2014

INGENIERIA MECÁNICA

TEMAS INTRODUCCION A LA MECANICA.................................................................... 1

Circuitos de Silicio Disolubles ......................................................................... 1

Sistemas Propulsivos Aeronáuticos ................................................................ 2

Mejorando la mecánica de camiones, automóviles y motos para aumentar su eficiencia energética .................................................................................. 4

Concentrador solar para obtener energía de las ventanas sin impedir la visión a través de estas ................................................................................... 5

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INTRODUCCION A LA MECANICA

La Ingeniería Mecánica es la rama del conocimiento y profesión que se ocupa de idear, diseñar, analizar, fabricar, construir y mantener máquinas, instalaciones y plantas industriales, o partes de ellas. Para ello utiliza principalmente los principios de la mecánica de sólidos y de fluidos, la termodinámica y las leyes del comportamiento de los materiales, así como formulaciones matemáticas, técnicas y conocimientos empíricos y criterios económicos. Así pues, la Ingeniería Mecánica está relacionada con las máquinas y lo que las rodea en una industria, como las estructuras, construcciones e instalaciones industriales. El concepto “máquina” no tiene una definición inequívoca que comprenda a todas las máquinas y distinga claramente las de un tipo de las de otro. El ingeniero y profesor alemán Franz Reuleaux (1829-1905) da una definición que, pese tener más de un siglo de antigüedad, sigue recogiendo bien el concepto mecánico de máquina: “máquina es un conjunto de elementos sólidos, dispuestos de forma que encaucen las fuerzas mecánicas de la naturaleza para realizar un trabajo como consecuencia de determinados movimientos prefijados ”. Hay otras definiciones similares, como por ejemplo: “máquina es un sistema formado por partes fijas y móviles que se utiliza para modificar energía mecánica y transmitirla en una forma más útil”. En estas definiciones aparecen movimientos, fuerzas y energías, que son los principales conceptos físicos con los que se trabaja en ingeniería mecánica.

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Circuitos de Silicio Disolubles

Los dispositivos electrónicos que se disuelven completamente en agua, dejando tan solo productos finales inocuos, son parte de una clase de tecnología que está emergiendo rápidamente y en la cual unos científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Estados Unidos, están trabajando de manera pionera.

Los últimos avances logrados por el equipo de John A. Rogers, de la citada universidad, y que se han presentado oficialmente en fechas recientes, permiten augurar una nueva generación de dispositivos de muchos tipos, que van desde los de la electrónica de consumo respetuosa con el medioambiente, hasta terapias "electrocéuticas", pasando por sistemas de sensores biomédicos que se disuelven después de realizar su trabajo.

Las aplicaciones prácticas podrían incluir: dispositivos intracorporales hechos de materiales reabsorbibles que prevengan contra infecciones allí donde se ha practicado una cirugía; aparatos implantados de modo temporal, como dispositivos para vigilancia del sistema nervioso que ayuden en la rehabilitación de gente con lesiones traumáticas, o “sucedáneos” eléctricos de ciertos sistemas naturales que aceleren el crecimiento óseo; y dispositivos que puedan ser usados para administrar fármacos de manera programada.

Para tales usos futuros, lo más adecuado sería utilizar dispositivos que funcionen de forma robusta, fiable y con alto rendimiento, pero solo durante un período específico de tiempo que esté determinado, por ejemplo, por el proceso de curación. De este modo, además de ser compatibles con los tejidos biológicos, sólo realizarían su trabajo cuando el cuerpo lo necesitase.

Después de haber cumplido su misión, desaparecerían al ser reabsorbidos por el cuerpo, evitando así que queden objetos extraños en él y la necesidad de cirugías adicionales para retirarlos. En cuanto a la electrónica de consumo, la tecnología resulta prometedora para reducir el impacto medioambiental de los dispositivos de una nueva generación que merezca ser calificada como "verde".

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Sistemas Propulsivos Aeronáuticos

La historia de la aviación va íntimamente ligada a los sistemas de propulsión aeronáuticos. Dichos sistemas, los motores, permiten suministrar el empuje necesario para crear una velocidad tal que la aeronave se sustente en el aire. Básicamente en propulsión aeronáutica se utilizan todos los tipos de motores térmicos que existen, también se utilizan en las aeronaves motores eléctricos pero su uso se restringe a actividades de menor potencia que la de la propulsión, tales como motores de arranque o el movimiento de algunos sistemas menores (de momento, aunque hay mucha inversión destinada a la investigación de motores eléctricos para suministrar empuje a las aeronaves).

Los tipos de motores más utilizados en la propulsión aeronáutica son: motor alternativo y el motor de reacción.

El motor alternativo es el de pistones de cuatro tiempos, típico de los coches, motos y barcos y se utiliza en algunos aviones pequeños, avionetas y helicópteros. No proporciona gran empuje y en general su eficiencia disminuye mucho con la velocidad y la altura. Hasta la segunda guerra mundial este es el único motor utilizado en las aeronaves. La técnica de propulsión consiste básicamente en obtener potencia del motor alternativo, transmitirla a un eje, el cual iba solidariamente unido a una hélice tallada de tal forma que diera la máxima eficiencia para su perfil típico de velocidades. Esta hélice es en último término, la responsable de la propulsión ya con su movimiento empuja al aire

hacia detrás del avión y como reacción el avión se mueve hacia delante.

Básicamente, el ciclo termodinámico que utilizan los aerorreactores para funcionar es siguiente: se toma aire del exterior a través del difusor, se comprime en el compresor, se le hace pasar por la cámara de combustión mezclado con combustible y se quema para elevar la temperatura y presión, a continuación, pasa por la turbina donde disminuye la presión y temperatura a cambio de proporcionar la potencia mecánica para mover el compresor, y finalmente se expulsa a gran velocidad a través de la tobera. Lo que dice la ecuación de la cantidad de movimiento aplicada al aerorreactor es que la diferencia de velocidades del fluido (aire) entre la entrada y la salida da lugar a una fuerza, que es el empuje que permite el movimiento de la aeronave: E= (G + c)Vs – G Vo , donde E es el empuje, G y c son gasto másico, es decir, la masa de aire y combustible que el motor consume por unidad de tiempo, y Vo y Vs son la velocidad de entrada y salida de los gases del aerorreactor. Por tanto, este proceso en el cual se eleva la presión y temperatura del aire para eyectarlo a gran velocidad, tiene como consecuencia la generación de la fuerza necesaria para mover la aeronave.

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Turbofán: se trata de otra variante de turborreactor al que se le añade un fan (ventilador en inglés), cuya función es similar a la de la hélice en el TH, generar mayor empuje, pero la diferencia reside en que el fan va encapsulado dentro del motor y da lugar a dos flujos el primario y el secundario, cada uno con su propio ciclo y generando su propio empuje. El flujo primario evoluciona igual que en el turborreactor mientras que el flujo secundario pasa por la entrada, fan y tobera de salida. Hay dos tipos de turbofanes: los que tienen el fan en serie (antes del compresor) y los que tienen el fan en paralelo, después de la turbina. Los primeros son los más utilizados y en ellos el fan colabora en la compresión, mientras que en los de fan paralelo colabora en la expansión, en la extracción de energía. Este tipo de motor se utiliza en el rango de velocidades del subsónico alto en torno a M=0.8.

Postcombustión: la postcombustión consiste en quemar de nuevo los gases justo antes de la salida para generar mayor impulso. Se utiliza en aviones militares y se usa en momentos determinados en que las necesidades propulsivas son excepcionales. El precio que se paga por el encendido del postcombustor es un consumo de combustible muy alto.

Otra forma de aumentar el empuje es añadir vapor de agua en alguna parte del ciclo para aumentar el gasto.

Estatorreactor: se trata de otro motor de reacción que carece de compresores y turbinas. El aire es comprimido por la geometría del motor y pasa directamente a la cámara de combustión donde se quema, y de aquí ya a la tobera de salida, para ser expulsado a gran velocidad.

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Pulsorreactor: motor que tampoco consta de turbina ni compresor; el aire entra y se le mezcla con el combustible a través de un conjunto de válvulas e inyectores, y acto seguido pasa a la cámara de combustión donde se quema y ya se eyectan los gases al exterior, como se observa en la figura. El combustor actúa de forma intermitente, se enciende y apaga continuamente, por eso se denomina pulsorreactor, porque combustiona de forma pulsada.

Los motores cohete, como se comentó anteriormente son motores autónomos que expulsan su propia masa para su propulsión.

Los motores cohete se diferencian en su sistema de combustión, los de propulsión química simplemente se mezcla dos reactivos y los productos de la mezcla dan lugar a gases que son eyectados a gran velocidad. Los de propulsión nuclear usan un reactivo nuclear para generar la potencia. Los de propulsión eléctrica consiguen la combustión haciendo pasar una corriente eléctrica en presencia del combustible. Los de propulsión iónica consisten en generar iones a través de reacción química y acelerarlos haciéndolos pasar por campos magnéticos, antes de la eyección.

Mejorando la mecánica de camiones, automóviles y motos para aumentar su eficiencia energética

Camiones, coches y motocicletas son derrochadores de energía: más del 60 por ciento de la energía generada en sus motores por el combustible se desperdicia a través de los gases de escape y la refrigeración. La mayor parte de esta energía malgastada simplemente va a parar al entorno en forma de calor. El motor, impulsado ya sea por gasolina, gasóleo (diésel) o electricidad, gasta en definitiva una cantidad de energía muy superior a la que necesita el vehículo para moverse.

El equipo de Hans-Peter Kollmeier, del Instituto Fraunhofer para la Tecnología Química (ICT) en Karlsruhe, Alemania, está trabajando en formas de mitigar este derroche. Unas instalaciones ultramodernas de ensayo están ayudando a estos ingenieros a optimizar todo el proceso de desarrollo del motor. En el

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laboratorio, han elevado ya el grado de eficiencia en hasta un 10 por ciento.

Para lograrlo se han basado en parte en un minucioso examen de todos los detalles de diseño típicos en un motor, así como los más comunes en los demás componentes que transmiten la fuerza mecánica a las ruedas, incluyendo estas mismas. Puede parecer que como el automóvil y los vehículos por el estilo llevan ya muchos años inventados, nada más puede hacerse para optimizar su parte mecánica de modo que logre el mismo empuje con un menor consumo de combustible. Pero sí se puede, como están demostrando Kollmeier y sus colegas.

Parte de las instalaciones empleadas para esta labor de análisis de la eficiencia energética de motores y de las piezas que transmiten su fuerza hasta las ruedas. (Foto: © Fraunhofer ICT)

Los resultados obtenidos hasta ahora, y os que probablemente obtendrán en un futuro cercano, servirán para reducir el consumo energético en camiones, automóviles y motocicletas, abaratando

con ello dicho consumo y en muchos casos contaminando bastante menos.

Concentrador solar para obtener energía de las ventanas sin impedir la visión a través de estas

La creación reciente de un nuevo tipo de concentrador solar que cuando es empleado para recubrir una ventana con él captura energía solar sin evitar que la gente pueda ver con normalidad a través de la ventana, está despertando grandes expectativas.

Este singular dispositivo, creado por científicos de la Universidad Estatal de Michigan en Estados Unidos, se define como un concentrador solar luminiscente transparente, y se le puede usar en edificios, teléfonos móviles y cualquier otro objeto que cuente con superficies cuya transparencia se desee mantener.

En investigaciones previas, se trabajó sobre la producción de energía a partir de células solares colocadas alrededor de materiales luminiscentes similares a los plásticos. Sin embargo, esas líneas de investigación anteriores han aportado hasta la fecha resultados más bien pobres, ya que la producción de energía ha venido siendo poco eficiente, y el grado de transparencia de los materiales deja mucho que desear.

A la mayoría de la gente no le atrae tener en las ventanas de su hogar o de su lugar de trabajo vidrio coloreado en vez de incoloro. Al principio, puede resultar divertido, pero no pasa mucho tiempo

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antes de que el usuario se dé cuenta de que ello ni resulta práctico ni agradable, a no ser que esté acostumbrado a trabajar en una discoteca o locales parecidos.

El equipo del ingeniero químico Richard Lunt ha tomado un camino distinto, basado en conseguir hacer que la propia capa activa luminiscente sea transparente.

Yimu Zhao sostiene un módulo de concentrador solar luminiscente transparente. (Foto: Yimu Zhao)

El nuevo sistema de captura de energía solar utiliza pequeñas moléculas orgánicas desarrolladas por Lunt, Yimu Zhao, Garrett Meek y Benjamin Levine, para absorber longitudes de onda no visible pero bien presente en la luz solar. Ellos pueden ajustar estos materiales para que capturen solo las longitudes de onda correspondientes al ultravioleta y al infrarrojo cercano que luego "brillan" en otra de longitud de onda en el infrarrojo.

La luz infrarroja de fuerte "brillo" es guiada hasta el borde del plástico, donde bandas delgadas de células fotovoltaicas la convierten en electricidad.

Como estos materiales no absorben ni emiten luz en el espectro visible, lucen excepcionalmente transparentes para el ojo humano.

Uno de los beneficios de este nuevo desarrollo es su flexibilidad. Aunque la tecnología está todavía en una etapa temprana, tiene potencial para ser adaptada a su uso industrial y para el gran público con un coste asequible.

Esta tecnología abre nuevas oportunidades para obtener energía solar de manera no intrusiva. Se la puede utilizar en edificios altos con muchas ventanas o en cualquier tipo de dispositivo móvil que requiere poder verlo bien, como un teléfono o un lector de libros electrónicos (e-reader).

Tal como admite Lunt, se necesita trabajar más en mejorar su eficiencia de producción de energía. Actualmente alcanza una eficiencia de conversión de energía solar cercana al 1 por ciento, pero se estima que, una vez se haya optimizado el diseño, los nuevos dispositivos alcanzarán eficiencias superiores al 5 por ciento. La eficiencia de dispositivos comparables, coloreados en vez de transparentes, está cerca del 7 por ciento. No habrá por tanto mucha diferencia de rendimiento, y sí en cambio la diferencia fundamental entre seguir disfrutando de una ventana con vidrios transparentes y tener que conformarse con una cuyos vidrios están permanentemente coloreados.