El desarrollo del diseño mecánico y la física (página 2)
Enviado por M. Sc. Prof. Aux. Ing. Arabel Moráguez Iglesias
El Diseño Mecánico es el diseño de objetos y sistemas de naturaleza mecánica: máquinas, aparatos, estructuras, dispositivos e instrumentos (1). Para su consecución, el diseñador o ingeniero hace uso de las ciencias puras: Matemática, Física, Química -cuando se trabaja los tratamientos térmicos termoquímicos de los distintos materiales a considerar en el mismo-, la ciencia de los materiales y la ciencia de la mecánica aplicada, entre la que se encuentra la Resistencia de Materiales, entre otras.
El diseño en la ingeniería mecánica incluye el Diseño Mecánico, con el Dibujo Técnico como lenguaje gráfico, pero en un estado de mayor amplitud, que abarca todas las disciplinas de la Ingeniería Mecánica, la Física, Matemática y las Ciencias Técnicas y de los Fluidos, entre otras. En el mismo se emplean técnicas alcanzadas con estudio, experiencia y práctica, en las que se aplican la utilización eficaz de los materiales y las fuerzas de la naturaleza, con una optimización de los recursos materiales y financieros para llevar a cabo, en función de resolver un problema social planteado. Por lo que el diseño en la ingeniería mecánica se apoya en el Diseño Mecánico.
Una vez definidos los distintos conceptos que sustentan este trabajo, el lector está en condiciones de comprender mejor la interrelación entre el Diseño Mecánico con algunas de las ramas de la Física, lo que ha permitido a los procesos de producción llegar a las nuevas tecnologías de punta en la actualidad, objetivo de este trabajo.
Este autor comparte el mismo criterio de Stadelman (3) al considerar que las mayores conquistas en el terreno de la ciencia, la técnica y del arte de la humanidad, desde el descubrimiento de la escritura hasta los avances de la Medicina, tuvieron lugar en el primer milenio antes de nuestra era. Conquistas que se fueron perfeccionando y tomando cuerpo científico, en la medida que se fue profundizando, argumentando e incorporando la praxis a ésta.
De la antigüedad existieron obras arquitectónicas e ingenios para poder construir las mismas para levantar, transportar y acarrear…, esos colosales bloques de piedra que la conformaron. Obras que son consideradas maravillas del intelecto humano (ver las siete maravillas del mundo antiguo) y de las cuales, en la actualidad, dan fe de ellas las pirámides de Egipto, en específico las de Gizeh (2550 a. C.) y más antigua aún, la escalonada de Djoser (2700 a. C.) (3).
Aunque las ideas sobre el mundo físico se remontan a la antigüedad, la Física no surgió como un campo de estudio bien definido hasta principios del siglo XIX (5), pero siempre sus principios estuvieron presentes en la praxis del quehacer científico de aquella época. De aquí que para poder llevar a cabo el diseño y construcción de estas colosales obras, los ingenieros de aquel entonces tuvieron que estudiar nuevas técnicas de construcción, nuevos materiales, emplear nuevas máquinas y herramientas a partir del principio ensayo-error.
Evidencias arqueológicas y estudios realizados por egiptólogos y hombres de ciencia, en general, dan fe de que los ingenieros y arquitectos de aquella época, entre los más connotados: Imhoterp, ministro y arquitecto del rey Djoser (2630-2611 a. C), se valía mucho de planos o proyectos ingenieriles para poder llevar a cabo la construcción de estas monumentales obras.
Varios siglos después, Arquímedes (287-212 a.C.), notable matemático e inventor griego, que escribió importantes obras sobre geometría plana y del espacio, aritmética y mecánica. Definió la ley de la palanca y se le reconoce como el inventor de la polea compuesta. Durante su estancia en Egipto inventó el ‘tornillo sin fin’ para elevar el agua de un nivel.
Arquímedes es conocido, sobre todo por el descubrimiento de la ley de la hidrostática, el llamado principio de Arquímedes, que establece que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una pérdida de peso igual al peso del volumen del fluido que desaloja. Entre la maquinaria de guerra cuya invención se le atribuye está la catapulta, entre otras.
En esta etapa histórica, los principios físicos de lo que es hoy la ciencia Física, en particular la Mecánica, nació de la práctica como una necesidad social y estuvo íntimamente relacionada con el diseño y construcción de estas grandes obras, en la que la palanca, las cuñas y las poleas constituyeron las herramientas fundamentales de los diseñadores de aquella época.
Se considera Edad Media al término utilizado para referirse a un periodo de la historia europea que transcurrió desde la desintegración del Imperio Romano de Occidente, en el siglo V, hasta el siglo XV; aunque se aclara que es un concepto que no puede ser tomado de una forma absoluta. El Renacimiento comenzó en Italia en el siglo XIV y se difundió por el resto de Europa durante los siglos XV y XVI.
A partir de documentos históricos estudiados, se considera a uno de los científico, ingeniero y arquitecto más connotado de este período histórico, al genial artista florentino Leonardo Da Vinci (1452-1519). Éste hizo estudio, diseñó y construyó mecanismos de engranajes simples. Es uno de los inventores de la hidráulica y probablemente descubrió el hidrómetro; su programa para la canalización de los ríos todavía posee valor práctico. Inventó un gran número de máquinas ingeniosas, entre ellas un traje de buzo, y especialmente sus máquinas voladoras, que, aunque sin aplicación práctica inmediata, establecieron algunos principios de la aerodinámica (5). Además se considera el pionero del Dibujo Técnico, por los croquis que ideó de mecanismos y máquinas, entre otros.
Otro italiano que es considerado por este autor el padre de la Resistencia de los Materiales, fue el célebre científico Galileo Galilei (1564-1672); profesor de Matemática de Padua, -se hace notar que al igual que en la antigüedad, la Matemática estaba estrechamente vinculada a la Física-, quien fue el primero que estudió la resistencia de las vigas (4).
El científico inglés Robert Hooke (1635-1703), realizó importantes aportes en el campo de la Física y de la ingeniería, al formular la teoría de la elasticidad, la cual plantea que un cuerpo elástico se estira proporcionalmente a la fuerza que actúa sobre el; conocida actualmente como ley de Hooke y sobre la que se fundamenta el estudio de la rigidez y elasticidad de los cuerpos, las que ambas constituyeron elementos necesarios para el desarrollo ulterior de la disciplina Resistencia de los Materiales; además, fue el primero en utilizar el resorte espiral para la regulación de los relojes y desarrolló mejoras en los relojes de péndulo.
Al analizar el desarrollo científico de este siglo, obligatoriamente hay que hablar de Isaac Newton (1642-1727), matemático y físico británico, considerado uno de los más grandes científicos de la historia, el cual realizó importantes aportes en muchos campos de la ciencia, fundamentalmente a la Mecánica, con sus tres leyes fundamentales. Sus descubrimientos y teorías sirvieron de base a la mayor parte de los avances científicos desarrollados desde su época.
En esta etapa del Renacimiento se fabricaron, desde el punto de vista del diseño mecánico las ruedas de dientes helicoidales con ejes entrecruzados, cojinetes de rodamientos, cadenas articuladas y diversas máquinas, entre otras.
En 1774, el gran matemático sueco de este siglo Leonhard Euler, aportó ideas fundamentales y resolvió el problema de la estabilidad de las barras esbeltas cargadas por compresión axial (perpendicular) e introdujo el concepto de momento de inercia, tan empleado en Física (Mecánica) como en la ingeniería.
En ese mismo año, Daniel Bernoulli (1700-1782), científico suizo nacido en Holanda, descubrió los principios básicos del comportamiento de los fluidos y dedujo la ecuación de la curva elástica ampliamente empleada en ingeniería.
El físico francés Charles de Coulomb (1736-1806), pionero en la teoría eléctrica, estudió los problemas de flexión y torsión e introdujo la noción de tensión tangencial, y más tarde (1776) formuló la hipótesis del cambio de forma debido a las tensiones tangenciales. Teorías muy importantes para la Resistencia de Materiales y el Diseño para la Ingeniería Mecánica.
En las postrimerías de este siglo, el científico e ingeniero francés Louis Navier (1785-1836), resolvió el problema de la flexión de las barras rectas y formuló la hipótesis que las secciones transversales de una viga permanecen planas después de la deformación, principio e hipótesis que lo identifican entre los fundadores de la ciencia teórica.
Es importante acotar, como a partir del Renacimiento, las obras científico-técnicas de Da Vinci, se van reforzando y profundizando en la fundamentación científica de leyes e hipótesis de la Mecánica, la Física y la Resistencia de los Materiales, las cuales conjuntamente con la invención de la máquina de vapor, a finales del siglo XVIII, revolucionaron las formas de producción industrial, que coadyuvaron al enriquecimiento teórico-práctico del Diseño Mecánico, supeditaba únicamente a la praxis en la antigüedad.
A inicio de este siglo, se incorpora al quehacer científico de la humanidad tres científicos, los cuales establecieron los fundamentos de la teoría matemática de la Resistencia de los Materiales:
Siméon Denis Poisson (1781-1840), físico-matemático francés. Se le conoce, sobre todo, por sus contribuciones teóricas a la electricidad y al magnetismo, profundizó en los estudios realizados por Hooke, analizó y fundamentó el fenómeno de la deformación transversal: "Siempre que se produce un alargamiento a lo largo de un eje de un cuerpo, se produce un acortamiento de las dimensiones transversales de éste y varía en función del tipo de material, por lo que es una característica inherente a cada material"; a la relación entre la tensión aplicada y la deformación que ésta produce en cada material se le denomina en la actualidad coeficiente de Poisson, en honor a este notable científico. Este principio es fundamental en los diseños actuales de: edificaciones, puentes, aeronaves espaciales, maquinaria en general y en la conformación de los metales.
El otro científico francés fue Augustin Louis Cauchy (1789-1857), matemático francés, considerado uno de los impulsores del análisis en el siglo XIX. Nació en París y estudió en la Escuela Politécnica de esa ciudad. Fue profesor simultáneamente en el Colegio de Francia, en la Escuela Politécnica y en la Universidad de París. En el campo de la Física se interesó por la propagación de la luz, la teoría de la elasticidad y a él se le atribuye los conceptos de tensión, tensión principal y equilibrio del elemento, entre otros trabajos.
El tercer científico del que se hace referencia es el ruso Ostrogradsky (1801-1861), miembro de la academia rusa y fue fundador de las escuelas de Mecánica Teórica de Moscú y San Petersburgo de aquella época.
Acerca de la flexión y torsión hay que destacar los trabajos de Barré De Saint Venían (1797-1886); Clayperon (1799-1864), Stokes (1814-1903) y Green (1793-1841), que fundamentaron sus trabajos en los cálculos fundamentales en el trabajo de la deformación; Heinrich Hertz (1857-1894), físico alemán, quien además de hacer estudios sobre las ondas magnéticas (ver "El desarrollo de la electricidad y el electromagnetismo y su repercusión social" de este autor), éste fundamentó las tensiones de contacto.
En 1840, Joseph Whitworth (1803-1887), ingeniero mecánico británico, célebre por los grandes progresos en la precisión y normalización que introdujo en la fabricación de máquinas herramientas, ideó un sistema de roscas para tornillos, que sirvió de base para la normalización en la construcción de máquinas en los diseños que se emplean en la actualidad.
A finales de este siglo surge un fenómeno social que revolucionó al mundo y fue la llamada Revolución Industrial, que condujo la sociedad de una economía agrícola tradicional hasta otra caracterizada por procesos de producción mecanizados para fabricar bienes a gran escala, que evidentemente, la causa fundamental de estos cambios de debe, en gran medida, al desarrollo de la máquina de vapor.
Es bueno apuntar, que en este período ya se había inventado la imprenta (1450), la máquina de vapor por Dennis Papin (1647-1714) y perfeccionada o mejorada por Jaime Watt (1764) y el invento de un telar mecánico accionado por una máquina de vapor (1785), por el británico Richard Arkwright: Tres elementos, que evidentemente sustentaban las bases tecnológicas para el ulterior desarrollo de los medios de producción que devino en la Revolución Industrial, lo que a su vez sirvió de base a la ciencias para su desarrollo. En esta etapa se observa que los fundamentos de la Física y la Mecánica no se limitaba únicamente a estudiar las leyes del movimiento físico, sino que se comenzó a desarrollar los estudios de lo que ocurría internamente en los materiales, o lo que es lo mismo, el estudio intermolecular de la materia.
Sería interminable la lista de científicos, ingenieros, físicos y personal técnico que han contribuido al desarrollo del Diseño Mecánico y de la manufactura en este período histórico analizado, por lo que sólo limitaremos a enunciar por su relevancia algunos hechos y trabajos en esta etapa.
Este autor considera que uno de las personalidades que revolucionó el siglo XX en el diseño y manufactura ingenieril, fue el industrial estadounidense Henry Ford (1863-1947). Trabajó como mecánico de 1888 a 1899, y después jefe de éstos en la Edison Illuminating Company. En 1893, tras experimentar un tiempo en sus ratos libres, logró construir su primer automóvil, y en 1903 creó la Ford Motor Company. A él se le conoce por sus innovadores métodos en la industria de los vehículos a motor, es considerado el introductor de la fabricación en serie o mediante cadena de montaje y el pionero en la utilización del principio de intercambiabilidad de las piezas de sus autos. Principios altamente empleados en las actuales industrias.
Lo más significativo en esta etapa es que conjuntamente con el desarrollo de la electricidad (ver artículo de este autor) y la Electrónica, el Diseño Mecánico está a un nivel altamente calificado, mediante el empleo de la Ingeniería Concurrente -la Ingeniería Concurrente es la aproximación sistemática a la integración, del diseño racional de productos y procesos relacionados, que tiene en cuenta, su fabricación y suministro-, que incluye los sistemas computarizados de CAD-CAM (Diseño Asistido por Computadoras– Manufactura Asistido por Computadoras)(6), conjuntamente con los paquetes ingenieriles que permiten el cálculo de variables finitas, el diseño óptimo de estructuras y la selección adecuada de material, con un ahorro sustancial en su elaboración, entre otros.
Por el propio desarrollo de la ciencia y la técnica, cada una de éstas se han subdividido en ramas muy específicas; por ejemplo, antes un físico abarcaba todo un conjunto de especialidades, sin embargo, hoy en día existen hombres de ciencia que se dedican a la Hidráulica, al Magnetismo, etc.; de igual forma ocurre con la ingeniería, que dentro de la propia Mecánica existen especialistas en estructuras metálicas y en no metálicas, por citar algunos.
Por esta razón en la actualidad, para realizar la actividad de proyecto o de diseño mecánico, es imprescindible aglutinar a un conjunto de expertos, técnicos e inclusive obreros altamente calificados, constituyendo un equipo multidisciplinario que posibilitan la realización adecuada, funcional, óptima, ergonómica y económica de dicho proyecto.
Se puede afirmar que gracias al desarrollo de las distintas ciencias, en particular la Física, el Diseño Mecánico ha llegado a un alto progreso científico-técnico, ligado a los grandes descubrimientos científicos, formulación de leyes, teorías de otras ciencias que le han servido de base para su ulterior perfeccionamiento.
Este desarrollo fue en aumento, en la medida que el hombre ha ido acumulando conocimientos precedentes, con una constante interrelación dialéctica, que ha sido el fruto de cientos de miles de grandes estudiosos a lo largo de la historia de la humanidad, lo cual ha hecho posible pasar de los simples diseños de maquetas y croquis sustentado por la praxis en las distintas obras de la antigüedad hasta el diseñó de ingenios espaciales, en los cuales para su realización resulta necesario el trabajo multidisciplinario de cientos de destacados profesionales en cada una de las distintas y disímiles ramas de la ciencia e ingeniería.
Sirva este artículo para rendir un sencillo homenaje, en el Año Internacional de la Física, declarado por la UNESCO, a todos estos insignes científicos, físicos e ingenieros, que han contribuido a este progreso.
- RESHETOV, D. Elementos de Máquinas. Edit. Pueblo y Educación. La Habana. 1985. 829 p.
- SHIGLEY, J. E. Diseño en ingeniería mecánica. Quinta Edición. Joseph Edward Shigley y Charles R. Mischke. Edit. Mc Graw Hill. México D. F. 1998. 883 p.
- STADELMANN, R. Las pirámides, colosales obras de ingeniería. Cómo se desarrollaron ciencias y técnicas junto al Nilo. En El Correo de la UNESCO, sept. 1988, 12-16 p.
- SILOVSKY, K. Resistencia de Materiales. Tomo I. K. Silovsky y J. Oliva. Instituto Cubano del Libro, La Habana, 1976. 761 p.
- Microsoft ENCARTA 2004.
- What is Concurrent Engineering? www.cerc.wvu.edu
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