Las personas ingenieras utilizan su conocimiento de los materiales y sus propiedades (como la capacidad de soportar la tensión y la compresión) para elegir los más adecuados en el diseño de productos y estructuras seguros, confiables y resistentes. También diseñan materiales compuestos y nuevos para conseguir productos con diferentes propiedades.
Desde los cimientos de los rascacielos hasta los tejidos artificiales utilizados para trasplantar órganos, los materiales están diseñados para lograr las propiedades que deseamos para fines específicos. ¿Diseñamos algo?
Diseñamos un material para una silla de jardín
Tiempo:
4 sesiones
Agrupamiento:
Grupos de 3 o 4 personas
¿Qué pasa cuando estiramos una cinta o goma elástica? ¿Qué le pasa a la cinta elástica si la estiramos demasiado?
¿Qué otros materiales conocemos que se estiran fácilmente? ¿Qué otros materiales conocemos que no son tan elásticos?
Estructuras y esfuerzos físicos
Los elementos de una estructura deben de aguantar, además de su propio peso, otras fuerzas y cargas exteriores que actúan sobre ellos.
Entre los tipos de esfuerzos a los que pueden estar sometidos los elementos de una estructura se encuentran los esfuerzos de tracción.
Tracción
Se denomina tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.
La cantidad de fuerza que un material puede sufrir antes de romperse es su resistencia a la tracción. Al crear nuevos edificios, puentes y otras estructuras, o incluso productos más pequeños como lavadoras, bicicletas, sillas y teléfonos celulares, las personas ingenieras eligen materiales y realizan diseños que pueden soportar las fuerzas de tracción.
Por tanto, tensión de tracción es la que se opone a una fuerza que tiende a estirar el cuerpo. Se produce sometiendo al cuerpo a dos cargas de igual dirección, sentido contrario y divergentes.
Diseñando estructuras
Ahora vamos a trabajar como personas ingenieras. Imaginamos que trabajamos para una empresa que fabrica sillas de jardín. Necesitamos fabricar lamas de plástico para las sillas y desarrollar una nueva línea de productos. Sin embargo, el plástico solo no es lo suficientemente fuerte y se estira demasiado para ser utilizado para hacer las sillas.
Nuestro equipo de ingeniería ha sido asignado para diseñar y probar un nuevo material compuesto para usar en las lamas de las sillas. Un material compuesto es uno que está hecho de dos o más materiales unidos entre sí.
El objetivo es diseñar una tira de 7 cm de ancho hecha de plástico delgado, cinta adhesiva, cuerda o hilo y pegamento. Esta tira para la silla debe estar diseñada para soportar la mayor carga posible en tensión, con la menor cantidad de alargamiento. Debemos planificar nuestro trabajo, realizar las pruebas, y escribir y ordenar los resultados y conclusiones en un informe científico que cada grupo expondrá en clase a los demás.
Debemos diseñar un material que se estire lo menos posible cuando es sometido a tensión. Para ello deberemos probar a realizar diferentes materiales compuestos. También debemos planificar cómo realizaremos las pruebas de nuestros diseños de materiales.
1. Planificamos
El equipo debe dedicar diez minutos a hacer una lluvia de ideas y hacer bocetos de posibles formas de diseñar la cinta de la silla antes de comenzar.
Seleccionamos los dos diseños que creemos que son los mejores y hacemos 2 tiras de muestra, una para probar y otra para guardar.
Con un rotulador, dibujamos dos líneas en la tira que estén separadas un par de cm. (las líneas no deben estar en la cinta adhesiva). Estas líneas marcan la longitud inicial de la tira de prueba.
2. Pruebas de estiramiento
Ahora debemos pensar cómo vamos a realizar las pruebas de estiramiento:
Como idea podemos pensar en una cadena sujeta a una altura, por ejemplo, sujeta a un techo. A esta cadena podemos pegar nuestra cinta y en el extremo inferior de la cinta de prueba, enganchar con cinta adhesiva, por ejemplo un recipiente de plástico (un vaso, un cuenco, etc..), en el que iremos poniendo pesos, por ejemplo de piedrecitas, o de arena, etc…. y podemos ir viendo el peso que admite cada tira de prueba y el estiramiento que se ha producido con cada peso.
Repetimos el procedimiento con otros diseños.
Vamos registrando los datos en una tabla.
Con los datos obtenidos cada equipo elegirá el mejor diseño y lo expondrá al resto de la clase, así como las pruebas realizadas.
Para valorar las soluciones de diseño final se tomarán como indicadores :
Carga máxima soportada
Cantidad mínima de estiramiento (alargamiento)
Cantidad mínima de material utilizado
Tarea: ampliación
Tiempo:
1/2 sesión
Agrupamiento:
grupos de 3/4 personas
Divididos en grupos debemos de realizar búsquedas en Internet para encontrar diferentes materiales compuestos y aprender cómo se hacen, para qué se usan y sus propiedades mejoradas.
Ejemplos pueden ser materiales de aislamiento y otros materiales de construcción; materiales utilizados para hacer esquís, tablas de snowboard, bicicletas de carreras, raquetas de tenis, cañas de pescar y palos de golf; materiales utilizados para la fabricación de naves espaciales, aviones y carrocerías automotrices y muchos otros.
Cada equipo realizará un póster, presentando uno de estos materiales, en el que indicaran dos ventajas y dos inconvenientes del material presentado.
Reflexión y evaluación
Una vez que hemos finalizado la tarea, es un buen momento para reflexionar en nuestro diario de aprendizaje. Algunas sugerencias pueden ser:
¿Qué he aprendido?
¿Qué me ha sorprendido más de todo el proceso? ¿Por qué?
¿He cambiado alguna idea previa? ¿Cuál?
¿Qué me ha resultado más difícil? ¿Por qué?
Evaluación
Estas tareas se evalúan mediante las siguientes escalas de valoración:
