocido, aunque muy relevante, en el campo de la ingeniería y arquitectura [1, 2]. Las razones fundamentales de
esta escasa difusión son tres:
- Las “artes mecánicas” no han disfrutado tradicionalmente del prestigio social asignado a otras artes, sino
que se han considerado antes “oficios” que “artes”.
- El conocimiento tecnológico, en particular mecánico, puede tener un valor comercial, militar o estratégico,
que favorece que se trate como materia reservada y se limite su difusión.
- El etnocentrismo que toda cultura produce de forma natural, suele llevar a que no se aprecien en su justa
medida los logros ajenos.
Las actividades de ingeniería se vieron fuertemente incrementadas con la expansión del Imperio, conduciendo
a una escasez de profesionales cualificados al servicio de la Corona [3], como muestra una carta de Francés de Álava
dirigida a Felipe II en la segunda mitad del siglo XVI. Este hecho provocó la llegada a la Corte de notables
ingenieros de los países vecinos, favoreciendo el intercambio y la difusión de conocimientos sobre máquinas.
El interés estratégico de la ingeniería mecánica se muestra en la obra enciclopédica “Los veintiún libros de los
Ingenios y las Máquinas” [4], escrito en torno a 1570. Su autoría es desconocida y se ha investigado extensamente
durante las últimas décadas. Inicialmente se atribuyó al conocido Juanelo Turriano, inventor y constructor de un
célebre ingenio en Toledo para elevación de agua. Actualmente la hipótesis más aceptada es la existencia de varios
co-autores, siendo uno de los principales Pedro Juan de Lastanosa [5, 6]. Entre las personalidades destacadas de la
comunidad de ingenieros de la época, cabe destacar a Jerónimo de Ayanz y Beaumont, quien presentó una extensa
actividad de invención de máquinas [7]. En 1606 consiguió un privilegio de invención (patentes) por más de
cincuenta ingenios [8], una vez que los científicos más prestigiosos del Reino comprobaran la utilidad, el correcto
funcionamiento y el método, rigurosamente científico, en el que estaban basadas todas sus obras. Al mismo tiempo,
la difusión de la técnica se produce a través de manuscritos, en muchas ocasiones fruto del testimonio de autores
desconocidos y no muy apreciados en su época. Una muestra de ello es un ejemplar único escrito por Francisco
Lobato [9], vecino de Medina del Campo, que en menos de cuarenta páginas, recoge apuntes de tecnología desde
1547 hasta 1585.
Los principales accionamientos de las máquinas de este periodo son las corrientes de agua, la acción del
viento, la fuerza de la gravedad o la tracción animal. Destacan las máquinas para elevación de agua, múltiples tipos
de molinos, grúas para elevar cargas, y otros muchos ingenios de utilidad en su contexto histórico. En cambio, decae
el interés en máquinas menos prácticas, como relojes o autómatas [10, 11, 12].
En este artículo se presentan algunas reflexiones sobre la importancia de la ingeniería mecánica durante el
Siglo de Oro, resaltando las principales máquinas y mecanismos desarrollados. A la vez, se relacionan estos ingenios
con otras máquinas similares surgidas en el Renacimiento en Europa [13]. De esta manera, se hace evidente que las
culturas cercanas, en la distancia y en el tiempo, tuvieron una importancia relación con las máquinas conocidas y
utilizadas durante el Siglo de Oro.
LAS MÁQUINAS PARA ELEVACIÓN DE AGUA
Las creaciones para elevación de agua durante el Siglo de Oro incluyen principalmente aplicaciones para el
abastecimiento y para el achique de agua en minas o embarcaciones [11]. Se utilizan nuevas máquinas, pero también
revisiones de trabajos precedentes, incluyendo mejoras de capacidad, precisión y eficiencia.
La figura 1 muestra máquinas de accionamiento hidráulico basadas en el Tornillo de Arquímedes, un
dispositivo empleado desde la Antigüedad. La ilustración 1.a muestra un “ingenio de husillo” de Francisco Lobato
[9], en el que el tornillo está impulsado por una rueda dentada. La figura 1.b presenta un diseño más elaborado,
perteneciente a “Los Veintiún Libros”, que está compuesto por cuatro tornillos movidos por un eje común, lo que
permite incrementar la capacidad de elevación de agua.
La figura 2 recoge algunas bombas similares a las de Ctesibius [1]. Éstas se dividen en varios compartimentos
idénticos que bombean por turnos agua hacia un depósito, consiguiendo un caudal elevado y relativamente uniforme.
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La mostrada en la ilustración 2.a es de Jerónimo de Ayanz y se usaba para el achique de agua en barcos, mientras la
de la figura 2.b pertenece a “Los Veintiún Libros”, donde se describe detalladamente no sólo su funcionamiento, sino
también la importancia de las correctas dimensiones de algunos de sus componentes.
La recuperación y análisis de trabajos previos es muy común en el Renacimiento [13], como muestran otras
representaciones del Tornillo de Arquímedes (figura 3.a), realizado por Daniele Barbaro en 1584. La evolución de
las bombas ctesíbicas también está recogida en máquinas del Renacimiento Europeo. En su brillante “Trattaro di
architettura, ingegneria e arte militare” (1484), Francesco Di Giorgio incluye por ejemplo la bomba de la figura 3.b.
a. b.
Fig. 1. Máquinas basadas en el Tornillo de Arquímedes, a. De Francisco Lobato, b. De “Los Veintiún Libros”.
a. b.
Fig. 2. Bombas ctesíbicas, a. De Jerónimo de Ayanz, b. De “Los Veintiún Libros”.
a. b.
Fig. 3.a. Tornillos de Arquímedes por Daniele Barbaro, b. Bomba de Francesco di Giorgio.
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Entre los diseños más ingeniosos realizados en España cabe resaltar el inmenso artilugio para elevación de
agua de Juanelo Turriano. Comenzó a prepararse en 1565, con la finalidad de mitigar la necesidad de agua en
Toledo, subiendo 12400 litros de agua al día, hasta una altura de aproximadamente cien metros de desnivel, desde el
río Tajo hasta los depósitos del Alcázar. Una vez construido, este sistema no sólo funcionó, sino que además
permitió elevar más caudal del previsto.
Los distintos documentos de la época y estudios posteriores han permitido una reconstrucción aproximada del
ingenio mecánico, recogido en la figura 4.a [14], según Ladislao Reti (1967). El accionamiento es hidráulico,
mediante dos ruedas de paletas. La primera de ellas mueve un mecanismo con una noria que eleva el agua unos
metros y la conduce hasta un depósito. La segunda rueda emplea otro mecanismo, tipo biela-manivela, para el
movimiento oscilatorio de los sistemas verticales, denominados torretas, que permiten elevar el agua del depósito a
presión atmosférica. Las torretas contienen un conjunto de cucharas articuladas y de cazos, que elevan el agua de
forma escalonada, gracias al movimiento de vaivén de las cucharas. Al llegar a la posición superior, el agua se
conduce a la siguiente torreta y continúa hasta llegar a la altura deseada [15].
Una torre similar a la empleada por Juanelo, puede encontrarse en el extenso catálogo de máquinas
denominado “Le diverse et artificiose machine del Capitano Agostino Ramelli” (1588). La figura 4.b muestra esta
obra de Ramelli [16], cuyo accionamiento hidráulico mueve dos engranajes, transmitiendo el movimiento a una torre
con un sistema de elevación de agua por etapas, usando un método similar al del ingenio de Juanelo.
a. b.
Fig. 4. Reconstrucción del ingenio de Juanelo para abastecer de agua a Toledo en el siglo XVI,
a, por Ladislao Reti, b. Máquina hidráulica de Ramelli.
LOS MOLINOS DURANTE EL SIGLO DE ORO
Los tratados del Siglo de Oro de las Máquinas incluyen numerosos molinos [17], cuya importancia fue vital
para varios sectores industriales y agrícolas. Por ejemplo, el trigo y el aceite eran alimentos básicos de la población
originaria de los imperios ibéricos. Además, la puesta en explotación en ultramar de la caña de azúcar necesitó de
máquinas de molienda. Estos ingenios estuvieron ligados también a la minería colonial.
Se utilizaron algunos molinos simples, muy difundidos, como los dos mostrados en la figura 5, cuyo
accionamiento es hidráulico. En la representación 5.a se incluye uno de “Los Veintiún Libros”, mientras en la 5.b se
muestra un molino flotante de Jerónimo de Ayanz. Ambos diseños son bien conocidos en la Europa del
Renacimiento, como muestran las representaciones de la figuras 6, realizadas por Mariano di Jacopo [13]. Este autor,
más conocido como Mariano il Taccola (1382-1458), fue uno de los primeros profesionales cuya actividad principal
estuvo concentrada en el desarrollo de máquinas. Fue muy bien considerado y estudiado por sus sucesores, entre los
que destaca el brillante Francesco Di Giorgio, en quien, a su vez, se inspiró el genial Leonardo da Vinci.
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Fig. 5. Molinos de escasa compeljidad, a. De “Los Veintiún Libros”, b. De Jerónimo de Ayanz.
Fig. 6. Molinos de Mariano di Jacopo (il Taccola).
Además de los diseños más comunes, se realizan molinos que mejoran los pre-existentes y aumentan su
productividad, para su utilización proto-industrial [18]. La figura 7.a, perteneciente a “Los Veintiún Libros”, junto
con la 7.b, de Jerónimo de Ayanz, muestran evoluciones para la realización de varios trabajos en paralelo con una
misma máquina. La figura 7.c, que pertenece a “Los Veintiún Libros”, muestra un ingenio semi-automático para
realizar las operaciones de corte y molido de la caña de azúcar. Esta evolución en la complejidad y capacidad se
aprecia también en el entorno europeo, como recoge la figura 7.d, realizada por Jacobus Strada [19] en su trabajo
“Kunstliche Abrís allerhand Wasser - Wind Rosz- und Handt Muhlen” de 1617.
En esta última ilustración, se observa además la optimización del diseño de las paletas de la rueda para
mejorar el rendimiento de la máquina. La búsqueda de mayor eficiencia aparece también reflejada por ejemplo en la
obra “Los Veintiún Libros”, donde se discute ampliamente sobre la eficiencia de diferentes tipos de ruedas
hidráulicas y de la dirección más apropiada del caudal incidente.
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Fig. 7. Ilustraciones de molinos, a. De alta productividad, de “Los Veintiún Libros”, b. De Jerónimo de Ayanz,
c. Semi-automático para caña de azúcar, de “Los Veintiún Libros”, d. De Jacobus Strada.
LAS GRÚAS PARA LA ELEVACIÓN DE CARGAS
Las grandes obras de arquitectura que se realizan durante el Imperio Ibérico requieren de máquinas de
elevación, muchas de las cuales se atribuyen a Juan de la Herrera [11], para la construcción del Monasterio del
Escorial. Las grúas de las figura 8.a y 8.b son dos ejemplos incluidos en “Los Veintiún Libros”, las cuales no se
diferencian demasiado de las diseñadas en la época renacentista, mostradas en las figuras 8.c y 8.d. La figura 8.c es
debida a Daniele Barbaro y está basada en los comentarios del libro de Vitruvio “De Architectura”, escrito en la
Antigüedad [20]. La ilustración 8.d pertenece a la colección de Antonio Da Sangallo [13], que data de 1526
aproximadamente.
a. b. c. d.
Fig. 8. a, b. Grúas para elevación de cargas de “Los Veintiún Libros”,
c. Elevador de Vitruvio, por Daniele Barbaro, d. Grúa de Antonio da Sangallo.
b.
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OTRAS MÁQUINAS DE LA ÉPOCA
Pueden encontrarse muchos más ejemplos de máquinas desarrolladas en el Siglo de Oro, que evidencian una
tipología y un diseño muy similar a otros trabajos del Renacimiento. Basta comparar las máquinas para hincar pilotes
de la figura 9, los ingenios para limpieza de la ilustración 10 y las prensas de viga de la figura 11. Las figuras 9.a,
10.a y 11.a pertenecen a “Los Veintiún Libros”. La figura 9.b pertenece a “Le machine” [21] de Giovanni Branca
(1629). Las 10.b y 11.b son del trabajo de Vittorio Zonca titulado “Novo teatro di machine et edificii“ [22], de 1607.
a. b. Fig. 9. Máquinas de hincar pilotes, a. De “Los Veintiún Libros”, b. De Giovanni Branca.
a. b. Fig. 10. Máquinas para lavado, a. De “Los Veintiún Libros”, b. De Vittorio Zonca.
a. b. Fig. 11. Prensas de viga, a. De “Los Veintiún Libros”, b. De Vittorio Zonca.
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CONCLUSIONES
Dentro de la inquietud intelectual del Siglo de Oro, cabe destacar la contribución de las obras de difusión,
principalmente “Los Veintiún Libros”, las patentes de Jerónimo de Ayanz y otros tratados más modestos. El carácter
recopilatorio de todos ellos, permite conocer las máquinas empleadas en diferentes ámbitos para tareas prácticas.
Durante este periodo, la ingeniería mecánica tuvo un papel muy relevante, con novedosos desarrollos de máquinas
hidráulicas, molinos y maquinaria para la construcción, así como otros ingenios de elevada utilidad. Estos desarrollos
están en línea con muchas otras destacables obras sobre máquinas pertenecientes al Renacimiento, que en muchos
casos tienen su origen en la revisión e interpretación de trabajos de la Antigüedad.
La difusión del conocimiento sobre máquinas de la época resultó, sin duda, muy valiosa para todos los
ingenieros de la Corona, con el objetivo de optimizar las tareas cotidianas. Se incluyen completos comentarios sobre
su funcionamiento y su construcción, y las detalladas figuras dan una idea del tamaño y potencia de muchas
máquinas. Además, en algunos casos se realizan comparaciones entre máquinas y se comentan las ventajas e
inconvenientes de diferentes diseños alternativos.
REFERENCIAS
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Springer (Libro en imprenta), 2009.
2. García Tapia N, “Ciencia y Técnica en la España de los Austrias. Una visión desde la perspectiva de las
investigaciones actuales”. Cuadernos de Historia Moderna, Editorial Complutense, Madrid, 1994.
3. Echávarri J, Díaz A, Muñoz JL, Ceccarelli M, Bautista E et al., “The Twenty-One Books of Devices and
Machines: An Encyclopedia of Machines and Mechanisms of the 16th
Century”, International Symposium on
History of Machines and Mechanisms HMM2008, Tainan (Taiwan), 2008.
4. Anónimo “Los Veintiún Libros de los Ingenios y las Máquinas”, Reeditado en español e inglés por la
Fundación Juanelo Turriano; Madrid, BNE; Doce Calles, 1996.
5. García Tapia N, “Pedro Juan de Lastanosa y Pseudo Juanelo Turriano”, 1988.
6. García Tapia N, “En Defensa de Lastanosa”. Revista de Obras Públicas, 1990.
7. García Tapia N “Un Inventor Navarro. Jerónimo de Ayanz y Beaumont (1553-1613)”. Departamento de
Educación y Cultura de Pamplona, 2001.
8. García Tapia N, “Patentes de invención españolas en el Siglo de Oro”, Ministerio de Industria y Energía, 1990.
9. García Tapia N, García Diego JA, “Vida y Técnica en el Renacimiento: Manuscrito de Francisco Lobato, de
Medina del Campo, en el siglo XVI”, Valladolid: Secretariado de publicaciones, Universidad, 1990.
10. Goicolea Zala J, Azudes, molinos y otros aspectos de “Los Veintiún Libros de los Ingenios y Máquinas”,
Revista de Obras Públicas, 2000.
11. García Tapia N, Carrillo Castillo J, “Tecnología e Imperio. Ingenios y leyendas del Siglo de Oro. Turriano,
Lastanosa, Herrera, Ayanz”, Nivola, 2002.
12. García Tapia N, Técnica y poder en Castilla durante los siglos XVI y XVII, Consejería de Cultura y Bienestar
Social, 1989.
13. Ceccarelli M, “El Renacimiento de las maquinas: primer desarrollo de la ingeniería mecánica moderna”. Sesión
invitada del Congreso de Historia del Patrimonio e de la Ingeniería, Las Palmas, 2006, pp.3-26.
14. Reti L, “El artificio de Juanelo en Toledo”, Diputación provincial de Toledo, 1967.
15. Bautista E, Muñoz JL, Leal P, The dancing machine: the secret of raising the water uphill, Proceedings of the
International Symposium on History of Machines and Mechanisms HMM2000, Kluwer Academic Publishers,
2000.
16. Ramelli A, “Le diverse et artificiose machine”, 1588.
17. Instituto Cervantes, “Felipe II: los ingenios y las máquinas: ingeniería y obras públicas en la época de Felipe II”,
Libro de la Exposición, 1998.
18. Keller AG, Silva Suárez M, “Protoindustria: una perspectiva desde Los Veintiún Libros de los Ingenios y
Máquinas, Técnica e ingeniería en España. I el Renacimiento”, 2004.
19. Strada J, “Kunstliche Abrís allerhand Wasser - Wind Rosz- und Handt Muhlen”, 1617.
20. Vitruvio PM. De architectura. Publicado por Fra Giocondo, Verona, 1511.
21. Branca G, “Le machine”, 1629.
22. Zonca V, “Novo teatro di machine et edificii per uarie et sicure operationi”, Padua, 1607.
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EL PROCESO DE LA INVENCIÓN, UNA ASIGNATURA DISEÑADA PARA MEJORAR EL PENSAMIENTO CREATIVO
Boccardo R.1, Lloveras J.2
1 Dpto. Mecánica, Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela, [email protected] 2 Dpto. Proyectos, Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona, España, [email protected]
Área Temática: Formación
RESUMEN
La innovación consiste en la producción de ideas útiles y novedosas, es decir, ideas creativas que lleguen a ser aplicadas y comercializadas con éxito. La idea creativa es sólo una parte pequeña del esfuerzo necesario para la innovación, no obstante es de importancia vital, ya que sin ella por más esfuerzo que se haga, no existirá la innovación. Los problemas reales rara vez están completamente estructurados, o vienen enunciados de antemano. Es necesario ubicarlos, comprenderlos, entenderlos, es decir definirlos; plantear diferentes caminos a fin de poder seleccionar el más adecuado, y para ello es necesaria una actitud abierta a las nuevas situaciones que se presenten; es necesario desarrollar el sentido de la oportunidad, para así despertar la iniciativa, que resulta una característica extremadamente necesaria para el logro del desarrollo del país. Se hace necesario lograr en nuestros estudiantes el desarrollo de una actitud creativa que les permita proponer soluciones creativas, que luego del trabajo adecuado podrán convertirse en innovaciones. Este trabajo está orientado a presentar una propuesta que contribuya a fomentar en los estudiantes una actitud creativa, al proporcionarle herramientas conceptuales firmes, susceptibles de ser aplicadas en cualquier campo del conocimiento. En este sentido, se desarrolló una asignatura optativa del plan de estudios de Ingeniería Mecánica e Ingeniería de Materiales de la Universidad Simón Bolívar orientada a estos fines, lo cual permitió realizar un ensayo a estos grupos de estudiantes, con el fin de estudiar el cambio cuantitativo en su nivel de creatividad, mediciones estas realizadas con ayuda del instrumento “CREA, una medida cognitiva de la creatividad”. Como principal resultado, y con ayuda de análisis estadísticos, se logró establecer las comparaciones pertinentes al aumento del potencial creativo registrado en los estudiantes del curso, “El Proceso de la Invención”.
PALABRAS CLAVE: Innovación, Creatividad INTRODUCCIÓN
Los planes de estudios en las ingenierías de nuestras universidades están orientados a la resolución de problemas, están orientados para “llevar a cabo”, es decir, “para hacer”. En cada una de las asignaturas se presentan los conceptos que permiten al estudiante aprender a resolver problemas técnicos del área de experticia que cursan, y estos conceptos son evaluados generalmente por medio de exámenes o proyectos, que involucran su aplicación en la resolución de problemas previamente estructurados por el docente, a fin de verificar y garantizar el aprendizaje de estos contenidos. Ahora bien, esto es necesario pero no suficiente, es necesaria además una actitud abierta ante las nuevas situaciones que constantemente se presentan en un mundo cambiante y competitivo como lo es el actual, se hace necesario fomentar en nuestros estudiantes una actitud orientada a proponer soluciones creativas que puedan, eventualmente convertirse en innovaciones propias y adecuadas a las necesidades regionales y globales. Como antecedente es válido mencionar el curso “fase creativa” [1] desarrollado en el Departamento de proyectos de la Universidad politécnica de Cataluña, en Barcelona España y orientado a los programas de maestría y doctorado en ingeniería.
Entendiendo el concepto de innovación como el proceso en el cual a partir de una idea, invención o reconocimiento de una necesidad se desarrolla un producto, técnica o servicio útil hasta que sea comercialmente
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aceptado [2] [3], se puede aseverar la importancia fundamental de la producción de la idea como punto inicial, que conducirá al producto o al proceso al mercado con éxito.
La principal motivación de este trabajo es proporcionar un acercamiento a la comprensión de los procesos de pensamiento creativo conducentes a la invención como componente fundamental del proceso de innovación. Con ello, se pretende plantear como hipótesis de trabajo, que el conocimiento de los conceptos relacionados con el pensamiento creativo, proporcionan un aumento en el potencial creativo de las personas.
Se propone el diseño curricular de una asignatura electiva cuyo objetivo principal es proporcionar los conocimientos conceptuales relacionados con el pensamiento creativo, a grupos de estudiantes de Ingeniería Mecánica e Ingeniería de Materiales de la Universidad Simón Bolívar en Caracas Venezuela, con el fin estudiar el cambio cualitativo y cuantitativo en su nivel de creatividad, mediciones estas realizadas con ayuda del instrumento “CREA, una medida cognitiva de la creatividad”.
MARCO REFERENCIAL
La Fig. 1 muestra un esquema conceptual de las relaciones existentes entre cada uno de los tópicos que
serán desarrollados en la asignatura electiva mencionada anteriormente. La innovación produce y es producto de los cambios, y por ello, se hace necesario estudiar la naturaleza del cambio para entender las relaciones existentes. A su vez, la innovación, definida como el éxito en el mercado de una idea, se nutre de una serie de herramientas orientadas a la búsqueda de oportunidades, o espacios para innovar, la prospectiva tecnológica intenta modelar las tendencias de la tecnología, y la vigilancia tecnológica está orientada a la información adecuada y pertinente necesaria para la toma acertada de decisiones.
Desde esta perspectiva, la creatividad representa una herramienta para la innovación orientada a la producción de soluciones útiles y novedosas, y su producto son las invenciones en el caso de la técnica, los descubrimientos en la ciencia, y las creaciones en el arte. Para materializar estas soluciones es necesario el uso adecuado del conocimiento, es decir, la capacidad de lograr combinaciones y relaciones nuevas, y ello es la inteligencia. Todo esto es posible gracias al proceso natural que produjo el ser humano y su cerebro, el cual es el órgano que estructura el pensamiento humano.
Herramientas orientadas a la búsqueda de oportunidades
InnovaciónCambio Es necesaria para afrontar
Prospectiva
Vigilancia Tecnológica
Creatividad
Herramientas del proceso de innovación
Herramientas orientadas a la producción de soluciones
Produce los cambios
Incentivan la innovación
Invención
Innovación es un invento con éxito económico
DescubrimientoCienciaTécnica
conducen
Es necesaria para
OriginalidadUtilidad
Inteligencia
Es necesaria para
Uso del conocimiento
Cerebro
Todo se elabora en el cerebro
Pensamiento humanoÓrgano del
EvoluciónProdujo
Es necesaria para
Facilitan
Fig. 1 Esquema conceptual de las relaciones entre los temas tratados en la asignatura electiva “El Proceso de la Invención”
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Todos estos tópicos estructurados y relacionados sirven de base para establecer la temática desarrollada en la asignatura electiva diseñada para este estudio.
DISEÑO
Luego de la extensa revisión bibliográfica necesaria, y considerando la hipótesis principal de este trabajo,
según la cual es posible aumentar la creatividad conociendo los conceptos relacionados con la creatividad y el pensamiento creativo, se diseñó y desarrolló el programa académico correspondiente a la asignatura electiva, “El Proceso de la Invención”, para las carreras de Ingeniería Mecánica e Ingeniería de Materiales de la Universidad Simón Bolívar, con tres unidades créditos, equivalentes a tres horas de clase teóricas y una hora de clase de práctica semanales, para un total de 48 horas al trimestre.
Este programa engloba los siguientes objetivos: contribuir a la comprensión del proceso creativo desde el punto de vista sistémico; desarrollar habilidades en el uso de las técnicas del pensamiento efectivo en la solución de problemas; comprender cómo el conocimiento de la estructura del pensamiento ayuda de manera efectiva al mejoramiento del proceso creativo; y entrenamiento en el lenguaje interdisciplinario. El contenido de esta asignatura se encuentra en la Tabla 1.
Tabla 1. Contenido del curso “El Proceso de la Invención”
Tema Descripción
El Cambio La naturaleza del cambio, prepararse para en cambio. Inteligencia Conceptos de inteligencia. Modelos que explican la inteligencia humana:
inteligencias múltiples, inteligencia emocional, inteligencia exitosa, inteligencia desde el punto de vista conductual.
Creatividad Conceptos de creatividad. Originalidad – creatividad e innovación. Modelos que explican la creatividad: Wallas, Guilford, Koestler, Torrance, Csikszentmihalyi, Amabile, Serendipia. Frenos a la creatividad. Impulsores de la Creatividad.
Fisiología del cerebro humano
Evolución natural. Sistema Nervioso Central, Sistema Nervioso Periférico, Cerebro Derecho, Cerebro Izquierdo, La Neurona como célula responsable de los procesos cerebrales, la Memoria.
Pensamiento humano Modelos de representación del pensamiento humano: Imaginación Aplicada, A. Osborn, Los Mundos 1, 2 y 3 de Popper, Ideas sólidas, líquidas y gaseosas, Aproximación Sistémica del pensamiento creativo.
Estudio de casos Los procesos de pensamiento creativo en la Ingeniería de Diseño, en el Diseño de Productos, en el Diseño de Procesos de Producción
IMPLEMENTACIÓN
La asignatura “El proceso de la Invención”, anteriormente llamada “Teoría de la Invención”, ha sido ofrecida desde el trimestre Abril-Julio de 2005, a la fecha se ha dictado 6 veces, para un total de 112 estudiantes que la han cursado.
La organización programática del contenido de la asignatura puede verse en la Tabla 2, el curso se encuentra estructurado para 4 horas académicas semanales distribuidas en dos días a la semana, durante un total de 12 semanas de duración, es decir 48 horas académicas de aula.
Tabla 2. Programación semanal
Semana Día 1 (2 horas académicas) Día 2 (2 horas académicas)
1 Presentación Introducción 2 El cambio Video "Paradigmas" Joel Barker 3 Evolución 1ra Parte Evolución 2da Parte 4 Video "Quienes somos los humanos" Fisiología del Cerebro 1ra parte 5 Fisiología del Cerebro 2da parte Video "el cerebro humano"
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6 Inteligencia 1ra parte Inteligencia 2da parte 7 Inteligencia 3ra parte Discusión del tema de Inteligencia 8 Creatividad 1ra parte Creatividad 2da parte 9 Creatividad 3ra parte Discusión del tema de Creatividad
10 Tengo una idea 1ra parte Tengo una idea 2da parte 11 Evaluación: Exposiciones Evaluación: Exposiciones 12 Evaluación: Exposiciones Evaluación del curso y cierre
La evaluación realizada a los estudiantes consiste en la elaboración, exposición y discusión de un trabajo
monográfico realizado sobre algún tema complementario de los tópicos desarrollados en la asignatura. Son los estudiantes los que proponen el tema a desarrollar, y básicamente se trata de casos de estudios, que son analizados en base a alguna de las teorías descritas a lo largo del curso.
VALORACIÓN DEL CURSO
Este trabajo no está enfocado en tomar en cuenta los cambios en los aspectos relacionados a la
personalidad de los individuos sometidos al estudio, o cómo son encontradas las propuestas de solución; pero si está relacionado con el producto creativo que pudieran exhibir los estudiantes del curso. A este respecto existe un instrumento psicométrico desarrollado por Corbalán, Martínez y Donolo, “CREA, Inteligencia Creativa. Una medida cognitiva de la creatividad”, cuya finalidad es la “apreciación de la inteligencia creativa a través de una evaluación cognitiva de la creatividad según el indicador de generación de cuestiones, en el contexto teórico de búsqueda y solución de problemas” [4]. Esta prueba utiliza la capacidad del individuo para elaborar preguntas en la valoración del potencial creativo individual relacionado con los aspectos concernientes al producto [4].
El instrumento seleccionado es de fácil empleo, y está diseñado para la aplicación individual o colectiva en niños, adolescentes y adultos, comprende tres tipos de pruebas, las primeras dos, tipo A y B, destinadas a adolescentes y adultos comprenden láminas las cuales deberán ser interpretadas para la elaboración del mayor número preguntas relacionadas en un tiempo de 4 minutos [4].
Para la puntuación de la prueba, se deben tomar en consideración el número de preguntas realizadas, sin estar duplicadas, y para la interpretación de los resultados, los autores han realizado una serie de baremos, que normalizan los resultados de los diferentes tipos de la prueba, sea A, B, o C, para dos muestras culturales diferentes, una Española y otra Argentina.
Para el caso en cuestión, y debido a que lo que busca este estudio es la comparación de los estados iniciales y finales, es decir el cambio producido por la asignatura Teoría de la Invención, no resulta importante cual de los baremos se utilice para totalizar los resultados, siempre que se use el mismo, no obstante y por razones de mayor afinidad cultural y condición socio económica, es seleccionado el baremo desarrollado para las muestras Argentinas.
Procedimiento experimental
La fase experimental busca identificar y cuantificar el cambio en el potencial creativo exhibido por los estudiantes que cursan la asignatura electiva MC-5135 El proceso de la Invención, para ello se propone medir el potencial creativo del grupo de estudiantes de la asignatura al comienzo (y1e) y al final (y2e) del período académico a fin de establecer las diferencias alcanzadas, Ec. (1). Así mismo, se plantea la medición del potencial creativo antes (y1c) y después (y2c), en un grupo control integrado por estudiantes de otras asignaturas electivas, durante un período académico, Ec. (2). Esto es para poder establecer las comparaciones pertinentes y eliminar el efecto del la influencia del tiempo, y la aplicación en sí del instrumento, en los grupos de estudiantes.
eMC
e yy 25135
1 ⎯⎯⎯ →⎯ − (1)
cc yy 21 ⎯→⎯ (2)
Para evaluar los resultados y establecer las diferencias cuantitativas entre ambos grupos al inicio y al final del período académico, se utilizó la “prueba t student”, la cual es una herramienta de contraste que se basa en el cálculo de estadísticos descriptivos previos: el número de observaciones, la media y la desviación típica en cada grupo. A través de estos estadísticos previos se calcula el valor de contraste experimental (t0), y con la ayuda de unas tablas se obtiene el valor de la probabilidad de que los datos a comparar sean diferentes. En este trabajo se
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utilizará un valor α=0,05 que representa una confiabilidad mayor o igual al 95%, el cual es un valor típico para este tipo de estudios.
Con la finalidad de corroborar la hipótesis de trabajo, se hace necesario comparar los resultados de las pruebas iniciales, (pre-test) de los grupos experimental (y1e) y control (y1c), comparación que no deberá arrojar diferencias significativas entre ellos. Así mismo se deberá comparar los resultados de las pruebas finales (post-test) entre los grupos experimental (y2e) y control (y2c). A fin de poder demostrar la hipótesis inicial, los resultados de esta comparación deberán indicar diferencias significativas entre ambos grupos.
Se procederá entonces a comparar los resultados de las pruebas iniciales (y1c) y finales (y2c) del grupo control, así como los resultados de las pruebas iniciales (y1e) y finales (y2e) del grupo experimental, a fin de establecer el cambio cuantitativo de la variable medida.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La prueba “CREA, una medida cognitiva de la creatividad”, presenta dos variantes, tipo A y B, diseñadas para aplicación en adultos y adolecentes, que fueron utilizadas para este estudio. A cada estudiante se le suministró uno de estos instrumentos al inicio y el complementario al final. De manera aleatoria se escogió el tipo de prueba al inicio para cada estudiante.
El procedimiento experimental contempla la comparación estadística mediante la “prueba t de student”, de los resultados de los pre-test, de ambos grupos, ello es para observar si existen diferencias significativamente estadísticas entre las primeras pruebas del grupo control y el grupo experimental. La Fig. 2, ilustra el rango de las medias y sus correspondientes desviaciones estándar, en esta figura es señalado el solape de los rangos. El estadístico de prueba indica, para esta primera comparación, que no existen diferencias estadísticamente significativas entre ambos grupos, por lo cual pueden considerarse estadísticamente similares.
Fig. 2 Resultado de los Pre-test
La Fig. 3 ilustra el rango de las medias y sus correspondientes desviaciones estándar para las mediciones
efectuadas de los post-test correspondientes a los grupos control y experimental, en esta figura no se observa el solape de los rangos. Así mismo, el estadístico de prueba indica, para esta comparación, que si existen diferencias estadísticamente significativas entre ambos grupos, por lo cual pueden considerarse estadísticamente diferentes.
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Fig. 3 Resultados del Post-test
Habiendo obtenido estos resultados, es posible establecer la comparación entre el pre-test y el post-test
del grupo control y del grupo experimental. La Tabla 3 resume los resultados numéricos de las medias y sus correspondientes desviaciones estándar del pre-test y el post-test de los grupos control y experimental.
Tabla 3 Resultados de las medias y sus correspondientes desviaciones estándar del pre test y el post test
de los grupos control y experimental
Pre Test Post TestGrupo Control
Grupo Experimental Pre Test Post Test
Media=44,47Desviación estándar=19,92
Media=51,84Desviación estándar=19,02
Media=56,88Desviación estándar=24,67
Media=73,68Desviación estándar=12,68
Al comparar los valores de la media, entre los resultados del pre test (44,47) y el post test (51,84) del
grupo control, se observa un aumento de 7,4 puntos porcentuales, Fig 4. No obstante, debido a que la dispersión de los resultados individuales es apreciable y prácticamente constante entre ambas medidas, (19,92 para el pre test y 19,02 para el post test), no se puede aseverar la existencia de un cambio en la variable. Se puede apreciar en la Fig. 3, que los rangos graficados se encuentran prácticamente solapados, por lo que este aumento no es representativo, tal como lo refleja el resultado estadístico de la prueba t student.
Fig 4 Resultados del Pre-Test y el Post-Test, del grupo control
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Al comparar la media de los resultados del pre-test (56,88) con la del post test (73,68) del grupo
experimental, se observa una diferencia de 16,8 puntos porcentuales, Fig. 5. Esto indica un incremento significativo del potencial creativo en los estudiantes que cursan esta asignatura, tal como lo reseña la prueba estadística t student correspondiente. Así mismo, se observa una disminución en la desviación estándar de los resultados de post-test (12,68), en relación con el pre-test (24,67). Esto indica que la asignatura El Proceso de la Invención influye mejorando el potencial creativo, y uniformizando entre los estudiantes este potencial. La Fig. 4, referente a los resultados del estado inicial y final del grupo experimental, muestra lo indicado anteriormente, en ella se puede apreciar el incremento en el valor de la media y la disminución en la desviación estándar entre las medidas iniciales y finales.
Fig. 5 Resultados del Pre-Test y el Post-Test, del grupo experimental
Fortalezas y debilidades del procedimiento experimental utilizado
A cada uno de los estudiantes pertenecientes a cada grupo se le suministró ambas pruebas, por lo que las comparaciones realizadas entre los resultados se realizaron de manera pareada, es decir, se pudo establecer las diferencias pre-test, post-test de manera individual. Esto permitió utilizar, para estas comparaciones, la prueba t-student pareada, lo que representó una ventaja estadística.
Los resultados, aunque sugerentes, deben tomarse con cautela. Es necesario tomar en cuenta los siguientes tres aspectos, en primer lugar las intervenciones en los grupos control y experimental no se llevaron a cabo en el mismo tiempo (en el mismo trimestre) y el número de participantes en el grupo control fue menor. Por otra parte el investigador conocía las condiciones de tratamiento y control. Finalmente es necesario señalar que por lo general la confiabilidad y la validez de los instrumentos para medir creatividad no suelen ser lo más óptimos, lo que puede contribuir al error de medición. Sin embargo, a pesar de estas limitaciones se debe destacar que estadísticamente se comprobó que no existían diferencias en los grupos antes del tratamiento, por lo que los resultados luego de la intervención se deben, al menos en parte a las condiciones de la intervención para mejorar la creatividad.
CONCLUSIONES
Se pudo demostrar, manteniendo cierto rigor científico, el planteamiento inicial de este trabajo orientado
a la verificación de la hipótesis planteada en la introducción, según la cual, “el conocimiento de los conceptos relacionados con el pensamiento creativo, proporcionan un aumento en el potencial creativo de las personas”. Las comparaciones establecidas entre las mediciones del estado inicial y el final, referentes a la variable creatividad medida con el test de Corbalán, Martínez y Donolo, en los estudiantes cursantes de la asignatura “El Proceso de la Invención”, muestran un aumento estadísticamente significativo, no así el medido en estudiantes que no cursaron esta asignatura, los cuales conformaron el grupo control.
Así mismo se encontró en el grupo experimental una disminución en la dispersión de los resultados, es decir, los estudiantes de la asignatura, no sólo aumentaron su potencial creativo, sino que luego del curso son más parecidos entre sí. Este aspecto es deseable, e indica que el contenido del curso logró uniformizar los valores de la variable medida en los sujetos de estudio.
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Para validar estos resultados, es necesario repetir estas pruebas salvando las debilidades experimentales comentadas anteriormente, y de ser posible, aplicar comparaciones cualitativas en el desempeño futuro como profesionales ya graduados, de los estudiantes que cursaron esta asignatura.
REFERENCIAS 1. Gee, S. (1981) Technology tranfer, Innovation & International Competitiveness. Wiley&Sons. New York.
citado en Escorsa, Valls. (2000). Tecnología e innovación en la empresa, dirección y gestión; Edicions UPC, Barcelona.
2. OECD; (2006); Manual de Oslo, guía para la recogida e interpretación de datos sobre la innovación; OECD y Eurostat
3. Corbalán, F; Martínez, F.; Donolo D. (2003). CREA Inteligencia Creativa. Una medida cognitiva de la creatividad; TEA Ediciones, Madrid.
4. Lloveras, J., Garcia-Delgado, C., Claudí, L., and Segura, P. (2004), Creative formation. Structure and some results of this course for product and service innovation. Proceedings of the Design 2004. 8th International Design Conference. The Design Society. Ed. Marjanovic.
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BANCO DE ENSAYO DE MOTORES DE BAJA POTENCIA PARA LA DOCENCIA EN INGENIERÍA
Mariano Alarcón García1, Fernando Crespo Robles2, Antonio González Carpena3
1 Universidad de Murcia. Edificio “C” del Campus de Espinardo. Murcia. España; [email protected]
2 Universidad de Murcia. Edificio “C” del Campus de Espinardo. Murcia. España; [email protected] 3 Universidad de Murcia. Fac. Informática. Campus de Espinardo. Murcia. España; [email protected]
Área Temática: Formación
RESUMEN
Se presenta el diseño básico de un banco de ensayo de motores de combustión interna alternativos de baja potencia, diseñado especialmente para la docencia. El banco se ha realizado ensamblando distintos elementos, en su mayor parte comerciales. Consta de un freno Prony procedente de una motocicleta, célula de carga electrónica, acoplamiento es elástico y todo el conjunto está montado sobre una bancada de acero; el sistema de adquisición de datos compuesto por un datalogger y una tarjeta de adquisición de datos. El banco de ensayo posibilita la docencia para la adquisición de diversas competencias de ingeniería y su construcción como Proyecto Fin de Carrera permite el desarrollo de diversas habilidades tecnológicas. Se ha ensayado un motor Honda GX25, con un razonable acuerdo entre las curvas características del motor obtenidas y las del fabricante. El coste total del equipo ha sido 5000 € (aprox.).
PALABRAS CLAVE: Docencia en ingeniería, Banco de ensayo, Motores de combustión interna. INTRODUCCIÓN
Los bancos de ensayo son el equipamiento básico en la docencia (e investigación) de diversos equipos industriales, los más extendidos se utilizan con máquinas rotativas, y, dentro de éstas, una de las aplicaciones más clásicas es el ensayo de motores de combustión interna. El ensayo de motores proporciona al alumnado una comprensión de las prestaciones de un motor térmico que difícilmente se pueden obtener con otras actividades docentes.
Existe en el mercado una amplia variedad y disponibilidad de bancos de ensayo, pero en muchos casos no se adaptan a unas necesidades concretas de docencia o bien su coste es muy elevado; además, buena parte del equipamiento comercial se trata de “juguetes”, siendo su coste desorbitado y su funcionalidad bastante limitada.
Para superar estos inconvenientes las áreas de Máquinas y Motores Térmicos e Ingeniería Mecánica de la Universidad de Murcia (España) nos planteamos el desarrollo de un banco de ensayo para motores de baja potencia (< 5 kW). Un banco de este tipo requiere una infraestructura mínima de espacio e instalaciones, y es incluso portátil con unas mínimas adaptaciones. En la presente ponencia se presenta el diseño de un banco de ensayo de este tipo, concebido especialmente para la docencia, aunque puede ser utilizado con suficiente fiabilidad para el ensayo de motores de pequeña cilindrada.
El banco se ha realizado ensamblando distintos elementos, en su mayor parte comerciales. El freno es de tipo Prony o de fricción, donde el disco y la pastilla de freno proceden de una motocicleta; un pórtico sustenta una célula de carga electrónica; el acoplamiento es elástico; el motor se instala sobre un lecho provisto de silent-blocks, y todo el conjunto está montado sobre una bancada de acero, que proporciona suficiente masa sísmica para que las vibraciones sean poco importantes. El conjunto se ha protegido mediante pantallas de metacrilato.
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El freno Prony, pese a estar en desuso por el error que produce en el par medido por distintas causas y su elevado mantenimiento, se ha considerado idóneo para la docencia, ya que es muy “visual”, facilitando de inmediato la comprensión por el alumnado del principio de funcionamiento de un banco de ensayo. Su manejo es asimismo muy simple e intuitivo. Por otra parte, en muy bajas potencias los inconvenientes aludidos se minimizan, siendo su bajo precio, robustez, portabilidad y sencillez constructiva, importantes argumentos a su favor.
El banco se ha instrumentado con un sistema de adquisición de datos compuesto por un datalogger y una tarjeta de adquisición de datos, que es capaz de medir y registrar el par, el régimen de giro y las temperaturas en varios puntos del motor (admisión, escape, lubricante, etc.). Además, el sistema de escape se ha provisto de unos terminales para adaptarle un analizador de gases, aunque sus medidas hay que introducirlas de forma manual en el programa que gestiona la tarjeta.
DESCRIPCIÓN DEL BANCO DE ENSAYO
El banco de ensayo construido está formado por los siguientes elementos, además, como es lógico, de alojar un motor a ensayar [1,2,3]:
1) Freno Prony
2) Acoplamiento elástico
3) Bancada
4) Celda de ensayo (protecciones)
5) Sistema de combustible
6) Sistema de refrigeración (ventilación)
7) Sistema de evacuación de gases
8) Elementos de control
9) Instrumentación de medida
El freno es, sin duda el elemento más relevante de un banco de ensayo de motores; de hecho a los bancos de ensayo se les conoce también como “frenos”. Su función es la de oponer una resistencia variable al giro del motor, de forma que se simula el comportamiento del motor bajo diferentes condiciones de funcionamiento (grados de carga, régimen de giro, etc.). El freno Prony es un freno de fricción mecánica; probablemente el más antiguo de todos los que hoy perduran. Su estructura es relativamente simple y está compuesta por: un disco, una pinza de freno, que porta la zapata, un brazo y una célula de carga, que sustituye el clásico muelle (Fig. 1a), lo que permite una lectura más precisa y su incorporación a un sistema de adquisición de datos informático.
El fundamento de un freno Prony es muy sencillo: las zapatas de la pinza de freno comprimen el disco, frenando el cigüeñal por fricción mecánica; la fuerza de frenado se transmite mediante un brazo a la célula de carga unida a la estructura del banco. El grado de frenado se controla mediante una maneta de freno regulable manualmente, si bien esta puede sustituirse por un motor paso a paso u otro sistema de accionamiento.
El freno Prony es el freno más clásico, pero ha caído en desuso por los diversos motivos: fricción en la cadena cinemática, fricción con el aire y efecto ventilador del disco, variación del apriete que se produce con el desgaste de las zapatas y, el más importante, las elevadas temperaturas que se alcanzan en el disco de freno y la disipación de calor que origina. Todos estos factores dan lugar a unos errores de medida entre el 3 y 10% de la potencia medida. Además, este desgaste da lugar a un elevado mantenimiento. En frenos grandes estos inconvenientes hacen inviable el uso del freno Prony, pero en pequeñas potencias los problemas se minimizan.
El acoplamiento entre el motor y el freno transmite el giro del motor al disco de freno. Además, debe absorber las desalineaciones entre ambos ejes, así como las vibraciones del motor, amortiguar las irregularidades del par y desplazar el conjunto de los regímenes críticos. En el banco construido se ha optado por un acoplamiento elástico comercial que es adecuado para bajas potencias.
La bancada es el elemento sobre el que se apoya todo el conjunto; es el elemento estructural más importante. Además, debe evitar la transmisión de vibraciones por parte de todo el conjunto al piso donde se apoya. O, dicho de otra forma, debe ser capaz de absorber las vibraciones generadas por la operación del motor. Esto se consigue
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dotando a la bancada de masa estructural adecuada (masa sísmica) e interponiendo elementos elásticos (silent-block) entre la bancada y el piso. La masa estructural está formada por una base de chapas de acero soldadas de una masa total de 30 kg (aprox.).
Por lo general, se conoce como celda de ensayo al recinto en el que se encuentra un banco de ensayo y en el que tienen lugar los ensayos. En este caso, dadas las reducidas dimensiones del banco, llamamos celda de ensayo al conjunto de elementos que delimitan el espacio ocupado por el conjunto freno-motor, básicamente unos cerramientos de polimetilmetacrilato y una estructura soporte, atornillada directamente a la bancada. La misión fundamental de la celda es la confinación del banco y la protección de los usuarios ante los elementos giratorios o el desprendimiento de alguna pieza o componente, tanto en dirección axial como radial. La seguridad está ocupando en los últimos años el lugar que se merece en la actividad industrial y ciudadana en general, por lo que ante equipamientos o actividades potencialmente peligrosas para un usuario [4], es preciso tomar todas las medidas necesarias para asegurarla; más aún en el caso de la docencia donde, por definición, el personal que puede operar el equipamiento o asistir a una demostración es inexperto. Se ha elegido el polimetilmetacrilato como material para los cerramientos por su elevada resistencia al impacto, su rotura sin astillas ni desprendimientos, su transparencia y sus buenas propiedades reológicas.
Además, sobre la estructura de la celda y cerramientos se ha fijado los elementos de control de freno y acelerador, la célula de carga, los ventiladores de refrigeración-renovación de aire de la celda, el sistema de alimentación de combustible, etc.
El sistema de combustible está formado por un depósito calibrado, que permite la medición de su consumo, y un conjunto de tubos, que realizan la conexión con el carburador del motor (el motor Honda GX25 no incorpora bomba de alimentación).
El sistema de ventilación de la celda está constituido por unos ventiladores y rejillas aluminio para la entrada y salida del aire, permitiendo la alimentación de aire del motor, evitar un calentamiento excesivo del motor (inicialmente se ha instalado uno refrigerado por aire) y del resto de elementos del banco, entre los que sobresale el propio disco de freno, y mantener las condiciones de ensayo constantes, en particular la temperatura del aire de admisión.
El sistema de evacuación de gases de escape al exterior está formado por la propia petaca de escape, un silencioso en forma de cartucho que reduce la emisión de ruido del escape, convenientemente modificada para poder descargar en un tubo flexible de sección más amplia y alojar una sonda de un analizador de gases de combustión de motores alternativos, en este caso de encendido provocado (Fig. 1b). El tubo flexible debe resistir temperaturas por encima de 500ºC, y presenta la ventaja de su buen ajuste, estanqueidad, bajo peso, portabilidad, etc.
La solución elegida es simple, mantiene la configuración original del motor, por lo que no hay pérdidas de potencia por este motivo, permite una adecuada medida de la composición de gases de escape, es estanco, con lo que también es saludable para el operador, etc.
Fig.1. (a) Detalle de freno Prony y (b) sistema de expulsión de gases de escape con petaca de escape modificada
a) b)
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Los elementos de control del banco permiten la variación de las condiciones de ensayo. Están constituidos por dos mandos manuales de varias posiciones (manetas); uno actúa sobre el apriete de la zapata, aumentando así el par resistente, y el otro sobre el acelerador del motor, permitiendo un amplio número de posiciones que cubren todo el rango operativo del motor. Sin mucha dificultad estos actuadores pueden ser sustituidos por motores paso a paso, que permitirían una actuación más automatizada y precisa.
INSTRUMENTACIÓN DE MEDIDA
Los principales parámetros a medir en un banco de ensayos de motores de combustión interna son [1,2,3]:
1) Par
2) Régimen de giro
3) Potencia
4) Consumo de combustible
5) Temperaturas en diversas zonas del motor
6) Emisiones
La instrumentación de medida del banco está formada por diferentes equipos, siendo el elemento más significativo el sistema de adquisición de datos, que registra y almacena en continuo par, régimen de giro y temperatura en tiempo real. Está formado por un conjunto de sensores de par, velocidad (régimen de giro) y temperatura, un acondicionador de señal, un datalogger y tarjeta de adquisición de datos, conectado todo ello a un PC con software de tratamiento de señal y datos.
La medición del par es un objeto en sí misma por la importancia de este parámetro, pero además, permite el cálculo de la potencia generada, una vez medido la velocidad del motor. Esta medida se realiza a partir de la medida de la fuerza que se ejerce sobre la célula de carga y la distancia respecto al eje, brazo del par, en que dicha fuerza se aplica.
nKFndFnTP
dFT
××=××=×=
×=
602
602 ππ
(1)
Siendo T el par resistente, F la fuerza de frenado o fuerza que realiza la estructura para oponerse al giro de la
zapata, d el brazo o distancia de aplicación de dicha fuerza respecto al eje de giro del freno, P la potencia y n el régimen de giro del motor en rpm; K es conocida como constante del freno (Fig. 2a).
Fig. 2. (a) Sistema de medición del par y (b) curva de calibración de la célula de carga
Unión de célula con brazo
Célula de carga
Fuerza aplicada sobre el disco de freno
brazo del par
Brazo del disco de freno
a) b)
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La célula de carga es preciso calibrarla para una medida precisa, lo que se hace sometiéndola al peso de distintas masas patrón; la Fig. 2b muestra la curva de calibración de la célula.
El régimen de giro se mide mediante una rueda fónica o inductor magnético que genera un pulso por vuelta, captado por un transductor analógico e incorporado al datalogger del sistema de adquisición de datos.
La medición de temperaturas se realiza las zonas del motor más relevantes mediante termopares (gases de escape, aire en la admisión, y sondas Pt-100 (aceite del cárter, tapa de balancines, aletas) en función del rango de temperaturas y medio en que se realicen. Las temperaturas citadas se incorporan también en el sistema de adquisición de datos.
La técnica de la termografía permite la obtención de imágenes térmicas que proporciona una información cualitativa y cuantitativa de la temperatura de una zona.
Fig. 3. Ubicación de sensores de temperatura: a) aceite del cárter, b) aire de admisión, c) escape
La medida del consumo de combustible debe realizarse en este banco por procedimiento volumétrico y de forma manual, cronometrando el tiempo de consumo del volumen de un embudo de extracción graduado, por lo que se requiere la medida de temperatura ambiental para la determinación de la densidad de combustible. De este modo se obtiene el consumo de combustible por unidad de tiempo (kg/h) en unas determinadas condiciones operativas, que permite calcular el consumo específico de combustible o por unidad de energía mecánica generada (g/kWh).
También se ha previsto la medida de la composición de los gases de salida del motor y sus emisiones contaminantes, información esta importantísima desde el punto de vista medioambiental y la puesta a punto del motor, aunque sus medidas hay que introducirlas de forma manual en el programa que gestiona la tarjeta. Para ello se ha recurrido a un analizador de gases de escape del tipo básico de los disponibles en el mercado, capaz de medir O2, CO, CO2 y HC (hidrocarburos sin quemar), así como el coeficiente de exceso de aire, λ. Su principio de funcionamiento es el de célula electroquímica, que sin ser muy precisa, proporciona resultados suficientemente fiables. NOTA: el precio del analizador no se ha tenido en cuenta al valorar el coste del equipo.
ASPECTOS DOCENTES
El banco de ensayo descrito permite la realización de un importante número de prácticas de laboratorio en el ámbito de la Ingeniería Mecánica e Ingeniería Energética, entre otras: obtención de las curvas características y mapas de consumo del motor, medida de emisiones, ajuste puesta a punto del motor, alineamiento de ejes, medida de vibraciones y ruido del motor, etc.
Por otra parte, en relación a la fichas de Ingeniero Técnico Industrial e Ingeniero Industrial como profesiones reguladas en España [5,6], las que en dicho país ostentan las atribuciones profesionales en Ingeniería Mecánica e Ingeniería Energética. Las competencias que específicamente se pueden desarrollar con este equipo son:
- Conocimiento en materias básicas y tecnológicas, que les capacite para el aprendizaje de nuevos métodos y teorías, y les dote de versatilidad para adaptarse a nuevas situaciones.
- Conocimientos para la realización de mediciones, cálculos, valoraciones, tasaciones, peritaciones, estudios, informes, planes de labores y otros trabajos análogos.
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- Conocimientos de termodinámica aplicada y transmisión de calor. Principios básicos y su aplicación a la resolución de problemas de ingeniería.
- Conocimiento de los principios de teoría de máquinas y mecanismos.
- Conocimientos y capacidades para el cálculo, diseño y ensayo.
- Realizar investigación, desarrollo e innovación en productos, procesos y métodos.
- Capacidad para el diseño y ensayo de máquinas.
- Conocimientos y capacidades que permitan comprender, analizar, explotar y gestionar las distintas fuentes de energía.
- Conocimientos y capacidades para realizar certificaciones, auditorías, verificaciones, ensayos e informes.
Por otra parte, las técnicas empleadas en la construcción del banco (Fig. 4), realizado enteramente por el alumnado dentro de su proceso formativo, incluye operaciones como: corte de material, taladrado de piezas, roscado limado, soldadura de piezas, y montaje y ensamblaje de componentes.
Fig. 4. Fabricación del banco de ensayo
RESULTADOS DE LOS ENSAYOS
Una vez construido el banco y para comprobar su funcionalidad, se procedió a la determinación de las curvas características de plena carga de un motor Honda GX25 y compararlas con las que da el fabricante para la serie de motores. La figura 5 muestra las curvas características obtenidas.
Como puede observarse, hay un elevado grado de concordancia entre las curvas obtenidas en los ensayos y las suministradas por el fabricante para la serie de motores. Se observa como el par máximo es un 82% inferior al del fabricante y obtiene a 5500 rpm, velocidad prácticamente coincidente con la de catálogo. El tipo de concordancia es más que notable, y las diferencias se explican sin más por el tipo de freno utilizado, las condiciones de ensayo u otros factores. Además se dan las curvas de potencia y consumo específico de combustible, mostrando el óptimo a 5500 rpm.
Igualmente se han medido las temperaturas en una serie de puntos significativos del motor: aire de admisión, gases de combustión, petaca de escape, aletas y tapa de balancines (Tabla 1).
Por último, la figura 6 muestra la evolución de los principales contaminantes del motor. Se aprecia como los HC disminuyen al aumentar el giro, mientras que el CO aumenta en paralelo a la reducción del CO2.
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Fig. 5. Grafica de las curvas de par (a), potencia (b) y consumo específico de combustible (c) frente a régimen de
giro obtenida en el banco (Ensayo) y la proporcionada por el fabricante (Honda)
Tabla 1. Temperaturas del motor en ensayo
Régimen (rpm)
T_admisión (ºC)
T_gases escape (ºC)
T_petaca escape (ºC)
T_aletas (ºC)
T_balancines (ºC)
2760 15,9 315,5 466,5 60,4 42,3
2964 17 314,7 468 57,3 43,2
3292 17,3 313,7 477 58,2 41,6
4648 17 323,5 476,3 61,4 41,7
5529 15,1 310,3 475,9 56,6 43,4
6634 15,3 311 477,9 60,9 44,5
CONCLUSIONES
Se ha diseñado y construido un banco de ensayo de motores de combustión interna alternativos para la docencia en Ingeniería Mecánica y Térmica y también como Proyecto Fin de Carrera, lo que constituye una importante actividad docente en sí misma. El banco va a permitir la adquisición de un importante número de competencias por parte del alumnado que realice prácticas en él.
El banco consta de un freno Prony y se ha instrumentado con un sistema de adquisición de datos compuesto por un datalogger y una tarjeta de adquisición de datos, que es capaz de medir y registrar el par, el régimen de giro y las temperaturas en varios puntos del motor; además, el sistema de escape se ha provisto de unos terminales para adaptarle un analizador de gases.
La estructura, soportes y los componentes no comerciales han sido fabricados en los talleres del Departamento. Todo ello ha permitido un coste (5000€ aprox.) muy por debajo del equipamiento comercial equivalente.
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Se ha ensayado un motor Honda GX25, de encendido provocado y 4 tiempos, refrigerado por aire, habiendo obtenido un razonable ajuste entre las curvas características del motor y las facilitadas por el fabricante, lo que abre las puertas incluso a un aprovechamiento de I+D+i del banco construido.
Fig. 6. Grafica de las curvas de par (a), potencia (b) y consumo específico de combustible (c) frente a régimen de
giro obtenida en el banco (Ensayo) y la proporcionada por el fabricante (Honda)
AGRADECIMIENTOS
Al Colegio Oficial de Ingenieros Industriales de la Región de Murcia (España), con cuya ayuda económica se ha construido en buena parte el banco descrito en esta ponencia.
REFERENCIAS 1. J. Casanova, J.M. Ruifernández, M. Valdés, G. Wolff, "Guía Práctica para ensayo de motores en banco".
Madrid, Tecner Ingeniería, S.A., 1988. 2. F. Boada, "Prácticas de laboratorio de motores térmicos". Valencia, Universidad Politécnica de Valencia, 1984. 3. Hernández Grau, J. y Alarcón García, M. (coord.), “Texto-guía de prácticas de Ingeniería Térmica”. Murcia, Ed.
Diego Marín, 2005. 4. C.F. Taylor, “The Internal-Combustion Engine in Theory and Practice”. Cambridge (MA) and London
(England), The M.I.T. Press, 1985. 5. Orden CIN/351/2009, de 9 de febrero, por la que se establecen los requisitos para la verificación de los títulos
universitarios oficiales que habiliten para el ejercicio de la profesión de Ingeniero Técnico Industrial. Madrid, B.O.E. Núm. 44, 20 de febrero de 2009.
6. Orden CIN/311/2009, de 9 de febrero, por la que se establecen los requisitos para la verificación de los títulos universitarios oficiales que habiliten para el ejercicio de la profesión de Ingeniero Industrial. Madrid, B.O.E. Núm. 44, 20 de febrero de 2009.
NOMENCLATURA d brazo o distancia de aplicación de dicha fuerza respecto al eje de giro del freno (m) F fuerza de frenado (N) n el régimen de giro del motor ( rpm) P la potencia (kW) T par (Nm)
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EXPERIENCIAS EN LA ENSEÑANZA DE LA ASIGNATURA TERMOTECNIA MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE PROGRAMAS COMPUTACIONALES DE SIMULACIÓN: UN ESTUDIO DE CASO
Anselmi E1, Meza, M2
1Dpto. Tecnología Industrial de la Universidad Simón Bolívar, Sede Litoral, 1160 Camuri Grande, Edo. Vargas,
Venezuela, *[email protected] 2 Dpto. de Idiomas de la Universidad Simón Bolívar, Sede Sartenejas, 89000 Valle de Sartenejas, Baruta, Edo.
Miranda, Venezuela
Área Temática: E.- MÉTODOS Y TÉCNICAS PARA LA FORMACIÓN EN INGENIERÍA MECÁNICA 31. Formación
RESUMEN
Los contenidos programáticos desarrollados en Termotecnia, asignatura dictada en la Universidad Simón Bolívar de manera regular en el sexto trimestre de las carreras cortas Tecnología Mecánica y Mantenimiento Aeronáutico, constituyen una de las bases fundamentales para comprender la naturaleza teórica - práctica de otras materias de los pensums señalados. En vista del bajo rendimiento detectado en los estudiantes de esta asignatura, se decidió implementar una estrategia basada en el uso de un programa computacional de acceso libre, para la simulación de ciclos termodinámicos con el propósito de desarrollar en los estudiantes habilidades que le permitan identificar y analizar el funcionamiento de las máquinas térmicas en procesos industriales. La metodología basada en un diseño de investigación cualitativo con enfoque constructivista, consistió en la exposición de los estudiantes al programa computacional durante seis semanas, permitiendo el posterior registro de las interacciones entre los participantes y el programa y la realización de entrevistas libres al finalizar su uso. Los instrumentos utilizados fueron: registro de observaciones, encuestas y la guía de preguntas para la entrevista. La información obtenida se contrastó y trianguló. Para el análisis de las interacciones entre el estudiante y el programa y las observaciones registradas por los docentes se realizó la trascripción de las entrevistas y el recuento pormenorizado de las observaciones y encuestas, con la finalidad de describir y contrastar la información recolectada. De ésta, surgieron las siguientes categorías: Conocimiento previo de los estudiantes y comportamiento observado en el estudiante ante la utilización del programa. Posterior al análisis, se derivaron las siguientes consideraciones: La utilización de esta metodología ayudó a mejorar el rendimiento de los estudiantes; facilitó el trabajo grupal en el aula; y se incrementó la participación activa de los estudiantes en su proceso de aprendizaje de la Termotecnia.
PALABRAS CLAVE: Termodinámica, programa computacional, educación, aprendizaje activo, participación INTRODUCCIÓN
La asignatura termodinámica, así como su consecución termotecnia, han sido consideradas en el argot estudiantil de las carreras técnicas de la Universidad Simón Bolívar, Venezuela; sinónimo de materias “filtro” con excepción de los exámenes, en los cuales significa “horror y tragedia”.
El curso denominado Termotecnia es dictado de manera regular en el sexto trimestre para las carreras cortas de Tecnología Mecánica y Mantenimiento Aeronáutico, asemejándose en un 60% al contenido programático de la asignatura Termodinámica II de Ingeniería Mecánica de la misma casa de estudios. Se desarrollan los temas relativos a los distintos ciclos termodinámicos (Carnot, Brayton, Otto, Diesel, Rankine, de Vapor, de Refrigeración, etc.) y los mecanismos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación), con el objeto de que el estudiante al
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finalizar la asignatura se encuentre en capacidad de aplicar los principios y leyes fundamentales de la Termodinámica y la Transferencia de Calor, en el análisis y funcionamiento de máquinas térmicas y los mecanismos de transferencia de calor en procesos industriales.
Tanto el nivel de complejidad como el grado de abstracción involucrado, han definido la asignatura como una de las bases fundamentales para comprender la naturaleza teórica - práctica de otras materias del pensum, así como uno de los requisitos indispensables para la realización de las pasantías laborales. La bibliografía utilizada es la utilizada de los cursos universitarios de cualquier institución de educación superior latinoamericana. Sin embargo, para el estudiante de carreras cortas, los cursos de Termodinámica, Termotecnia y Mecánica de Fluidos poseen una diferencia sustancial con las asignaturas tecnológicas cursadas previamente, pues en estas, el estudiante de manera natural a utilizar calculadoras científicas, tablas, nomogramas y gráficos en las actividades diarias de aula.
En vista del bajo rendimiento detectado en los estudiantes de esta asignatura, se decidieron explorar alternativas al proceso enseñanza-aprendizaje. Hoy día, el aprendizaje se considera como una actividad social. Un estudiante no aprende sólo del profesor y/o del libro de texto ni sólo en el aula: aprende también a partir de muchos otros agentes: los medios de comunicación, sus compañeros, la sociedad en general [1]. Se decidió abordar una estrategia de instrucción donde el orden de los eventos, el ambiente y las herramientas de aprendizaje fueran distintos a los tradicionalmente utilizados para esta asignatura. Considerando las desventajas de las clases expositivas entre las cuales tenemos que refuerza la pasividad del estudiante, no desarrolla el pensamiento crítico del estudiante y favorece el desinterés del estudiante [2], se decidió implementar una estrategia basada en el uso de un programa computacional de acceso libre denominado CyclePad [3]. Este es un simulador para ciclos termodinámicos creado principalmente con fines educativos por la Northwestern University (Illinois-USA) con el propósito de desarrollar en los estudiantes habilidades que le permitan identificar y analizar las principales características de los ciclos termodinámicos cerrados y abiertos bajo estudio. Es un programa que en su versión Beta 2.0 de junio 2001, ocupa 3.2 Mega Bytes de memoria, pudiéndose ejecutar en computadoras con procesadores Pentium 4 y sistema operativo Windows de 32 bits.
En este estudio, se pretendió responder a la pregunta ¿de que manera la introducción de un programa computacional de simulación de procesos termodinámicos, puede ser un factor de aprendizaje activo en estudiantes de carreras tecnológicas? Entendiéndose el aprendizaje activo al que responde a un interés creciente por comprometer a los estudiantes en experiencias que implican producciones significativas y motivadoras que enriquecen su aprendizaje. Desde ese punto de vista, no es una forma cognitivamente diferente de aprender, sino un enfoque metodológico de la enseñanza y aprendizaje que asigna responsabilidad a los estudiantes en sus procesos de aprendizaje, a través del diseño, aplicación y evaluación de experiencias que permiten construir conocimientos y reflexionar sobre dichos procesos [4].
Se plantearon los siguientes objetivos del estudio:
o Determinar si la utilización de tecnología computacional como recurso en la instrucción serviría como agente de motivación en el proceso de aprendizaje de los estudiantes de las carreras tecnológicas de la USB.
o Analizar si hay o no diferencias en los resultados de desempeño de dichos estudiantes ante ambas estrategias de instrucción.
Este estudio se llevó a cabo durante el período enero 2007 - diciembre 2008 con la participación de 75 estudiantes entre 18 y 24 años, de las Carreras Industriales: Tecnología Mecánica y Mantenimiento Aeronáutico de la USB, y dos docentes – el docente del curso y un docente observador.
METODOLOGÍA
La investigación realizada corresponde a un diseño cualitativo de carácter descriptivo [5], a fin de proporcionar una visión del desempeño de los estudiantes de la asignatura termotecnia de la Universidad Simón Bolívar al ser expuestos a una estrategia de instrucción distinta a la tradicional. La variación en la actividad de instrucción, consistió en la exposición de los estudiantes al programa computacional CyclePad durante seis semanas (de un total de 12 disponibles), en una sala multimedia con acceso a microcomputadoras. De forma tradicional la asignatura era evaluada mediante tres pruebas parciales, donde el estudiante debía aprobar mediante la acumulación de una puntación superior al 50% de la puntuación posible. Bajo la nueva estrategia, la asignatura incluyó la
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evaluación de las actividades de simulación con el programa señalado, con una ponderación de hasta 25% del total de la evaluación.
Básicamente se utilizaron tres herramientas para la recopilación de información: registro de observaciones, encuestas y entrevistas libres con una guía de preguntas. Las observaciones fueron recabadas y registradas tanto por el docente guía como por el observador, en distintas sesiones de clases. Se dio mayor énfasis a las interacciones entre los participantes y el programa, como a las preguntas formuladas por los estudiantes al facilitador de la actividad.
Las encuestas fueron realizadas al inicio y al final del periodo académico, contando con un total de 9 preguntas, 4 de las cuales eran de respuesta cerrada. En cada uno de los periodos evaluados, se evidenció variación de la muestra durante el desarrollo de la investigación, debido al retiro voluntario de los alumnos de la asignatura. Las entrevistas se realizaron de manera aleatoria sobre al menos 50% de los asistentes al curso, y se fundamentaron en un cuestionario de 15 preguntas de percepción y opinión. No se contó con un grupo de control para la comparación de resultados en la aplicación de ambas estrategias de instrucción, pero se tuvo acceso a los registros de desempeño del mismo curso en el período septiembre 2005- diciembre 2006. El número de sujetos estudiados en cada curso fue aproximadamente el mismo (25 en promedio), con una misma distribución promedio de genero (78% estudiantes masculinos). Sin embargo, no se realizaron distinciones de género, raza, edad, origen socio-económico o plan de estudio para el análisis de resultados. La mayor variación de la estrategia de enseñanza-aprendizaje ensayada en el período señalado, fue un incremento en el peso evaluativo de la actividad con microcomputadores, pues inicialmente se asigno un porcentaje del 10% y se incrementó hasta un 25%.
IMPLANTACIÓN DE UNA CLASE CON COMPUTADORAS
Puesto que la enseñanza soportada por recursos informáticos se debe planear cuidadosamente, es esencial una
minuciosa preparación de la actividad de enseñanza a fin de que a los estudiantes se les proporcionen listas tanto de los objetivos de desempeño como de los objetivos de proceso. Esto le permite saber que se requiere de ellos cuando trabajen de manera independiente en las microcomputadoras.
De acuerdo a lo planteado por Delgado y Cambil (2008), el empleo de las tecnologías de la informática le imparte a las asignaturas un dinamismo especial liberando al estudiante del tedio de la clase magistral y llevándolo a construir su propio proceso de aprendizaje que se ajusta a su ritmo de trabajo logrando mejores desempeños y eliminando lo traumático de ciertas asignaturas convirtiendo el proceso en algo divertido. [6] Tomando en consideración lo propuesto por Ellis se plantearon tres etapas para el uso de la computadora y el programa de simulación destinados al análisis y resolución de problemas asociados a los ciclos termodinámicos. La primera etapa es una de exploración, donde los alumnos se familiarizan con el equipo y las bondades del programa utilizado. Parte tal vez de la única clase expositiva dictada, donde se resume las principales capacidades del programa, se muestra la interfaz gráfica y los menús de trabajo del programa, y finalmente se procede a resolver en conjunto (facilitador -estudiante) un problema complejo ya resuelto previamente en el pizarrón. De esta manera el alumno visualiza de manera global el alcance y potencialidades de la herramienta que se le esta suministrando. La segunda parte de esta actividad, realizada preferiblemente el mismo primer día, consiste en la asignación de un problema también previamente discutido en el aula tradicional, y cuya solución ya se encuentra prevista en las librerías contenidas en el mismo programa. Aquí el facilitador, se dedica principalmente a asistir las dudas que los alumnos presentan cuando son ellos mismos los que deben interactuar con el programa. La tercera y última parte se fundamenta en la asignación de un montaje (también contenido en las librerías del programa), pero donde se estimula al estudiante a que investigue más a fondo dentro del menú de ayuda, para resolver asuntos como: cambio de unidades, fijación de restricciones especificas en los equipos de procesos, incorporación de equipos de proceso adicionales, etc.
La segunda etapa, la de acomodación [7], parte precisamente del hecho que el usuario para poder realizar una variedad de tareas para la resolución de problemas y su posterior análisis, debe aprender a investigar por si mismo dentro del programa y la bibliografía recomendada. Esta etapa conjuga una mezcla de investigación inductiva sin guía así como la resolución de problemas reales modelados, donde el participante interactúa con sus pares para reunir información relevante, organizar datos y realizar inferencias de los resultados obtenidos, así como las fuentes de error que pudieran estar presentes. El trabajo colaborativo entre los estudiantes surge de manera espontánea, pues el facilitador evita en la medida de lo posible intervenciones generales o expositivas, al atender cada caso de manera particularizada. Las microcomputadoras fácilmente permiten a los estudiantes establecer su propio ritmo, y facilita que el usuario conozca los resultados y patrones que se esperan. El instructor bajo esta etapa, de modo paulatino deja
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de ofrecer una consulta para resolver el problema, y pasa a ofertar una ayuda metodológica para llegar a una solución del problema.
Finalmente en la etapa de integración [7], la computadora se vuelve un elemento integral del proceso de enseñanza. La bibliografía recomendada, así como las páginas web se constituyen como las fuentes principales de consulta para el desarrollo de ejercicios de práctica asignados previamente, mientras que el instructor ejemplifica y discute con los participantes los resultados esperados. Para esta etapa, se suele seleccionar un tema percibido por los estudiantes como complejo: los ciclos de potencia de vapor y combinados para la producción de energía (ciclo rankine, ciclo rankine de recalentamiento y regenerativo, ciclos de potencia combinados de gas-vapor). A diferencia de los tópicos anteriores, el contenido programático no es discutido en sesiones previas expositivas, sino que se recurre directamente al uso de la herramienta computacional como elemento de ejemplificación. Adicionalmente los participantes, son motivados a utilizar de modo interactivo los recursos de la web, a fin de conseguir diagramas, fotos, presentaciones y videos, donde se puedan visualizar los equipos de procesos reales involucrados en los ciclos termodinámicos discutidos.
Consideración aparte pero fundamental para la implantación de las clases con microcomputadoras es la logística asociada a los recursos necesarios para tal fin. En la experiencia realizada, cada alumno contó con una unidad particular en cada sección, con completo acceso a Internet durante las dos horas de actividad regular. El salón utilizado, cuenta con una unidad de proyección de video y sonido, así como las tradicionales pizarras, rotafolios y marcadores. El único equipo periférico sugerido a los estudiantes eran memorias portátiles del tipo FLASH o PEN DRIVE, para almacenar sus casos estudios, aunque evidentemente siempre existía la posibilidad de salvar y enviar sus trabajos por correo electrónico.
CONOCIMIENTO PREVIO DE LOS ESTUDIANTES Durante el curso previo de termodinámica clásica el estudiante es expuesto a los conceptos fundamentales de
trabajo y calor, así como a las tres primeras leyes de la termodinámica. Se le inculca una metodología para el reconocimiento de sistemas y volúmenes de control, tipos de procesos, definición de condiciones de borde y supuestos pertinentes para resolución de problemas. De modo operativo, el alumno aprende a utilizar las tablas de propiedades de las sustancias puras en conjunto con una calculadora científica. Adicionalmente aprende a realizar cálculos de interpolaciones lineales (simples y dobles), elevación a exponentes politrópicos e isentrópicos, y procedimientos para tanteos numéricos a partir de valores en tablas. También debe ser capaz de identificar procesos y hallar valores en diagramas de compresibilidad para gases ó diagramas P-V, T-V, h-s y T-s para sustancias puras.
En el área de uso y manejo de microcomputadoras, se debe señalar que aunque no todos los alumnos poseen un equipo personal de computación portátil o en su hogar (90.2% si contaba con alguno de estos recursos), la totalidad de los estudiantes observados poseían un entrenamiento y acceso mínimo a estos equipos, incluyendo una cuenta gratuita de correo electrónico. En general los programas para el procesamiento de texto y dibujos eran conocidos, más no así las aplicaciones tipo hojas de cálculo, programas que grafican o lenguajes de programación. La utilización de Internet, incluyendo dominios de entretenimiento, mensajería instantánea y descarga de videos, eran de total uso común en los asistentes de los cursos evaluados.
Con respecto a la formación del idioma inglés, en especifico de la capacidad de lectura de instrucciones en un menú de ayuda. Se debe acotar que aunque formalmente no se incluyó en las encuestas realizadas un tópico que denotara “nivel de dominio del idioma inglés”, los estudiantes observados cursan estudios de este idioma a lo largo del sistema de educación secundaria y en el primer año de la carrera universitaria. Se observó entonces, un uso discrecional del “desconocimiento del idioma” por parte del estudiante, pues las facilidades de utilizar traductores en línea y diccionarios electrónicos, simplemente fueron utilizados (en caso de ser requeridos) por los alumnos en los que cuales se logro activar el proceso de aprendizaje.
El tópico de simulación de procesos, fue el único aspecto en el que la población bajo estudio mostró un desconocimiento completo de significado, alcance y metodología. Básicamente se observó la presencia de paradigmas tal vez influenciados por el mundo televisivo, donde se introducen datos en una interfaz gráfica, se ordena un comando de ejecución para obtener casi inmediatamente elegantes y coloridos resultados gráficos. En general gran parte del esfuerzo educativo fue dedicado a generar y orientar un proceso cognitivo en los procesos de simulación con microcomputadoras.
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COMPORTAMIENTO DEL ESTUDIANTE ANTE LA UTILIZACIÓN DEL PROGRAMA Para el análisis de las interacciones entre el estudiante y el programa y las observaciones registradas por los
docentes se realizó la transcripción de las entrevistas y el recuento pormenorizado de las observaciones de cada una de las sesiones, con la finalidad de describir y contrastar la información recolectada [8]. A continuación se resumen las observaciones más comunes observadas en la población bajo estudio durante las tres oportunidades que se impartió la asignatura señalada.
Una vez expuestos al programa de simulación, los estudiantes mostraron tres estados claramente identificables: uno de “complacencia optimista”, donde alrededor del 91,2% de los participantes “sienten” que el curso teórico anterior (termodinámica clásica) tienen una aplicación real en su carrera profesional y que este tipo de programa es una herramienta “todopoderosa” que debió ser utilizada desde un principio.
El segundo estado es uno de “asombro”, el estudiante se da cuenta que son un número importante la cantidad de especificaciones que deben ser incluidas en la interfaz del programa, y que dependen de su juicio y base teórica, de modo que se puedan obtener resultados plausibles. Adicionalmente, el estudiante se ve obligado a interactuar con el programa por si solo, a tener que buscar respuestas a sus dudas mediante un menú de ayuda, y colaborar con sus compañeros para construir los modelos propuestos. Un aspecto interesante es que el alumno aspira a que el instructor domine todas las variantes de la utilización del programa, y puede incluso molestarse cuando las respuestas no son inmediatas o únicas.
Finalmente, el ultimo estado es el de “desengaño”, expresado típicamente en el momento de la evaluación. El estudiante se da cuenta que el programa no es “todopoderoso”, es una herramienta cuyos resultados dependen fundamentalmente del criterio con que haya sido utilizado. Ante la imposición de trabajar de manera independiente, el participante se encuentra obligado a recurrir a la bibliografía y notas de clase para soportar sus decisiones y construir los modelos sugeridos. En este estado, el alumno se da cuenta que el éxito o fracaso de su propuesta no dependen de la herramienta utilizada sino de su preparación individual, y que incluso las tablas de propiedades antes desdeñadas son una herramienta importante para verificar las magnitudes de los resultados obtenidos.
A continuación se listan las observaciones consideradas como relevantes y que fueron trianguladas [8] por los docentes en el desarrollo de las sesiones:
La primera observación se refiere a la utilización del programa de simulación y el idioma de la interfaz por parte del estudiante. Este programa es presentado en inglés (original), y a pesar de que la universidad fortalece y estimula la utilización del idioma como herramienta de trabajo, alrededor del 32,2% estudiantes mostraron inconformidad por esta situación (entrevista final).
Como fue señalado en el apartado de conocimientos previos del estudiante, la utilización de los recursos para traducción de textos dependió en gran medida de la activación del participante en el proceso educativo. Por lo general, aquellos que prefieren mantener un papel de aprendices pasivos, viendo, escuchando, copiando y acopiando información, en lugar de participar de manera activa en su proceso de aprendizaje, suelen justificar su inoperancia ante el idioma como dificultad para su interacción con el programa. Sin embargo, también se registraron 45,6% de casos donde el estudiante, a pesar de reconocer su escaso desempeño ante el idioma, señaló un deseo de mejorar sus habilidades ante el idioma como herramienta para su futuro desempeño profesional. El 22,2% restante no le concedió mayor importancia al idioma por distintas razones, principalmente por que consideran que lo dominan o porque según sus propias palabras “se aprende sobre la marcha”.
Otra situación se presenta con la poca flexibilidad inicial del estudiante para incorporar nuevas simbologías destinada a la representación de los equipos de procesos en los modelos a evaluar. Tal vez los efectos perniciosos de la memorización o de utilizar una sola bibliografía como referencia de estudio, influyan de modo tal que el estudiante no se habitúa fácilmente a reconocer los equipos según el proceso o la leyenda asociada. Específicamente la representación de equipos como calderas, condensadores, enfriadores y bombas causaba un impacto visual sobre los participantes, puesto que la simbología utilizada por el programa CyclePad no es la tradicional de la bibliografía recomendada. Al no existir una representación equivalente, los estudiantes acusaron sorpresa o descontento ante tal situación, sin embargo hay que señalar que también se evidenciaron casos en los cuales se mostró incapacidad de establecer vínculos de semejanza y el aprendiz solicitó ayuda al instructor para la compresión del ciclo. En las figuras 1 y 2, a manera de ejemplo se muestran la representación del Ciclo Ideal Rankine de Recalentamiento según el programa CyclePad y el libro Termodinámica de los autores Çengel Y, Boles M.
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Fig. 1. Representación Esquemática del Ciclo Ideal Rankine de Recalentamiento en la Interfaz Gráfica del programa CyclePad de la Northwestern University
Fig. 2. Representación Esquemática del Ciclo Ideal Rankine de Recalentamiento en el Capitulo 10 (pp 565) de la
5ta Edición del Libro: Termodinámica de los Autores Çengel y Boles, publicado por Mc Graw Hill.
Similarmente los estudiantes, por su corta edad y ausencia de experiencia laboral, suelen carecer de una visualización e incluso de una noción de la magnitud real de los equipos involucrados en la mayoría de los ciclos estudiados. Mucho menos cuentan con una noción acertada de los parámetros necesarios para su descripción. A excepción de equipos comunes como: bombas, compresores y motores de combustión interna, se reflejó incluso una ausencia de vocabulario para describir los principios de funcionamiento de estos equipos. En las tres experiencias didácticas evaluadas, fue muy relevante que el docente acompañara la presentación y análisis de los ciclos estudiados con fotos y/o diapositivas de los equipos de procesos, catálogos de ventas e incluso videos o animaciones de instalaciones industriales donde se puedan apreciar estos equipos en funcionamiento. Sin duda alguna la visita a instalaciones industriales es de mayor ayuda a estos fines, sin embargo, este tipo de actividades por su envergadura, logística y tramitación de permisos no suele realizarse a la par que se desarrollan los contenidos programáticos del curso.
Para que el estudiante tuviera una mejor aproximación a la definición de los equipos de procesos (e incluso a la intención de ese equipo dentro del proceso) y sus variables descriptoras, se realizaron actividades de “búsqueda y salvamento” de información en Internet. En esta actividad de investigación inductiva guiada, los participantes utilizaban distintos motores de búsqueda (Google, Altavista, Yahoo, etc.) para identificar imágenes y textos de equipos designados por el instructor. La primera parte de la actividad consistía en recolectar la mayor cantidad de dominios con información “efectiva” de los equipos indicados en un tiempo dado (usualmente 5 minutos), la segunda parte de la actividad consistía en disgregar la utilidad de la información encontrada (de 10 a 15 minutos). Típicamente la denominada “efectividad” de la información encontrada, se fundamentaba en encontrar parámetros
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que dieran respuesta las variables requeridas por el programa de simulación. Por ejemplo: Diferencias entre un intercambiador de calor contra y co-corriente, valores de potencia esperados en un compresor de un circuito de refrigeración, etc. De esta manera se trató de vincular el uso del programa con el proceso de incorporación contenidos informativos reales del entorno del estudiante, sin embargo no se logró cuantificar el éxito de esta estrategia.
Otra observación tal vez sorprendente del comportamiento de los estudiantes ante el programa de simulación, viene de la mano de la calidad de la interfaz gráfica presentada por la herramienta. Los alumnos tenían una expectativa de alta resolución gráfica, que al no ser satisfecha en la primera presentación del programa los impulsó a calificar la herramienta como “vieja” y “obsoleta”. De hecho, también se registró la expectativa de poder personalizar el fondo de pantalla de los modos de construcción y análisis del programa.
A pesar de que la utilización del programa va directamente asociada a los contenidos programáticos del curso, una proporción importante de los estudiantes (alrededor del 64%), lo percibieron como un contenido programático adicional. No se reportaron casos de estudiantes que utilizaran el programa para resolver y comparar resultados con los ejercicios propuestos en las sesiones de teoría. Incluso hasta la tercera clase en la sala de microcomputadoras, se detectaron estudiantes sin sus cuadernos de notas y/o la bibliografía recomendada para el curso. A pesar de que la evaluación de los cursos contemplaba la utilización del programa, las horas de consulta en su totalidad estuvieron centradas en la manera tradicional de resolver ciclos termodinámicos (con el uso de tablas y calculadora). Poca experticia en el uso del programa fue detectada a la hora de confrontar las evaluaciones, aunque los resultados fueron alentadores.
Un comportamiento observado de manera repetitiva en los cursos dictados, fue la impaciencia del estudiante por utilizar el programa y obtener de manera inmediata los resultados. Aunque no se cuantificaron las preferencias, el docente guía del curso percibió que los participantes realizaban menos consultas en el modo de construcción de los ciclos (esto es la conexión de los equipos con líneas de proceso según la intención), que en el modo de análisis, donde se debían ingresar los datos de los parámetros fundamentales para resolver el ciclo. Pocas veces el alumno revisaba los denominados tutoriales y menús de ayuda que ofrece el programa, sino que intentaban por ensayo y error lograr que el programa arrojara un resultado “lógico”. Incluso, en las interacciones colaborativas de los mismos participantes, no eran bien recibidas explicaciones pormenorizadas del programa, pues se deseaban obtener resultados de manera inmediata. Situación similar ocurría con los estudios de sensibilidad, reportándose solo un caso exitoso de esta tarea en las evaluaciones del uso del programa. Aparentemente, en las estructuras de aprendizaje de los participantes este era un contenido menor, prácticamente sacrificable a la hora de la evaluación, y evidentemente, el docente no logró transmitir la importancia de este componente en el proceso de resolución de problemas a sus estudiantes.
El 100% de los estudiantes entrevistados, no percibieron la necesidad de profundizar en la definición y descripción de las tareas necesarias para simular efectivamente procesos termodinámicos distintos a los contenidos en las librerías del programa CyclePad. Es decir, el participante daba por sentado que todos los casos a ser simulados ya se encontraban parcialmente previstos en el paquete, y que para fines prácticos, cualquier problema adicional solo implicaría un reacomodo de los elementos ya discutidos en las sesiones prácticas previas. Aunque se debe reconocer que la variedad de escenarios de ciclos termodinámicos a ser evaluados en la asignatura no es infinita, debe alertarse que el procedimiento regular desarrollado por los estudiantes, ciertamente permite afrontar con relativo éxito las evaluaciones planteadas, más no garantiza idoneidad para afrontar escenarios más reales. A pesar de recibir precisas instrucciones al respecto, los estudiantes muy pocas veces utilizaron herramientas complementarias como notas, identificación de archivos por caso, identificación personalizada de los equipos y líneas de flujo en los diagramas de proceso construidos. Más alarmante aún fue la ausencia de un registro o memoria de suposiciones de los parámetros seleccionados para analizar los ciclos. En el procedimiento desarrollado por los estudiantes, se trabaja cada modelo en un único archivo, el cual es modificado constantemente según los resultados obtenidos. Al no contar con una secuencia histórica y reproducible de las modificaciones propuestas y ejecutadas, el uso del programa adquiere un gran componente de ensayo y error, donde el aprendiz busca que el simulador no indique señales de alarma por inconsistencias, y que la respuesta obtenida se ajuste a lo obtenido por los pares o por el instructor.
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RESULTADOS OBTENIDOS
En la tabla 1 se muestran los resultados obtenidos a las preguntas cerradas realizadas a los estudiantes en las encuestas, en ellos se evidencia las apreciaciones de los participantes:
Tabla 1. Apreciaciones de los Estudiantes ante la utilización de Programas Computacionales en la Asignatura Termotecnia
PLANTEAMIENTO SI NO
Cree Usted que la Asignatura y las Herramientas aquí utilizadas sean necesarias para su futuro desempeño profesional 100 % 0%
Cree Usted que la Incorporación del Programa CyclePad en las actividades de clase fue favorable para su desempeño final en el Curso 56.8% 43.1%
Sugeriría Usted que se mantenga la utilización del Programa CyclePad como recurso regular del Curso 90.2% 9.8%
Cree Usted que el tiempo dedicado a las Actividades de Clase con el uso del programa fueron suficientes 32.3% 67.7%
Bajo la estrategia tradicional de instrucción, el número de estudiantes aprobados en el periodo 2005-2006 por curso se situaba alrededor de 33.5% promedio, a partir de la utilización de un nuevo esquema evaluativo (enero 2007), donde la herramienta CYCLEPAD forma parte de las estrategias de evaluación, el número de estudiantes aprobados por curso se situó en 48.2%. Sin embargo, el número de estudiantes que desertaban se mantuvo en un promedio de 50.2% para todos los casos.
CONCLUSIONES
La utilización de esta estrategia de aprendizaje activo ayudó a mejorar el rendimiento de los estudiantes; sin embargo, según las observaciones realizadas y las propias opiniones de los participantes, el resultado más dramático fue el cambio de la dinámica de la actividad enseñanza-aprendizaje, pues se evidenciaron discusiones técnicas entre el instructor y los participantes, y sobretodo facilitó el trabajo grupal de los pares. La posibilidad de que el mismo estudiante pudiera investigar a tiempo real sus inquietudes y dudas, y que del mismo modo pudiera construir e interpretar los ciclos termodinámicos asignados, promovió la adquisición de conocimientos y su posterior aplicación. REFERENCIAS 1. Santamaría, F. Herramientas colaborativas para la enseñanza usando tecnologías web: weblogs, redes sociales,
wikis, web 2.0. http://gabinetedeinformatica.net/descargas/herramientas_colaborativas2.pdf . 2005. Consultado en Abril 2009.
2. Luna Argud, M. Habilidades Docentes. http://hadoc.azc.uam.mx/tecnicas/expositiva.htm. 2007. Consultado el marzo 2009.
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Cap. 7. pp 267-285. 2003. 6. Delgado, R y Cambil, M. Uso de Software Educativo para el Aprendizaje de la Termodinámica.
http://www.ucla.edu.ve/viacadem/redine/jornadas/Memorias%20IV%20Jornadas%20de%20Investigacion%202008/R-016%20Memorias.pdf . 2008. Consultado abril 2009.
7. Ellis J. Improving Science Instruction with Microcomputers. NARST News 29 (4); 1987 8. Strauss, A. y Corbin, J. Bases de la investigación cualitativa. Técnicas y Procedimientos para desarrollar la
teoría fundamentada. Colombia: Universidad de Antioquia. 2002.
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CONTRIBUIÇÃO DA AUTO-CONSTRUÇÃO DE MÓDULOS DE LABORATÓRIO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE NA
FORMAÇÃO EM ENGENHARIA
Vitor Souza Viana Silva1 e Jorge Luis Zegarra Tarqui 2
1 Aluno de Mestrado em Engenharia de Recursos Hídricos do IPH- Universidade Federal do Rio Grande do Sul, RS, Brasil. email:[email protected]
2Dr. Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental, professor da Universidade Católica do Salvador e professor adjunto da Universidade do Estado da Bahia no Programa de Pós-graduação em Educação e
Contemporaneidade, Bahia, Brasil. e-mail: [email protected]
Área Temática: Formação
RESUMO
O presente trabalho discute a necessidade de definir as competências em engenharia, considerando os aspectos locais, regionais e nacionais, e com base nesse referencial se propõe uma metodologia para o desenvolvimento de projetos de construção de módulos de laboratório de uso múltiplo e de baixo custo a fim contribuir na melhoria das atividades de ensino, pesquisa e extensão. Para o desenvolvimento de cada projeto foram realizadas as seguintes atividades: a) levantamento de informação secundária referente a cada módulo; b) definição das equações teóricas a serem empregadas no cálculo; c) dimensionamento de cada módulo; d) definição dos parâmetros experimentais visando o uso do módulo para realização de pesquisa básica e experimental; e) aspectos construtivos e avaliação da viabilidade econômica do módulo. Como frutos desses trabalhos foram projetados os seguintes módulos de laboratório: um módulo de laboratório de transporte de sedimentos, um módulo para jatos de orifícios e um módulo de medição de vazão com vertedores. Atualmente a pesquisa encontra-se inicio da construção dos módulos. Outra atividade contemplada é um processo de divulgação dos resultados, para isso, pretendem-se constituir um grupo de discussão, envolvendo professores das escolas de engenharia da Bahia, responsáveis pelos laboratórios, e posteriormente realizar uma oficina discutindo aspectos de auto-contrução de módulos.
PALAVRAS-CHAVE: Formação em Engenharia, Módulos, Fenômenos de transporte, Hidráulica Experimental INTRODUÇÃO
As universidades são definidas como instituições pluridisciplinares de formação dos quadros profissionais de nível superior, de pesquisa, de extensão e de domínio e cultivo do saber humano, conforme a Lei 9.394/96. As universidades como parte da educação superior do Brasil tem as seguintes finalidades:
- estimular a criação cultural e o desenvolvimento do espírito científico e do pensamento reflexivo; - formar diplomados nas diferentes áreas de conhecimento, aptos para a inserção em setores profissionais
e para a participação no desenvolvimento da sociedade brasileira, e colaborar na sua formação contínua; - incentivar o trabalho de pesquisa e investigação científica, visando o desenvolvimento da ciência e da
tecnologia e da criação e difusão da cultura, e, desse modo, desenvolver o entendimento do homem e do meio em que vive;
- promover a divulgação de conhecimentos culturais, científicos e técnicos que constituem patrimônio da humanidade e comunicar o saber através do ensino, de publicações ou de outras formas de comunicação;
- suscitar o desejo permanente de aperfeiçoamento cultural e profissional e possibilitar a correspondente concretização, integrando os conhecimentos que vão sendo adquiridos numa estrutura intelectual sistematizadora do conhecimento de cada geração;
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- estimular o conhecimento dos problemas do mundo presente, em particular os nacionais e regionais, prestar serviços especializados à comunidade e estabelecer com esta uma relação de reciprocidade;
- promover a extensão, aberta à participação da população, visando à difusão das conquistas e benefícios resultantes da criação cultural e da pesquisa científica e tecnológica geradas na instituição.
A fim de se manter no estatus de universidade, as ações destas instituições procuram uma interação entre o ensino, pesquisa e extensão, a fim de atingir melhoras nos indicadores de avaliação.
Outro conceito trabalhar é de competência, TUPPY e ARRUDA [1] discutem a competência como: Por outro lado, o processo de formação estará associada à competência, definida por como: Em Le Boterf (1995) nota-se que a competência não é um estado e nem um conhecimento que se possui. Ela não se reduz nem a um saber e nem a um saber fazer; tampouco ela é assimilável em um curso de formação, implicando na necessidade do “querer fazer”. Possuir os conhecimentos e as capacidades não significa ser competente. O conhecimento das técnicas ou regras de um dado serviço deve estar acompanhado do desejo de aplicá-las no momento oportuno. Assim, competência se realiza na ação e “é competente aquele que sabe mobilizar seus conhecimentos e suas qualidades para enfrentar um dado problema” (MANDON, apud LE BOTERF, 1995).
Observa-se uma relação direta entre as atividades (ensino, pesquisa e extensão) e finalidades da universidade e o conceito de competência do individuo, então mudanças ou ações dentro dos níveis de ensino, pesquisa e extensão, automaticamente afetaram as competências dos formandos da universidade.
Por outro lado, a universidade em procura de uma excelência nas suas funções deve ter no mínimo uma infra-estrutura (física e humana) adequada. Nesse sentido, a construção de uma infra-estrutura física deve atender as demandas das funções (ensino, pesquisa e extensão) e contribuir no desenvolvimento de competência do individuo. A falta ou não adequação desta infra-estrutura determina um fracasso na missão da universidade dentro da sociedade.
No ensino Superior Brasileiro, observa-se uma diferença regional na produção intelectual da engenharia, isso é reflexo da disparidade de infra-estrutura (física e humana) entre as regiões. No contexto do Estado da Bahia, observa-se uma disparidade marcante da infra-estrutura entre universidades federais e estaduais, no âmbito do ensino público, sendo as primeiras possuidoras de melhor situação. Na comparação entre o público e privado, observa-se uma disparidade, neste caso as instituições públicas possuem melhores infra-estruturas.
Restringindo a discussão no âmbito da infra-estrutura física, especificamente, a laboratorial em engenharia, ressalta-se a sua importância, na contribuição na melhora das atividades de ensino, pesquisa e extensão. No casso do estudo dos conceitos e formulações da mecânica dos fluidos [2], como uma disciplina comum, devido a sua importância na resolução de problemas ligados as engenharias Mecânica, Civil, Elétrica e outras. Os fenômenos físicos, envolvendo fluidos, encontrados na resolução desses problemas são complexos, são abordados mediante conceitos físico-matemáticos junto a uma prática empírica, tornando-se formulações teórico-empíricas. A prática empírica é fundamentada em estudos de campo, in loco, ou através da construção de equipamentos de laboratório, o estudo em laboratório apresenta suas vantagens por permitir o controle dos parâmetros físicos envolvidos.
O estudo em laboratório é baseado na análise dimensional, onde, equipamentos para diferentes escalas produzem os mesmos fenômenos. Conforme Pimenta [3] não existe nenhuma outra área da física em que a teoria da semelhança mecânica tenha contribuído tanto quanto na mecânica dos fluidos. Essa teoria permite o estudo dos problemas reais da hidrodinâmica em escala de laboratório, com o objetivo de ensaiar em um modelo de pequenas proporções para se ter conclusões sobre o que ocorrerá no protótipo. Referente a essa teoria, existe a possibilidade de construção de equipamentos, ‘modelos’, com aplicação no subsídio das pesquisas permitindo o estudo dos problemas relacionados aos fenômenos hidrodinâmica.
No âmbito do ensino, os conceitos e formulações, no contexto físico-matemática, o estudo dos fenômenos físicos dos fluidos, observados na engenharia, são complexos, a restrição do ensino da graduação nesse aspecto determina uma deficiência da visualização e um verdadeiro entendimento destes fenômenos. Neste sentido, a prática laboratorial se constitui em um instrumento de importância como complemento da parte teórica das disciplinas ligadas aos Fenômenos de Transporte no curso de Engenharia.
Referente à extensão, os módulos farão parte da instrumentação do laboratório, permitindo o futuro emprego quando houver realização de atividades de capacitação experimental, para profissionais atuantes nos setores de irrigação, energia hidráulica, saneamento e da indústria e como atividades extracurriculares para os alunos do curso de graduação da Universidade.
Neste contexto fica transparente a importância dos módulos de laboratório no âmbito de pesquisa, ensino e extensão. Por outro lado os custos para aquisição de módulos comerciais são considerados altos além de serem muito específicos e restritos para ensino e extensão, limitando o seu uso para pesquisa. Nessa perspectiva a possibilidade de elaboração de projetos para construir módulos de uso múltiplo (pesquisa-ensino-extensão) e de baixo custo visa contribuir na melhoria das atividades de ensino pesquisa e extensão, além das competências dos alunos das universidades.
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METODOLOGIA E RESULTADOS
Deve-se ressalvar que ao longo de um ano, o grupo de pesquisa Engenharia Ambiental desenvolveu uma linha de pesquisa, junto com estudantes de graduação, referente a projetos de construção de módulos de laboratório. Nesse sentido, foram desenvolvidas monografias de trabalho de conclusão de curso (TCC) e de iniciação científica abordando este tema.
Para o desenvolvimento de cada projeto foram realizadas as seguintes atividades:
a) Levantamento de informação secundária referente a cada módulo;
b) Definição das equações teóricas a serem empregadas no cálculo;
d) Dimensionamento de cada módulo;
e) Definição dos parâmetros experimentais visando o uso do módulo para realização de pesquisa básica e experimental;
f) Aspectos construtivos e avaliação da viabilidade econômica do modulo Como frutos desses trabalhos foram propostos os módulos de laboratório a seguir.
Módulo de laboratório de transporte de sedimentos
No dimensionamento do canal foram empregadas as equações de hidráulica de Chezy-Mannning [4]
sendo testados fundos de canal para fundo liso e fundo rugoso (referentes às faixas granulométricas de areia fina, fina e média). Sendo definidas as seguintes dimensões que altura do canal de 25 cm, a lagura de 10 cm e o comprimento de 3 metros. Os parâmetros de funcionamento do equipamento são para uma declividade de 0 a 10 % e uma vazão de funcionamento de ate 3,75 litros por segundo. O material sólido utilizado no cálculo foi composto por areia fina, média e grossa. O material foi selecionado em faixas granulométricas conforme tabela 1.
Tabela 1: Faixas granulométricas de areia
Faixa Granulométrica
(mm) Diâmetro médio
(mm) 0,125-0,250 0,187
0,250-0,500 0,375
0,500-1,000 0,750
Figura 1. Gráfico de Shields para o cálculo do início de movimento [5]. Para G (densidade relativa dos grãos) = 2,65
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O canal permite estudo de inicio de movimento do sedimento do fundo, para areia muito fina, areia fina e
areia media, para o cálculo das condições de escoamento foi usada gráfico de Shields (Figura 1). Como exemplo, é apresentado o cálculo de inicio de movimento para coeficiente de rugosidade de
Manning de 0,028 e grão médio (d= 0,375 mm)
Tabela 02. Cálculo da altura da lâmina de água e vazão para o inicio de movimento para areia média para diferentes declividades em um canal retangular.
I hw(cm) Q(l/s)
0,001 4 0,4
0,0009 5 0,5
0,0008 7 0,6
0,0007 9 0,9
Onde Q é vazão, I é a declividade e hw é o nível da água
Cálculos similares foram realizados para diâmetros de areia muito fina e muito fina. O equipamento permite o estudo de sedimento transportado por arraste de fundo, mediante o método de
Van Rijn [5]. No um regime mais baixo, a geometria da forma do fundo, tem uma representatividade da altura da duna � e comprimento da duna �, é função da quantidade da altura do escoamento h, diâmetro médio da partícula d50, e outro parâmetro de escoamento de tal modo que tem como parâmetro de transporte T. A continuação é apresentada uma tabela do cálculo da forma de fundo para uma vazão Q=1,2 l/s com declividade de 0,0009 para areia média.
Tabela 03. Formas de fundo para canal retangular para escoamento de água com areia média no fundo
H (cm) � (m) �(m)
0,1 0,013 0,75
Também é possível determinar o transporte do fundo (qb) por unidade de largura (m3/s-m) é dado por:
( )[ ]5,1
505,0
3,0*
)1,2(
1053,0 DgsDT
qb −= (1)
Por exemplo, para as mesmas condições mencionadas no parágrafo anterior a vazão mássica sendo
transportada no fundo é qb (m2/s-m) = 8,41x10-7
A medição de velocidade para escoamento bifásico é mediante a concepção teórica do equipamento [6] parte de uma adaptação de uma sonda tipo Pitot pressurizada feita a partir do trabalho de Wang [6]. Baseados na concepção teórica apresentada na figura 4, parte-se do princípio de que a altura total do escoamento com sedimento, num ponto qualquer, determinará uma altura equivalente em água limpa. Supõe-se que a única forma de transferência de sedimentos entre a sonda Pitot, enchida com água limpa, e o escoamento com sedimento é via difusão molecular, forma de transferência de massa pouco rápida, podendo-se considerar que os dois fluidos sejam imiscíveis.
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Figura 2. Sonda tipo Pitot concepção teórica [6]
Da figura define-se a velocidade média em cada ponto de profundidade:
)(2 _ maguatotalm
m hhgu −=ρρ (2)
Onde ρ e ρm são as massa específicas da água e da mistura, respectivamente, Cv é a concentração volumétrica, htotal_m e hm são respectivamente as alturas total e estática do escoamento com sedimento, htotal_água é a altura total da água equivalente à altura total do escoamento com sedimento e um é a velocidade do escoamento com sedimento. A continuação é mostrado o desenho do canal:
Figura 3. Vista lateral do canal
Figura 4. Módulo de transporte de sedimentos
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Módulo para jatos de orifícios
Permitindo a visualização e a medição física do fenômeno. No dimensionamento, usou-se da formulação de Bernoulli ajustada para fluidos reais, considerando os coeficientes de velocidade, para diferentes diâmetros e formas de orifícios com diferentes cargas ou níveis de água [3] e [7]. A trajetória do jato será medida em um sistema de referencia, nos eixos x e y, em um papel milimetrado, no caso da forma de medição do perfil do jato optou-se por um sistema proposto pela ArmField [8]. Paralelamente, estudou-se a possibilidade da aplicação das diferentes técnicas de iluminação fotográficas para a visualização de fluidos [9].
Figura 5. Módulo de jatos de orifício
Assim como o processo de captura de imagens, por uma câmara filmadora digital, e a transferência ao computador, a fim de realizar a análise das imagens mediante software de tratamento de imagens, que permitam estabelecer as características físicas do jato como, grau de contração, descrição da trajetória, e outras. E comparar com as medidas diretas observadas na literatura de hidráulica.
Figura 6. Dimensões das Peças
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Figura 7. Detalles das peças do módulo
Módulo de medição de vazão com vertedores Foi desenvolvido um reservatório de circuito fechado, composto por duas seções de escoamento em série,
que permitem o estudo de vários tipos de vertedores de parede fina (retangular, quadrado e triangular) com varias dimensões [4], no caso da forma da estrutura, optou-se por um sistema parecido ao proposto pela ArmField [10].
Figura 8. Módulo de medição de vazão com vertedores.
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Figura 9. Dimensões dos vertedores (triangular e retangular)
CONSIDERAÇÕES FINAIS Atualmente a pesquisa encontra-se em procura de financiamento para construção dos módulos. Outra atividade contemplada é um processo de divulgação dos resultados, para isso, pretendem-se constituir um grupo de discussão, envolvendo professores das escolas de engenharia da Bahia, responsáveis pelos laboratórios, e posteriormente realizar uma oficina discutindo aspectos de auto-contrução de módulos e de sua importância na melhora das atividades da universidade e da contribuição nas competências dos alunos e formados de engenharia. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Tuppy, M. I. N. e Arruda, N. C. de. Escolaridade, competências e inserção profissional, Revista da
FAEEBA: Educação e contemporaneidade, Salvador: UNEB, v. 1, n. 1 (jan./jun.), 2006. 2. Fox, R. W. e McDonald, A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. Rio de Janeiro: LTC Editora, quinta
edição, 2001. 3. Pimenta, C. F. Curso de Hidráulica Geral, Editora Guanabara, Rio de Janeiro, 4ª ed. 1981, 482 p. 4. Porto, R. M. Hidráulica Básica, Editora São Carlos, São Paulo, 3ª ed. 2004, 504 p. 5. Julien, P.Y. Erosion and Sedimentation. Cambridge: University of Cambridge Press. 1995. 6. Tarqui, J. L. Z. Padrões de escoamento de fluido de mistura água-sedimento fino em lâmina de pouca
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junho de 2007 9. Tarqui, J. L. Z. Visualização de fenômenos de alta freqüência em um sistema jato-placa, Dissertação de
Mestrado na Universidade Federal de Uberlândia, 1996, 120 p. 10. Armfield (b). Basic Hydraulics Benc. http://www.armfield.co.uk/fcna.html. Acessado em junho de 2007.
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LA MECÁNICA DE ARQUÍMEDES EN EL DESARROLLO DE LAS MÁQUINAS
Marco Ceccarelli
LARM: Laboratorio de Robotica y Mecatrónica, Universidad de Cassino, Italia
Área Temática: Historia RESUMEN
Arquímedes resulta ser una personalidad destacable de la Antigüedad por sus contribuciones en muchos campos, tanto que todavía llama mucho la atención en aspectos históricos e historiográficos como también en análisis del desarrollo de la técnica. En particular, en este artìculo se ha destacado el desarollo que a partir de su mecànica con principios teóricos y prácticos puede todavía reconocerse en la moderna Ciencia de Máquinas y Mecanismos. Además, moderno es el enfoque de Arquímedes en abordar la mecánica de las máquinas con entusiasmo determinístico resumido en su lema ‘Denme un punto de apoyo y moveré el mundo’
PALABRAS CLAVE: Ciencia de Máquinas y Mecanismos; Historia de la Mecánica; Historia de la Máquinas. INTRODUCCIÓN
El enfoque Aristotélico ha sido dominante en el estudio y desarrollo de la mecánica y su aplicación a la máquinaria hasta el redescubrimiento de la ingeniería romana o más bien de las obras de Arquímedes, que ocurrió durante el Renacimiento. Además, la atenta reconsideración de las máquinas de la Antigüedad junto a la interpretación de la Mecánica de Arquímedes y de su aplicación en una primordial teoría de mecanismos han sido aspectos fundamentales en el primer desarrollo de la mecánica moderna y de su aplicaciones durante el Renacimiento, como se comenta en [1].
En el trabajo que se propone, se ha revisado la obra de Arquímedes con respecto a las implicaciones hacia una teoría de mecanismos a partir de su consideraciones en las obras de científicos del Renacimiento, [2-5]; se identificará la influencia del enfoque de Arquímedes en las primeras obras teóricas de teoría de mecanismos por Guidobaldo Del Monte, [6], y Galileo Galilei, [7], hasta reconocer estos mismos elementos conceptuales en los primeros desarrollos de la moderna TMM (Teoria de Máquinas y Mecanismos) en el siglo 19, como por ejemplo en [9, 10]; finalmente la influencia de la mecánica de Archimede se indicarà todavia en enfoques de la actual MMS (Ciencia de Máquinas y Mecanismos), sobretodo en el estudio de los mecanismos para una clasificacion con un principio unificador, tal como indicado en [11].
Las contribuciones todavia actuales de la mecánica de Arquímedes se pueden reconocer en la identificacion de elementos basicos para mecanismos y máquinas y en un examen analitico de una mecánica básica a todos esos elementos y por lo tanto a todas las máquinas, con principios que todavia son de mecánica moderna, [8]. En particular, la mecánica de la palanca introducida rigurosamente por Arquímedes ha sido elemento de desarrollo teórico y técnico, tanto en descrubir el par de una fuerza y su balanceo, como en aplicación al invento de nuevas máquinas (como la bomba de Arquímedes). Además de esos contentidos específicamente técnicos, hay que reconocer a Arquímedes de haber prestado una atención particular a la mecánica y a sus aplicaciones técnicas con grandes resultados tanto para conseguir un carácter de autonomía disciplina científica y dignidad profesional ya en su tiempo. La atención a la figura de Arquímedes y a su obra ha sido de gran interés desde la Antigüedad y todavía sigue estimulando estudios y investigaciones tanto en publicaciones y enciplopedias, como por ejempo en [12-20], como en congresos , como por ejemplo en [21, 22]. Es todavía encantador entender la obra de Arquímedes y descubrir su modernidad tanto en actividades investigadoras como en su mecánica y diseño de máquinas.
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ARCHIMEDES Y SU OBRA
Arquímedes (en griego antiguo: Ἀρχιµήδης) (c. 287 a. C. – c. 212 a. C.), Fig.1 a), fue un matemático griego, físico, ingeniero, inventor y astrónomo que desarrollò su actividad en Siracusa (en la isla de Sicilia en Italia, en esa época Magna Grecia), Fig. 1 b) y c). Hoyendia todavía permanecen muchos restos de la antigua Siracusa (en parte en Ortygia) en donde viviò Arquimedes: el teatro griego, el castillo Euryalos que Arquìmedes contribuyò a reforzar como fortaleza, y la catedral cuya estructura es del templo del V siglo a.C. Se conocen pocos detalles de su vida, aunque desde la antigüedad clásica es considerado uno de los científicos más importantes de la antigüedad clásica. Su principales contribuciones en la técnica pueden reconocerse en hidrostática y mecánica (en particular en estática y en la explicación del principio de la palanca). Ademàs, Arquímedes probó que la esfera tiene dos tercios de volumen y superficie del cilindro (incluyendo las bases de estos), lo cual consideró el más grande de sus descubrimientos matemáticos. Es reconocido tambien por haber diseñado innovadoras máquinas, incluyendo armas de asedio y el tornillo (o bomba) de Arquímedes. Arquímedes diseñó tambien máquinas capaces de sacar barcos enemigos del agua y prender fuego utilizando una serie de espejos, tal como historiadores romanos cuentan refiriéndose al asedio de Siracusa (214–212 a. C.) durante la Segunda Guerra Púnica por las armadas romanas al mando del cónsul Marco Claudio Marcelo. Arquímedes fue asesinado por un soldado romano, a pesar de las órdenes del cónsul Marcelo de que no debía ser dañado una vez ganada la ciudad. Cicerón describe haber visitado la tumba de Arquímedes, que tenía una esfera inscrita dentro de un cilindro sobre ella.
a) b) c)
Fig. 1. a) Retrato de Arquímedes; b) la península Ortygia de la ciudad de Siracusa; c) el castillo Maniace
En particular, se considera a Arquímedes como uno de los más grandes matemáticos de la historia, que ademàs proporcionò el uso de la teoria en aplicaciones prácticas. Usó el método de agotamiento para calcular el área bajo el arco de una parábola como la sumatoria de una serie infinita, y dio una aproximación extremadamente precisa del número π. También definió la espiral, fórmulas para los volúmenes de las superficies de revolución y un ingenioso sistema para expresar números muy largos. A diferencia de sus inventos, los escritos matemáticos de Arquímedes no fueron muy conocidos en la antigüedad. Los matemáticos de Alejandría lo leyeron y lo citaron, pero la primera compilación comprensible fue hecha por Isidoro de Mileto (c. 530 d. C.), mientras crónicas de las obras de Arquímedes escritas por Eutocio en el siglo VI las abrieron por primera vez a un público más amplio. Las relativamente pocas copias de trabajos escritos de Arquímedes que sobrevivieron a través de la Edad Media fueron una importante fuente de ideas durante el Renacimiento, mientras el descubrimiento de trabajos en el Palimpsesto de Arquímedes en 1906 ha ayudado a comprender cómo obtuvo resultados matemáticos. Remarcable es la traducion en Latin del escrito de Eutocio por Jacobus Cremonensis del 1458 que fue encargada por el papa Nicolas IV y ahora todavía en la biblioteca vaticana.
Es posible que, durante su juventud, Arquímedes estudiase en Alejandría, en Egipto, donde Conon de Samos y Eratóstenes de Cirene eran contemporáneos suyos. Se refería a Conon de Samos como su amigo y dos de sus trabajos (El Método de los Teoremas Mecánicos y el Problema del Ganado) tienen introducciones dirigidas a Eratóstenes. Las últimas palabras atribuidas a Arquímedes fueron "No molestes mis círculos", en referencia a los círculos en el dibujo matemático que supuestamente estaba estudiando cuando lo interrumpió el soldado romano. La frase es citada en latín como "Noli turbare círculos meos", pero no hay evidencia de que Arquímedes pronunciara esas palabras y no aparecen en las historias de Plutarco.
Si bien Arquímedes no inventó la palanca, sí que escribió la primera explicación rigurosa del principio que entra en
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juego al accionarla. Según Pappus de Alejandría, debido a su trabajo sobre palancas comentó: "Denme un punto de apoyo y moveré el mundo". (en griego: δῶς µοι πᾶ στῶ καὶ τὰν γᾶν κινάσω). Plutarco describe cómo Arquímedes diseñó el sistema de polipasto, permitiendo a los marinos usar el principio de palanca para levantar objetos que, de otro modo, hubieran sido demasiado pesados como para moverlos. Con un sistema de este tipo se cuenta que ganò una provocacion culural que le tirano Heron le propuse en llevantar un grande barco sin falta de los cien hombres que se habrian necesitado. Con un sistema de varios polipastos Arquímedes sentado en una silla levantò el barco con gran clamor en los presentes.
También se le ha acreditado a Arquímedes haber aumentado el poder y la precisión de la catapulta, así como haber inventado el odómetro durante la Primera Guerra Púnica. El odómetro fue descrito como un carro con un mecanismo de engranaje que tiraba una bola en un contenedor después de cada milla recorrida. El filosofo y cientifico Pappus de Alejandría dijo que Arquímedes había escrito un manuscrito (ahora perdido) acerca de la construcción de mecanismos para planetarios, el cual se titulaba "Sobre hacer esferas". Investigaciones mordernas en esta área se han enfocado en el mecanismo de Antiquitera, que parece diseñado probablemente con el mismo propósito. Construir mecanismos de este tipo requier un sofisticado conocimiento de engranajes diferenciales que se pensaba alcanzado sólo en época moderna.
El invento más importante puede considerarse el tornillo de Arquímedes. Un Tornillo (o bomba) de Arquímedes es una máquina utilizada para elevación de agua, harina o cereales. Fue inventado por Arquímedes, del que recibe su nombre (tambien es llamado Tornillo Sinfín por su circuito en infinito), aunque existen hipótesis de que ya era utilizado en Egipto. Se basa en un tornillo que se hace girar dentro de un cilindro hueco, situado sobre un plano inclinado, y que permite elevar el agua situada por debajo del eje de giro. Desde su invención hasta ahora se ha utilizado principalmente para el bombeo de fluidos.
A pesar de los muchos inventos y máquinas, la obra de Arquímedes consiste de importantes escritos que se recuperaron principalmente durante el Renacimiento, también con discusiones para el desarollo de la matemática y de las máquinas. Estos trabajos, que nos han llegado también interpretados como por ejemplo en [20], se resumen en los seguientes: • Sobre el equilibrio de los planos (dos volúmenes): El primer libro consta de quince proposiciones con siete axiomas, mientras que el segundo consta de diez. En esta obra, Arquímedes explica la ley de la palanca, afirmando ‘Las magnitudes están en equilibrio a distancias recíprocamente proporcionales a sus pesos’. Arquímedes usa los principios derivados para calcular las áreas y los centros de gravedad de varias figuras geométricas, incluyendo triángulos, paralelogramos y parábolas. • Sobre la medida de un círculo: Está escrito, consistente en tres proposiciones, en forma de una carta a Dositeo de Pelusio, quien fue un estudiante de Conon de Samos. En la proposición II, Arquímedes muestra que el valor de π (Pi) es mayor que 223/71 y menor que 22/7. Esta cifra fue usada como una aproximación de π a lo largo de la Edad Media y aún hoy es usada cuando se requiere de una cifra cercana. • Sobre las espirales: Esta obra de 28 proposiciones también está dirigida a Dositeo. El tratado define lo que hoy se conoce como la espiral de Arquímedes. Este es el lugar geométrico de los puntos correspondientes a las posiciones de un punto, en funciòn del tiempo, que es movido hacia afuera desde un punto fijo con una velocidad constante junto con una línea que rota con una velocidad angular constante. Equivalentemente, en coordenadas polares, (r, θ) puede ser descrito por la ecuación r = a + b θ con a y b como números reales. Este es un ejemplo temprano de la curva mecánica (una curva trazada por un punto) considerado por un matemático griego. • Sobre la esfera y el cilindro (dos volúmenes): En este tratado, dirigido a Dositeo, Arquímedes llega a la relación entre una esfera y un cilindro cirscunscrito con la misma altura y diámetro. El volumen es 4/3 π r3 para la esfera, y 2πr3 para el cilindro. El área de la superficie es 4πr2 para la esfera, y 6πr2 para el cilindro (incluyendo sus dos bases), donde r es el radio de la esfera y del cilindro. La esfera tiene un área y un volumen equivalentes a dos tercios de los del cilindro. A pedido del propio Arquímedes, se colocaron sobre su tumba las esculturas de estos dos cuerpos geométricos. • Sobre los conoides y esferoides: En este tratado en 32 proposiciones, Arquímedes calcula las áreas y los volúmenes de las secciones de conos, esferas y paraboloides. • Sobre los cuerpos flotantes (dos volúmenes): En la primera parte de este tratado, Arquímedes explica la ley del equilibrio de los fluidos, y prueba que el agua adopta una forma esférica alrededor de un centro de gravedad. Esto puede haber sido un intento de explicar las teorías de astrónomos griegos contemporáneos, como Eratóstenes, que afirmaban que la tierra es redonda. Los fluidos descritos por Arquímedes no son auto-gravitatorios, debido a que él
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asume la existencia de un punto hacia el cual caen todas las cosas, dándole así la forma esférica. En la segunda parte, calcula las posiciones de equilibrio de las secciones de los paraboloides. Esto fue, probablemente, una idealización de las formas de los cascos de los barcos. Algunas de sus secciones flotan con la base bajo el agua y la cumbre sobre el agua, de una manera similar a como flotan los icerbergs. El principio de flotabilidad de Arquímedes es dado en la obra como: Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado. • La cuadratura de la parábola: En este trabajo de 24 proposiciones, dirigido a Dositeo, Arquímedes prueba por dos métodos que el área cercada por una parábola y una línea recta es 4/3 multiplicado por el área de una triángulo de igual base y altura. Obtiene esto calculando el valor de una serie geométrica que suma al infinito con el radio 1/4. • Stomachion: Este es un rompecabezas de disección similar a un Tangram, y el tratado que lo describe fue encontrado en una forma más completa en el Palimpsesto de Arquímedes. Arquímedes calcula las áreas de las 14 piezas que pueden ser ensambladas para formar un cuadrado. Este puzzle representa un ejemplo temprano de un problema de combinatoria. El origen del nombre del puzzle es incierto; se ha sugerido que puede haber surgido de la palabra griega para garganta, stómakhos (στόµαχος). Ausonio se refiere al puzzle como Ostomachion, una palabra griega compuesta por las raíces ὀστέον (osteon - hueso) y µάχη (machē - pelea). El puzzle es también conocido como el Loculus de Arquímedes o como la Caja de Arquímedes. • El problema del ganado: Esta obra fue descubierta por Gotthold Ephraim Lessing en un manuscrito griego consistente en un poema de 44 líneas, en la Herzog August Library en Wolfenbüttel, Alemania, en 1773. Esta Está dirigida a Eratóstenes y a los matemáticos de Alejandría. Arquímedes los reta a contar el número de reses en la Manada del Sol, resolviendo un número de ecuaciones diofánticas simultáneas. Hay una versión más difícil del problema en la cual se requiere que algunas de las respuestas sean números cuadrados. • El contador de arena: En este tratado, Arquímedes cuenta el número de granos de arena que entrarían en el universo. Este libro menciona la teoría heliocéntrica del Sistema solar propuesta por Aristarco de Samos, e ideas contemporáneas acerca del tamaño de la Tierra y las distancias de varios cuerpos celestes. Usando un sistema de números basado en la capacidad de la miríada, Arquímedes concluye que el número de granos de arena que se requerirían para llenar el universo sería de 8×10, en notación moderna. La carta introductoria afirma que el padre de Arquímedes era un astrónomo llamado Phidias. El contador de arena o Psammites es la única obra sobreviviente de Arquímedes en la que se habla de sus visiones sobre la astronomía. • El método de teoremas mecánicos: Este tratado fue considerado como perdido hasta el descubrimiento del Palimpsesto de Arquímedes, en 1906. En esta obra, Arquímedes usa infinitesimales, y muestra cómo el fraccionar una figura en un número infinito de partes infinitamente pequeñas puede ser usado para calcular su área o volumen. Arquímedes puede haber considerado este método careciente de rigor formal, así que también usó el método de agotamiento para llegar a los resultados. • El libro de Lemmas (obra considerada apocrifa): El libro de Lemmas o Liber Assumptorum es un tratado de quince proposiciones sobre la naturaleza de los círculos. La copia más antigua del texto está escrita en árabe. Los estudiosos T. L. Heath y Marshall Clagett argumentaron que no pudo haber sido escrito por Arquímedes en esa versión, debido a que él es citado en el texto, lo cual sugiere que fue modificado por otro autor. Todavia, el Lemmas puede estar basado en una obra más antigua, ahora perdida, escrita por Arquímedes. El Palimpsesto de Arquímedes es el documento más importante que contiene la obra de Arquímedes. Los tratados en el Palimpsesto de Arquímedes son: Sobre el equilibrio de los planos , Sobre las espirales, Medida de un círculo, Sobre la esfera y el cilindro, Sobre los cuerpos flotantes, El método de los teoremas mecánicos y Stomachion. En 1906, el profesor Johan Ludvig Heiberg visitó Constantinopla y examinó un pergamino de piel de cabra de 174 páginas con oraciones escritas en el siglo XIII d. C. Descubrió que era un palimpsesto, un documento con texto que ha sido escrito sobre una obra anterior borrada. Las obras más viejas en el palimpsesto fueron identificadas por estudiosos como copias del siglo X de tratados de Arquímedes anteriormente desconocidos. El pergamino pasó cientos de años en la biblioteca de un monasterio de Constantinopla, antes de ser vendido a un coleccionista privado en la década de 1920. El palimpsesto contiene siete tratados, incluyendo la única copia sobreviviente Sobre los cuerpos flotantes en el original en griego. Es la única fuente de El método de los teoremas mecánicos. Stomachion también fue descubierto en el palimpsesto, con un análisis más completo del puzzle que había sido encontrado en textos anteriores. LA MECÁNICA DE ARQUIMEDES EN EL DESARROLLO DE TMM (CMM) La mecánica de Arquímedes puede reconocerse un desarrollo para TMM (CMM) considerando los aspectos:
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- estudios teoricos y matematicos utiles al análisis y síntesis de mecanismos - fundamentos experimentales para teoría y práctica de la mecánica de máquinas - aplicación a la ingeniería con inventos de máquinas
Ademàs, como resultado del conocimineto de la mecánica y su exitosa aplicacion en inventos, construciones y operaciones de máquinas, Arquímedes exprime en toda su obra un gran entusiasmo y optimismo en las posibilidades de la ciencia y de su aplicacion práctica que puede resumirse en su motto: ‘Denme un punto de apoyo y moveré el mundo’, tal como fue reconocido a lo largo de los siglos, como por ejemplo en la portada del libro de Guidobaldo Del Monte en 1577, en donde se toma la mecánica de Arquímedes como base y referencia para el estudio de las mecánicas de las máquinas elementares. El enfoque teórico y matemático de Arquímedes està desarrollado con rigurosidad pero no finalizado a si mismo. El estudio y las formulaciones siguientes (expresadas con deducciones que fácilmente pueden interpretarse con modernas fórmulas) son desarrolladas para sus aplicaciones tanto en explicar los problemas abordados como en identificar soluciones inventivas. Por eso, los tratados de Arquímedes pueden considerarse base y complemento a su actividad de inventor y proyectista de máquinas. Este aspecto permite ligar su actividad teórica y de matemático a su actividad experimental y a su práctica de la mecánica, tanto como a su aplicacion en inventos de máquinas.
Tal como se puede apreciar en sus escritos, Arquímedes toma como base la observación de los fenomenos naturales o más bien del funcionamiento de sistemas existentes. Comprendido ellos en los aspectos generales y peculiares de eventos reales, Arquímedes estudia y propone un esquema lógico y consecuentemente un desarrollo teorico que pueden permitir no solamente preveer futuros eventos y funcionamientos, sino también deducir nuevas ideas y posibilidades de nuevas soluciones tanto estructurales como funcionales.
En este sentido es emblematico y soprendente como Arquímedes llegò a entender y formular un principio unico con el cual explicar el funcionamiento de la gran variedad de máquinas que ya existian en su tiempo. No es tanto la identificacion de las máquinas elementales con las cuales se pueden esquematizar todos los componentes de máquinas de cualquiera complejidad, si no más bien la identificación de la mecánica de palanca (más bien conocida como ley de la palanca) como principio de funcionamemnto de cualquier mecanismo.
Dentro de ese estudio Arquímedes explicitò por primera vez el equilibrio de cuerpos como relaccionado al par de fuerzas. Destacable es tambien como examinò el fenomeno mecanico y su applicacion en aparatos ya existentes, extrapolando su mecánica a partir de un esquema general mecánico y matemático. Existían ya en Egipto balanzas para medir y comparar pesos, como indicado en muchos documentos y expresiones artísticas, como por ejemplo en la pintura de Fig.2, en las cuales se utilizaba el funcionamento de la mecánica de la palanca, tal vez aùn conociendola. Muy probablemente también Arquímedes pudo conocer y apreciar la técnica egipcia en balanzas de todos tipos. Pero él fue el que examinó y formuló la mecánica de la palanca con rigurosidad y generalidad en la obra ‘sobre el equilibrio de los planes’ basando su tesis en siete postulatos determinados por un atenta análisis de eventos experimentales tambien en la practica diaria con balanzas y otros sistemas. Considerando la evidencia natural en los siete postulatos con referencia tambien a la determinacion del centro de gravidad en cuerpos rígidos, Arquímedes ha formualdo el equilibrio como debido a condiciones relaccionadas a peso y distancia del cuerpo desde su punto de rotación, así indicando el equilibrio a traves de pares de fuerzas debidos a los pesos para ambas partes de la palanca.
En Fig.3 se indica la gráfica del proceso de análisis desde la observacion a travès de su esquema en Fig. 3 a) hacia el modelo mecánico-matemático en Fig.5 b). La Fig. 5 a) extraída del libro por Del Monte y la Fig.3 b) es una interpretación moderna con referencia a los parámetros considerado por Arquimedes en su escritos. Ademàs de su misma importancia, la ley de la palanca fue utilizada por Arquímedes, y tal vez extendida en los textos de recuperación de la obra de Arquímedes durante el Renacimeinto, sobretodo en las obras de Del Monte y Galilei, para determinar una clasificación racional del funcionamento de las máquinas.
La ley de la palanca tal como introducida y utilizada por Arquímedes fue un gran avance tanto teórico en mecánica racional como en la mecánica de las máquinas. Aún no todavía explicada fue la introducción y el uso del concepto del par de fuerza, ademàs en explicar el equilibrio tanto estático como dinámico en la rotación de sistemas. Arquímedes utilizò la ley de la palanca tanto en forma descriptiva como analítica para justificar el funcionamiento de las máquinas como para desarrollar su diseno tambien en nuevos inventos.
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Fig.2 Pintura de una balanza egipcia en una tumba del 1250 A.C. en Thebes.
a) b)
Fig.3 La ley de la palanca de Arquímedes segùn Del Monte y Galilei: a) esquema; b) interpretacion moderna.
Ese fue el caso del tornillo de Arquímedes, Fig.4, que Del Monte y Galilei describen claramente como bien basado sobre la lay de la palanca, segùn el esquema en Fig. 4 a). El invento del tornillo de Arquímedes que fue utilizado extensivamente (aùn todavía) y difusamente como bomba de fluidos (agua en particular), muestra también un enfoque experimental de Arquímedes en desarrollar nuevas máquinas ya que puede entenderse una brillante aplicacion del uso practico de la mecánica de la palanca. El esquema de Fig.4 b) proporciona una explicacion del bombeo del tornillo como una alternanza de planos inclinados que simulan una palanca móvil. Ese aspecto experimental y aplicativo ha llamado desde siempre mucha atencion en los científicos, también para fines didácticos. En Fig. 4 b) se muestra un aparato experimental de laboratorio del siglo 18 para experimentar e instruir el funcionamiento del tornillo. Esta aplicacion de la ley de la palanca muestra un ejemplo de como Arquímedes (y luego tambien Del Monte y Galilei ultilizando su enfoque) pudo formular la ley de la palanca como principio general del funcionamiento de las máquinas para entender y simplificar la gran variedad de máquinas según un único método de estudio (y comparacion) para el funcionamiento y proyecto.
Esta vision práctica llevó a Arquímedes, estimulado por la necesidades de su tiempo (encargos por el tiranno de Siracusa) y de la condiciones del momento (la guerra contra los Romanos), a solucionar problemas prácticos y a inventar muchas máquinas.
Importante para el desarrollo de la ciencia y la ingeniería fueron los estudios de Arquímedes sobre hidráulica que le
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permitieron definir la ley de Arquímedes sobre el flotamiento de los cuerpos y su aplicación a la construcción de barcos tambien de grandes dimensiones (se le atribuye la construcción de un barco de hasta 150 metros de longitud). En este articulo, nos enfocamos en la capacidad de Arquímedes de inventar máquinas.
a) b) Fig.4 El tornillo de Arquímedes:
a) segùn Del Monte y Galilei; b) segùn un modelopara laboratporio experimental del siglo 18.
Se le atribuyen muchas máquinas tal como el odómetro para carros, grúas, el tornillo, máquinas de guerra que luego fueron perfecionadas por los romanos en los siglos siguientes. Todos esos inventos tienen como base la ley de la palanca y práctica experimental de previo desarrollo matematico.
Arquímedes combinò mecanismos con sistemas de poleas para construir grúas de varios tamaños. Unas fueron ultizadas para la construcion rapida de la fortaleza defensiva de Siracusa y otras para el transporte de barcos en mantenimiento, a demostración de la versatilidad aplicada de la inventiva de Arquímedes.
En temas de máquinas de guerra, se indica como ejemplo en Fig. 5 la catapulta (nombre correcto utilizado en antigüedad según el griego) para lanzar dardos a gran distancia. Como se puede apreciar en el esquema de Fig.5 a) la máquina es una combinación (tal vez en sentido mecatrónico ante literam) de distintos sistemas con distintos funcionamientos: engranajes, guiado prismático, poleas, y elemento flexibles. Un capstano es utilizado para tender el arco cuyo elemento flexibile de acumulacion de energia elastica se coloca como motor de disparo para las dos barras enclavadas en el bastidor principal. La guia prismática con su carro permite tanto una práctica alimentación del dardo como su guiado al disparo. En la reconstrucción de Fig. 5b) se muestra tambien los materiales muy probablemente utilizado en la antigüedad: madera, cuerdas de fibras naturales, cabellos para el motor de torsión elástica, tanto para permitir una rápida construcción, utilización, y mantenimiento de la máquina como resultado a una específica atención en la tecnología de los materiales disponibles. En este ejemplo se muestra el sentido práctico de Arquímedes en inventar y desarrollar máquinas combinando teoria, mecánica de máquinas, experiencia experimental, características de varias tecnologías con un sentido tal vez de la moderna TMM (CMM).
CONCLUSIONES
En este artículo se ha propuesto una interpretación moderna de la actualidad de la personalidad de Arquímedes referente a su mecánica de máquinas. La modernidad de las contribuciones de Arquímedes puede reconocerse en las determinaciones de bases teóricas basadas a la vez en análisis experimentales cuyo desarrollo analítico lo han llevado a la formulación de una mecánica de las máquinas que no sólo tiene generalidad de enfoque y descripción si no que permitiò el invento de nuevas exitosas máquinas todavía con caracteres modernos. El enfoque optimístico en la aplicación de la ciencia en la ingenieria práctica proporciona a Arquímedes como una personalidad de gran actualidad para inspirar a futuros investigadores.
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a) b)
Fig.5 Catapulta Romana segùn el invento de Arquímedes: a) esquema; b) reconstruccion en el Museo de la Cultura Romana en Roma.
REFERENCIAS 1. Ceccarelli M., “Greek Mechanics of Machinery in the Early Works on Modern TMM”, Proceedings of 2-nd Int.
Conference on Ancient Greek Technolgy, Technical Chamber of Greece, Athens, ISBN 960-8369-16-9, 2006, pp.361-368.
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BASE DE CONOCIMIENTO TECNICO PARA LA ADMINISTRACION DE LA INGENIERIA MECANICA, ELECTRICA Y ELECTRONICA EN
LA INDUSTRIA
Hernández G., Víctor J. 1; Núñez, José Angel 2
1Escuela de Ingeniería Electromecánica del Instituto Tecnológico de Costa Rica, [email protected]
2 Core Systems Engineering, Application Developer, [email protected]
Área de conocimiento: Formación RESUMEN
Uno de los más importantes aspectos en el Mantenimiento Industrial es la Administración del Soporte Técnico y la Administración de la Transferencia de Conocimiento. Esta transferencia de conocimiento es vital para el funcionamiento correcto de las labores de soporte. Los técnicos de equipo deben no solo estar bien entrenados, sino también, ser muy competentes. Muchas empresas alrededor del mundo refuerzan los procesos de producción mediante la contratación de soporte de los suplidores del equipo (vendors), lo que significa grandes salidas de dinero y aumento en el costo del producto por el uso de recurso humano muy caro, además de la creación de un dependencia de los suplidores por parte de los ingenieros y técnicos internos. Mediante la aceleración del proceso de aprendizaje de los ingenieros de mantenimiento y de los nuevos técnicos, estos gastos se verán reducidos enormemente, así como los riesgos de ser total dependientes de técnicos externos. Como efecto directo se verá una gran competencia del personal técnico, el Tiempo Medio para Reparación (TMR) será reducido y el Tiempo Medio entre Fallas (TMF) será aumentado y mejorado por medio de la implementación de acciones preventivas.
PALABRAS CLAVE: Base de conocimiento, experiencia, tecnología, transferencia de la información. INTRODUCCIÓN Por medio de un registro y análisis recurrente por parte del departamento de ingeniería de los problemas y soluciones dadas que se puedan presentar, se desarrolla una gran experiencia no solo para los ingenieros directores técnicos, sino para los técnicos de equipo, permitiendo que se puedan resolver los problemas recurrentes de una manera más rápida. Actualmente, este desarrollo de la experiencia, en la mayoría de empresas industriales, es limitada a eventos que ocurren durante un mismo turno de trabajo y quizá el turno anterior adyacente, pero es muy difícil compartir la información con turnos opuestos. Se propone una base de conocimiento basado en sistemas de bases de datos relacionales que registra, inventaría y clasifica información sobre las fallas de equipo y sus soluciones. Esta base ofrece varios reportes fáciles de obtener sobre los problemas recurrentes y las soluciones aplicadas en el momento que ocurrió la falla orientándose a compartir la información entre todos los turnos y sitios alrededor del mundo donde la industria posea plantas de manufactura similares. En contraste con la manera usada hasta hace poco tiempo o en la misma actualidad, utilizando un documento escrito en “Word” , Excel y otros, el sistema ofrecido en cambio, toma ventaja en la organización de datos para establecer indicadores y gráficos y la optimización de la manera de consultar esos datos. Esto no solo se trata de una aplicación de una base de datos, sino más bien una aplicación de una Filosofía de Transferencia y Compartir Información en la industria. Los departamentos de ingeniería y el departamento técnico deben interesarse por estar informados, pero también por informar a otros sobre mejores métodos para la resolución estructurada de problemas del equipo y de una manera detallada. Este sistema
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permite al Equipo Técnico crear reportes que van a ser accesibles por todos los técnicos de equipo de una manera ágil, permitiéndoles la reparación de fallas en mucho menor tiempo que aplicando la “prueba y error”. Hemos visto que, algunas veces, un problema totalmente desconocido puede tomarnos hasta un 80% más tiempo para ser resuelto que un típico problema recurrente conocido, aún si estamos hablando sobre un mismo problema resuelto en otro turno. Por medio de la herramienta expuesta para una mejor administración de los conocimientos técnicos en Ingeniería Mecánica, Eléctrica y en Mantenimiento y mediante de la proliferación de esta nueva filosofía los conceptos de Tiempo Medio para Reparación, Tiempo Medio entre Fallas y la transferencia de conocimiento en sí mismos pueden verse mejorados drásticamente alrededor de las industrias que tomen como decisión incluir en su organización esta nueva filosofía de información.
NECESIDADES IDENTIFICADAS EN LA ADMINISTRACION DE LA INGENIERIA:
La industria moderna exige cada día un proceso de mejora continua y el departamento de Mantenimiento y de Ingeniería no escapa de los cambios y de este proceso. La tecnología cambiante, las nuevas técnicas que van apareciendo desde los campos administrativos, científicos y tecnológicos nos obligan a estar compartiendo información. Es por eso que se dice hoy en día que la información es la base del éxito.
Los ingenieros deben estar informados del “cómo hacer” (know how) para que un proceso resulte más eficiente. Esta información no la reciben ellos por sí solos, o sea, el ingeniero no aprendió lo que sabe por sí solo: Su preparación, la lectura de artículos, la interacción con los otros ingenieros y técnicos y la información suministrada por las autoridades empresariales son vitales para que su trabajo sea exitoso. Esto es lo que llamamos Administración de la Transferencia de Conocimiento
Antes de mencionar algunas necesidades o limitantes que hemos identificado en la industria es necesario conocer algunos términos para entender la base de conocimiento técnico propuesta.
Sistema: Le llamaremos sistema a una máquina o equipo utilizado en la realización de un producto.
La ingeniería se ve en este día dependiente ya no solo de su base, que es el diseño, la gráfica de ingeniería, el dibujo técnico, etc. sino que las herramientas de información y la información en sí misma se convierten en pilares para la resolución de problemas. Desde este punto de vista podemos hablar de las siguientes necesidades en la administración de la Ingeniería para una mejora continua en la Producción Industrial:
a) Mejora continua del conocimiento de los ingenieros y técnicos;
b) Información sobre Máquinas (sistemas) vinculadas en el proceso de Producción;
c) Información sobre partes (subsistemas) de esas máquinas vinculadas en el proceso de Producción;
d) Información sobre los procesos internos de los sistemas;
e) Conocimiento sobre fallas frecuentes o recurrentes;
f) Conocimiento de síntomas de falla de los sistemas y sus causas posibles;
g) Conocimiento sobre el uso de softwares de información;
h) Conocimiento del idioma inglés para interactuar virtualmente;
i) Mejora continua en el manejo de repuestos y partes de los sistemas existentes.
El ingeniero de Mantenimiento debe preocuparse por informarse sobre sistemas nuevos de diseño e investigar los problemas surgidos para establecer rediseños, si fueran necesarios.
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El técnico de Mantenimiento debe preocuparse por conocer el manejo de sistemas de información que le muestren cómo aplicar lo requerido por el departamento de Ingeniería y de Producción de una manera más rápida y exitosa.
METODOLOGIA PARA LA CLASIFICACION DE SISTEMAS Y SUBSISTEMAS
Ya mencionado anteriormente llamaremos sistema a una máquina o conjunto de máquinas idénticas. Como las máquinas traen diferentes nombres dependiendo del suplidor o del diseñador, resulta complicado clasificarlas tomando en cuenta su procedencia. Actualmente se ha recomendado a las empresas clasificarlas con base en los procesos que realizan en la industria: Ej. Una máquina pulidora independientemente de su marca la llamaremos PU; Una máquina que pega bolas a un sustrato PB; una máquina que realiza pruebas eléctricas TST (tester); etc. Ver cuadro #1
Por lo anterior, vemos más conveniente usar una metodología de codificación alfa - numérica. Esto no solo facilitará la localización de la maquina en el piso de producción, sino que servirá para crear celdas con familias de máquinas idénticas, teniendo a los técnicos e ingenieros de equipo especializados por zona. Ej. Ingenieros de equipo PU para el área de pulido o Ingenieros de equipo TST para el área de tester, etc. Varias empresas han recurrido a la recomendación, por su volumen de producción y optimización de recursos, de utilizar ingenieros poli funcionales que atiendan más de una familia de máquinas, sin embargo esta práctica es solamente recomendada en empresas de baja producción, ya que en la de alta producción, la dispersión de los técnicos es contraproducente para los estándares de calidad requeridos.
De una clasificación de los sistemas y subsistemas bien identificada y organizada, depende la clasificación y flujo correctos de la información. A partir de estos sistemas y subsitemas, llegaríamos a las partes y subpartes. Por ejemplo una máquina “pegabolas” (el sistema) está compuesta de un sistema neumático (subsistema), un sistema eléctrico (subsistema), un sistema mecánico (subsistema), un sistema electrónico y un sistema de vacío y a la vez uno de aire comprimido para soplar con presión. Cada subsistema tendrá partes, unidades de montaje y subpartes. Cada unidad de montaje, parte o subparte tiene una función, que si la hiciera mal provocará una falla en línea o también llamada falla en cadena.
La falla en cadena se ve revelada en los síntomas del sistema-máquina que pueden ser identificados por los técnicos y operarios y reportados al ingeniero técnico y al ingeniero de equipo; a su vez, al ingeniero de producto. Es por eso que el registro correcto de los síntomas de un problema descubierto en un equipo, es la base para solución pronta en el futuro.
INDENTIFICACION Y CLASIFICACION DE LOS SINTOMAS
La detección correcta del síntoma nos ayudará a delimitar nuestro problema técnico. No todas las máquinas tienen los mismos síntomas, pues son sistemas diferentes, por lo tanto, a cada sistema se le debe asignar la cantidad conocida de síntomas registrados en el pasado, en el presente y en el futuro. Es labor conjunta del técnico de equipo y el operario la identificación y detección del síntoma. Es función del departamento de ingeniería junto con los técnicos identificar las causas de dichos síntomas y llegar a la causa raíz del problema, de tal manera que se dé una solución, que puede ser un rediseño o una calibración mejor del equipo.
Primero entonces se debe identificar cada síntoma por cada máquina. De una manera más exacta se debe profundizar y ver a cual subsistema pertenece cada síntoma. Un síntoma de falla electrónico pertenece a un sistema específico y al subsistema electrónico. Todo esto se sabrá cuando se de por primera vez el síntoma y se descubra que provocado por causa de un daño en un componente electrónico específico.
Las máquinas siempre tendrán un comportamiento homogéneo, según la familia de máquina (sistema) que se trate, de tal manera que un mismo síntoma en una misma clase de máquina con una gran alta probabilidad tendrá respuesta en una misma falla. Por tanto, es sumamente importante que la identificación y clasificación de los síntomas guarden una directa relación con las causas del problema resuelto.
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Por tanto en este diseño de base de datos se recomienda, para su alimentación, utilizar la estructura basada en la Resolución Estructurada de Problemas, llamada también estructura de los siete pasos.
UNIDADES DE MONTAJE, PARTES Y SUBPARTES
Las máquinas por complejas que sean, hemos visto que se componen de subsistemas: mecánico, eléctrico, electrónico, de vacío, de aire comprimido, electromecánico, mecatrónico, etc. A su vez estos subsistemas están compuestos de unidades de montaje, partes, subpartes y hasta componentes electrónicos casi microscópicos. Es aquí donde se debe tener cuidado pues para que el software que se propone funcione debe tomar en cuenta la información de todos los componentes, sean partes, subpartes o componentes más pequeños, puesto que todos juegan un papel el todo. Cuando un solo componente se desajusta, ya sea por desgaste y que no se cambió en el momento indicado, este desajuste provocará otra serie de síntomas hasta llegar a ser detectables por los operarios y pero aún, por la calidad del producto en proceso o producto terminado.
La clasificación e identificación de partes puede ser alfabética, numérica o una combinación, pero obligatoriamente debe llevar en el software el nombre que se tenga en el catálogo de la máquina o sistema de tal manera que el técnico u operador sepa distinguirla e identificarla fácilmente en la base de datos.
Cuadro #1: Ejemplo hipotético de codificación de sistemas, subsitemas, unidades de montaje, partes, subpartes y elementos para el sistema de un Horno deshumedecedor
S is tem a C od D esc ripc ión/C ód Subs is tem a U M P arte Subparte Elem ento
H 01 Subs is tem a Elec tronic o H01EU nidad de M ontaje H01EUM 1Parte H 01E UM 1aSubparte H01EU M 1 a1Elem ento H 01E UM 1a1aElem ento H 01E UM 1a1bParte H 01E UM 1bU nidad de M ontaje H01EUM 2Parte H 01E UM 2aParte H 01E UM 2bParte H 01P 1Subparte H01P1aElem ento H 01P 1a1Elem ento H 01P 1a2Subparte H01P1bElem ento H 01P 1b1Parte H 01P 2Subparte H01P2aParte H 01P 3Subs is tem a M ecánico H 01MParte H 01M P1Parte H 01M P2Parte H 01M P3Subparte H 0 1M P3aSubparte H 01M P 3bParte H 01M P4Subparte H 0 1M P4aElem ento H 01M P 4a1Elem ento H 01M P 4a2Subparte H 01M P 4bSubs is tem a Eléc tr ic o H 01E lSubparte H 01 ElP 1Subparte H 01 ElP 2Subparte H 01 ElP 3Subparte H 01 ElP 4Elem ento H 01ElP4a1Elem ento H 01ElP4a2
INS T IT U T O T EC N OLO G IC O D E CO S T A R IC AS IST EM A: H orno d es hum edecedor
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FUNCIONAMIENTO DE LA BASE DE CONOCIMIENTO E INFORMACION PARA LA BUSQUEDA Y SOLUCION DE FALLAS
Como se menciona al inicio, un problema totalmente desconocido puede tomarnos hasta un 80% más tiempo para ser resuelto que un típico problema recurrente conocido, aún si estamos hablando sobre un mismo problema resuelto en otro turno. Desde este punto de vista si conocemos el uso de esta filosofía propuesta en un software de datos seremos más ágiles en un 80% o sea que el tiempo muerto podría disminuir en un porcentaje similar.
Para alcanzar lo anterior, posterior a la creación de la base de datos, el técnico podrá hacer uso de acuerdo con la siguiente secuencia de un problema ocurrido en el “Horno deshumedecedor” :
1. Se identifican síntomas de un problema en un equipo;
2. El técnico se dirige a la PC de su área de trabajo y consulta el sistema de información;
3. El técnico debe seleccionar el sistema que se trate, ejm: H01 Horno deshumedecedor;
4. El técnico seleccionará el subsitema en caso de que suponga a qué subsistema se refiere los síntomas detectados. En caso de que lo ignore seguira al paso siguiente;
5. Consultará la lista de síntomas típicos sucedidos en el pasado a dicho sistema y escogerá los que correspondan;
6. El sistema le dará un diagnóstico de acuerdo con la información que ha sido almacenada en el pasado por otros técnicos que han experimientado los mismos síntomas;
7. El diagnóstico hará preguntas típicas sobre el funcionamiento como la existencia de otros síntomas posibles.
8. Al final le dará el procedimiento a seguir para solucionar el problema.
9. En caso de que el problema sea nuevo, no aparecerán los síntomas, ya que anteriormente no han sido registrados, por lo tanto el técnico deberá aplicar el ambiente “Nuevos síntomas” y deberá describir con una sola oración cada uno de los síntomas nuevos observados, Ejm. Se desacomoda la banda transportadora (desacomodo de banda transportadora); El producto sale húmedo (no deshumedece); etc. Podrán ocurrir varios síntomas a la vez. La identificación exacta del (o los) síntoma(s) nos define el problema exitente.
10. Una vez registrados los síntomas en el sistema el técnico procederá a establecer posibles causas y al análisis correspondiente para establecer la causa raíz del problema. Esto se hace por medio de la experiencia y utilizando el mecanismo de prueba y error.
11. Cuando se tenga la causa raíz se deben establecer las soluciones posibles y probarlas hasta llegar a la solución total.
12. Una vez solucionado el problema el operario o técnico registrará en el sistema en el orden en que se solucionó el problema, los pasos para resolver el problema nuevo registrado.
13. En el sistema se registrarán las partes afectadas, ejm: banda trasportadora (H01P3), o cualquier elemento involucrado en el problema, así como el síntoma específico de cada elemento o parte.
14. El sistema irá asignando un código nuevo para cada síntoma nuevo en dependencia de la parte o subparte a que se refiera.
15. Deben registrarse los tiempos de parada, desde que la máquina quedó fuera de uso, hasta que vuelve a inicar. Esto nos dará indicadores de tiempo entre un problema nuevo y uno recurrente ya conocido.
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Diagrama #1 Secuencia de la aplicación de la información utilizando la base de conococimiento técnico para la administración de la información.
B ú sque da y s e lecc ión de l s is tem a (m áqu ina ) qu e se tra te en e l s is tem a de in fo rm ac ión
C on oce e l sub s is tem a
dond e se ob se rv a e l
s ín tom a
SI
N O
S e se lecc ina e l sub s item a
c o rre spon d ien te
E s tán reg is trados
los s ín to m as
o cu rren tes
SI
N O
S e se lecc inan los s ín tom a s ocu rren tes
S e ap lica n los pasosreco m en dado s por
e l s item a
S e lleg a a la so lu c ión de l
p rob le m a recu rren te
S e se le cc ion a la lis ta g ene ra l d e s ín tom as
de l s is tem a
S e s e lecc io na la fun c ión de reg is tro de
nue vos s ín tom as de tec ta dos
M ed ian te e l m é to do de p rue ba y e rro r se
e s tab le cen la s pos ibles ca usas
S e es tab lec e la causa ra íz y se reg is tra en e l
s is tem a
S e a na lizan pos ib les so luc io nes y se p rueban
S e es tab le ce la so luc ión co rrec ta y se reg is tra en e l s item a pa ra e l p rob lem a nue vo
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RESULTADOS Y CONCLUSION
Con la aplicación de la filosofía planteada se ha comprobado en varias industrias transnacionales ubicadas en Costa Rica con sedes en varios lugares alrededor del mundo, que es posible bajar la dependencia en los suplidores; la curva de aprendizaje se ha visto reducida (se ha convertido en vertical) minimizando el tiempo de aprendizaje; se ha reducido hasta en un 80% el TMPR (Tiempo Medio para Reparación) y se ha mejorado en general los tiempos medios entre fallas, llegando a ser cada vez más extensos. Los problemas ocurridos en diversas partes del mundo virtual, han llegado a ser conocidos con más rápidez y la experiencia e información entre los ingenieros y técnicos entre los sitios alrededor del mundo se ha compartido de manera eficiente. Esto no solo ha contribuido a mantener los equipos en óptimas condiciones, sino que la calidad del producto se ha visto beneficiada continuamente.
NO HAY REFERENCIAS
NOMENCLATURA TMPR Tiempo Medio para Reparación TMEF Tiempo Medio entre Fallas H01EUM1 Código de Unidad de Montaje #1 para el Horno 01
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