“integración del enfoque apodíctico de diseño y la teoría...

MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO

Temas: Diseño Mecánico, Enfoque Apodíctico de Diseño, Teoria Constructal, Ingeniería de Diseño

“Integración del Enfoque Apodíctico de Diseño y la Teoría Constructal en la formación de una Ciencia del Diseño”

Autores

1Aguirre Esponda Guillermo José, 2Mercadillo Rojo Carlos Jesús, 2Espinosa Aguilar Omar 2, 3 Aguirre Granados Adrián, 4 Aguirre Granados Priscila

1Aguirre Innovación S.C.

18 de Marzo 15, Del. Xochimilco, México D.F, MEXICO Teléfono: 01 55 5653 3612, [email protected]

2Innovalia Consulting Group

18 de Marzo 15, Del. Xochimilco, México D.F, MEXICO Teléfono: 01 55 5653 3612, [email protected]

3 Ford de México

Guillermo González Camarena 1500-6to Piso Colonia Centro de Cuidad Santa Fe, CP 01210 México D.F.

4Instituto de Innovación y Creación de Valor A.C. 18 de Marzo 15, Del. Xochimilco, México D.F, MEXICO Teléfono: 01 55 5653 3612, [email protected]

RESUMEN

Ha habido una búsqueda continua de lo que podría llamarse una ciencia del diseño. Muchos autores han propuesto teorías y métodos para lograrlo. El Enfoque Apodíctico de Diseño ofrece elementos para avanzar en esta dirección mediante la incorporación del concepto de calidad intrínseca que entre otros atributos tiene lo que podría llamarse complejidad mínima. Por otro lado. La Teoría Constructal, ofrece una manera de describir y predecir el camino que forma o forma toma al evolucionar a niveles más altos de eficiencia de flujo. Los dos combinados pueden hacer una contribución muy importante en el camino a estructurar una Ciencia del Diseño.

ABSTRACT

There has been an ongoing search for what might be called a design science. Many authors have proposed theories and methods to achieve this. The Apodictic Design Approach offers elements to advance in this direction by incorporating the concept of intrinsic quality that among other attributes has what could be called minimal complexity. On the other hand. The Constructal Theory offers a way to describe and predict the path that shape or form takes as it evolves to higher levels of flow efficiency. The two combined can make a very important contribution on the way to structuring a Design Science.

ISSN 2448-5551 DM 356 Derechos Reservados © 2017, SOMIM


1.1. Introducción

El diseño es una de las actividades más fascinantes que un profesionista puede emprender. Involucra la posibilidad de crear, de modificar el futuro, de inventar nuevas culturas, productos e industrias. Para un ingeniero esto es doblemente satisfactorio, ya que al acto mismo de crear añade todo el potencial que el conocimiento y experiencia adquiridos en la profesión ponen a su alcance. Con ellos puede un ingeniero crear obras monumentales, productos que se reproducirán y venderán por millones, sistemas que alcanzarán a toda la humanidad, puede influir en la vida de millones y millones de personas. Por lo tanto, el diseño y el diseño en ingeniería, son actividades que merecen la mayor atención y cuidado por parte de aquellos que se han dado a la tarea de fortalecer las bases teórico-prácticas bajo las cuales se ejercita. Se trata de toda una rama profesional y empresarial dedicada a desarrollar herramientas cada vez más poderosas para auxiliar y soportar la labor del diseñador. La computadora ha venido a dar a esta actividad una gama inverosímilmente amplia de posibilidades, desde las posibilidades de análisis simultaneo que ofrece una hoja de cálculo, hasta la potencialidad que ofrecen los sistemas capaces de modelar en prácticamente todos sus detalles objetos tan complejos como un automóvil de careras. Por ejemplo, 2010 marco el inicio de la era del diseño de autos desarrollados enteramente por computadora, abandonando la práctica establecida de prueba, error y corrección utilizando herramientas como el túnel de viento.

1.2. Diseño de máquinas, sus sub-ensambles y sistemas complejos

En el siglo XII, con la construcción de las grandes catedrales góticas, surgen las primeras teorías o escuelas de diseño arquitectónico que aluden a propiedades geométricas y proporciones con cualidades especiales de belleza y calidad intrínseca, tales como la proporción dorada. Este tipo de problemas de diseño, que involucra el desarrollo de lo que podríamos llamar sistemas complejos, no recibió la misma atención que el diseño de elementos individuales.

No fue sino hasta el inicio del siglo XX, con el reto que implica el diseñar productos que se replicaban en grandes volúmenes, el diseño como tema de investigación vuelve a tomar auge y se publican numerosos tratados que tratan de resumir el conocimiento disponible y que, basados en la experiencia de los distintos autores, presentan enfoques que

van más allá que el tratamiento estrictamente técnico de la materia, esbozándose algunas teorías tempranas del diseño.

Para mediados del siglo XX, se acuña el término Engineering Design o Diseño de Ingeniería [3], para designar la disciplina de incorporar en cada nuevo diseño, todo el conocimiento que la ingeniería ofrece para garantizar el buen funcionamiento de un producto o sistema. Es bajo este concepto que mucho del desarrollo del Diseño Mecánico tiene lugar [1].

Para los años 80´s varios autores del campo de la Ingeniería del Diseño, publican trabajos en los que pretenden desarrollar las bases de lo que designan la ciencia del diseño y en algunos casos, tal como propone H Simon [2], la ciencia de lo artificial, en contraste con las ciencias de lo natural.

Entre estos autores destacan Simon Asimow [3], Gordon Glegg [4], Vladimir Hubka [6], Nam P Suh [5] que toman un camino basado en el estudio de los Sistemas Tecnológicos y que basado en estos desarrollan teorías que tratan de fundamentar la posibilidad de un enfoque científico. Se requiere una metodología para diseñar maquinas completas, sus subensambles y sistemas complejos en general.

1.3. Enfoque Apodíctico

Es resultado de un trabajo original de investigación del tema de diseño de sistemas complejos, realizado por el Dr. Guillermo Aguirre y sus colaboradores que aprovecha el avance que representan las aportaciones de Glegg [4], Suh [5], Boothroyd, Hubka [6 y 7] y otros distinguidos investigadores.

Su desarrollo es resultado de una combinación de investigación científica y aplicaciones en la industria. Busca desarrollar técnicas y herramientas prácticas para diseñar exitosamente sistemas complejos [12].

El enfoque Apodíctico considera como materia de estudio a los Sistemas Tecnológicos, cuyo atributo principal es el que en su operación intervienen flujos considerables de energía y/o información. El enfoque Apodíctico tiene por objeto ofrecer herramientas de orden predictivo, que permiten el tomar las mejores decisiones para el producto final, mientras aun se encuentra en su etapa de diseño. El enfoque Apodíctico considera a los Sistemas Tecnológicos como sujetos a tres fuerzas complementarias que definen su configuración y apariencia final:

1. Las Fuerzas de Evolución de los propios sistemas tecnológicos.



2. Las Fuerzas de Selección Artificial que ejercen los Usuarios con su capacidad de elección en el mercado.

3. Las Fuerzas de Recombinación o Mutación, que ejercen las empresas, al condicionar los recursos que posibilitan su creación y evolución a la obtención de un retorno sustantivo.

El Enfoque Apodíctico predice que el patrón de evolución de un sistema tecnológico está compuesto de un periodo de progresiva adaptación a su medio, caracterizado por un continuo progreso en la eficiencia y desempeño del sistema, seguido de saltos en su desempeño, explicados por el desacoplamiento de alguna parte o solución critica en el funcionamiento del sistema [13]. En el Enfoque Apodíctico se identifican fenómenos de orden disruptivos en los sistemas que se enciuentran en los entornos evolutivo, del mercado y el negocio, lo cual posibilita un efecto de crecimiento y dominio exponencial.

El Enfoque Apodíctico

ofrece una metodología de diseño que integra todos estos elementos, y es

conocida como la Metodología de Diseño Disruptivo, y se ilustra en la figura anterior.

1.4. El Enfoque y la Ley Constructal

El Enfoque Constructal o de la optimización global en presencia de restricciones locales explica de manera simple la manera en que surge y evoluciona la forma en la naturaleza [8].

Por ejemplo, la forma particular de un cactus hace posible que pueda subsistir en terrenos sin agua, o la de los pulmones y bronquios, que maximizan la captación del oxígeno en un volumen muy reducido, o la estructura de un árbol.

Los sistemas basados en flujos (tanto animados como inanimados) dependen, para su propia supervivencia, de su capacidad para maximizar el acceso del flujo, por un lado, y por otro, de modificar su forma o morfología.

Esta teoría permite el diseño y la comprensión de la forma en sistemas naturales, disipadores térmicos, redes de comunicaciones, etc.

Principios del Enfoque Constructal [9]

El principio fundamental del Enfoque Constructal sostiene que todo sistema está destinado a permanecer imperfecto.

De acuerdo con esto, lo mejor que puede hacer es distribuir las imperfecciones de la manera más óptima. Esta distribución óptima de las imperfecciones genera la geometría o la forma del sistema estudiado

La evolución requiere flujos en estado estable y libertad de cambiar la forma, de manera que ésta proporcione un flujo mayor y más eficiente.

La Ley Constructal es la ley de la física que explica el fenómeno de la evolución de la forma en la naturaleza, para sistemas inanimados y sistemas animados. La Ley Constructal fue establecida por Adrian Bejan en 1996 como sigue [10]:

"Para que un sistema de tamaño finito persista en el tiempo (para que sobreviva o perdure), debe evolucionar de tal manera que facilite el acceso a las corrientes impuestas que fluyen a través de él".

La Ley Constructal explica la flecha del tiempo [6], que es la dirección de la evolución de la organización del flujo a lo largo del tiempo.

1.5. Paralelos y Complementos entre los Enfoque Constructal y Apodíctico

1. Paralelos entre ambos enfoques:

- Ambos modelan sistemas con flujos - Ambos tratan de integrar argumentos evolutivos - Ambos plantean escenarios optimos como objetivos - Ambos enfoques pretenden ser predictivos, no

descriptivos.

2. Complementos entre ambos enfoques

Enfoque Constructal - Objetivo: Los sistemas evolucionan facilitando el

flujo - La forma como efecto de la evolución. - El enfoque encuentra demostración en la aplicación

de principios termodinámicos a sistemas aparentemente no relacionados.

Enfoque Apodíctico - Objetivo: Creación de Entornos crecientemente

favorables - La Configuración y la Apariencia como resultado de

la evolución - El enfoque encuentra demostración en los resultados

de su aplicación a productos y servicios aparentemente no relacionados.



1.6. Evolución en Motores Exotérmicos

La siguiente gráfica es una representación gráfica del avance

en eficiencia de los motores exotérmicos creados desde el año 1698. Esta primera gráfica se ha deliberadamente trazado para mostrar un avance continuo, tal como el que el Enfoque Constructal hubiese predicho. Sin embargo, en la siguiente ilustración, se muestra lo que en realidad ocurrió, que es una serie de avances superpuestos, que avanzan en primer lugar sobre las bases de una configuración, para después moverse a una siguiente, en casi todas las ocasiones, menos eficiente que la anterior al inicio de su desarrollo.

De estas gráficas y para profundizar en la extraordinaria complementariedad de estos dos enfoques, se tomará el caso

de la turbina de gas, representada por la curva K en la Figura 2, aparentemente, una curva evolutiva continua.

1.7. Evolución en Turbinas de Gas

Para entender el mecanismo de progreso que describe la combinación del Enfoque Apodíctico y la Teoría Constructal, se analizará la evolución de los alabes de las turbinas desarrolladas por Rolls Royce [11].

Como es posible apreciar en ellas, el patrón de desarrollo es similar al encontrado en el caso de los demás motores exotérmicos, solo que en este caso los alabes de estas turbinas están sujetos a condiciones tan estrictas de operación que su progreso en más representativo que el de otros sistemas con un grado mayor de holgura en su operación.

El análisis del avance en la eficiencia de las turbinas de gas muestra lo siguiente:



1. La tendencia en la eficiencia en las turbinas de gas es una de crecimiento continuo.

2. El patrón de evolución muestra, tal como lo hizo para los demás motores exotérmicos, que el avance ha seguido en realidad dos modalidades. Una de avance continuo de eficiencia y otro de saltos en la eficiencia.

3. El avance continuo en eficiencia, puede predecirse utilizando el Enfoque Constructal y tal como lo indica su Ley Constructal, la forma de las partes del sistema se ha modificado para permitir flujos más eficientes. El órden de magnitud de estas mejoras en cuanto a la reducción en las pérdidas aerodinámicas es del órden del 10%

Paso 1 – De la Turbina Whittle a la turbina de alabes de raíz extendida: Se logra desacoplar o independizar la temperatura del alabe en su sección exterior de la temperatura de su raíz. Con la separación lograda es posible forzar el paso de aire frío que asegura las condiciones ideales de operación en cada momento.

Paso 2 – De la turbina de alabe de raíz extendida a la turbina con alabes enfriados: Mediante la canalización de aire a la nariz del alabe y sus superficies de contacto con el chorro de gases de combustión, se logra crear una película de aire frío que hace que la temperatura de la zona exterior del álabe, se desacople o sea independiente de la temperatura de los gases de combustión. Con esto se logra elevar la temperatura de operación por encima de la temperatura de fundición del material, ya que esta no le afecta.

Paso 3 – De la turbina de alabes enfriados a la turbina de alabes cerámicos: En este paso, a través de incorporar un material cuyas propiedades de resistencia térmica están muy por encima de las de operación de la turbina, se logra

nuevamente desacoplar, es decir hacer irrelevante la temperatura.

1.8. Conclusiones

La combinación de el Enfoque Apodíctico de Diseño la Teoría Constructal proveen un paso muy importante en el camino a la definición de una Ciencia del Diseño

Como conclusión de esta sección derivamos el que en el avance de un sistema complejo se entrelazan eventos disruptivos que parecen estar ligados a cambios en su arquitectura que ocasionan el fenómeno de desacoplamiento, seguidos de largos periodos de refinación y casamiento de las formas, texturas y dimensiones de los elementos a las condiciones especificas de operación, tal como lo muestra las imágenes 3 a 5.

REFERENCIAS

[1] Boothroyd, G., “Design for Assembly – A Designer’s Handbook”, Department of Mechanical Engineering, University of Massachusetts, Amherst, Nov. 1980.

[2] H. Simon, “The Sciences of the Artificial”, MIT Press, Boston, 1996.

[3] M Asimow, “Introduction to Design”, Prentice-Hall , Englewood Cliffs, NJ, 1962

[4] G Glegg, The Design of Design, Cambridge University Press, 1970

[5] NP Suh, “The Principles of Design”, Oxford University Press, USA, 1990

[6] V Hubka, WE Eder - “Theory of Technical Systems: A total concept theory for engineering design” - Berlin and New York, Springer-Verlag, 291 pp 1988

[7] V Hubka, WE Eder, “Design Science”, Springer, New York, 1996

[8] A. Bejan and J. P. Zane, Design in Nature. How the Constructal Law Governs Evolution in Biology, Physics, Technology, and Social Organization (Doubleday, New York, 2012).

[9] A. Bejan, Maxwell’s demons everywhere: evolving design as the arrow of time, Nature Scientific Reports, Vol. 4, No. 4017, 10 February 2014, DOI: 10.1038/srep04017.

[10] A. Bejan and S. Lorente, The constructal law and the evolution of design in nature. Phys Life Rev 8, 209-240 (2011).

[11] Byworth, Simon, “Design and Development of high-temperature turbines”, Rolls Royce Magazine, No. 29, June 1986



[12] Aguirre, Guillermo, “Evaluation of Technical

Systems at the Design Stage” PhD Thesis, Cambridge University, 1990

[13] Aguirre, Guillermo, “Un Enfoque Apodíctico del Diseño”, Academia de Ingeniería México, México, 2011.


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