El desarrollo del diseño mecánico y la física (página 2)
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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