Información relevante sobre materiales que seleccionar
La NASA os ha seleccionado, de entre miles de candidatos, para formar parte del equipo de ingenieros encargados del diseño de una nueva nave espacial con la que viajar al espacio por vuestro destacado pensamiento científico y vuestra capacidad de trabajar en equipo empleando recursos variados para la consulta de información, la elaboración de resultados y la comunicación con toda la comunidad científica.
Para vuestro primer trabajo, los jefes os presentan una serie de materiales con los que sería posible la construcción de la aeronave. Vuestra misión es seleccionar, a partir de la información que encontréis y de vuestros conocimientos sobre las propiedades de los elementos químicos, cuál de ellos sería el material idóneo.
Desde las oficinas de la ESA (Agencia Espacial Europea), os han facilitado el siguiente vídeo con alguna información de interés.
De acuerdo a la información proporcionada en el vídeo, y a lo que conocéis sobre las propiedades fisicoquímicas de los elementos, discutid en equipos de cuatro estudiantes cuáles son las características que debe presentar el material perfecto con el que construir la aeronave.
Tened en cuenta:
Densidad.
Conductividad eléctrica.
Conductividad térmica.
Magnetismo.
Resistencia mecánica.
Tratad de justificar cada elección que hagáis. Elaborad, si lo veis necesario, anotaciones que os ayuden a recopilar mejor la información y su puesta en común.
A continuación, vais a realizar cinco ensayos fisicoquímicos en nueve piezas de materiales diferentes. El objetivo es seleccionar, a través de los resultados obtenidos en los distintos ensayos, cuál de todos los materiales es el mejor para la construcción de la aeronave, de acuerdo a los conocimientos que habéis adquirido.
Se os proporciona todo el instrumental necesario para la realización de los ensayos, y nueve cubos de materiales diferentes. Comenzad haciendo un examen visual de los mismos.
Para identificarlos mejor, numeradlos del uno al nueve.
¿Sois capaces de identificar de qué material está hecho cada cubo antes de realizar los ensayos?
A continuación, efectuad, de manera ordenada, los correspondientes ensayos. En este vídeo se os proporciona ayuda, si la necesitáis.
Está en inglés, pero podéis activar los subtítulos (y su traducción automática), si lo creéis necesario.
Ensayo 1
En este ensayo, vais a medir la densidad del material con el que está hecho el cubo. Vais a tomar una medida indirecta, para lo cual necesitáis medir por separado la masa y el volumen del cubo.
Utilizad la balanza para medir la masa del cubo. Analizad cuál es la precisión de la misma y tened en cuenta cuántas cifras significativas te proporciona la medida.
Para medir el volumen del cubo, podéis utilizar dos procedimientos distintos. Escoged el que creáis más conveniente para este ensayo en concreto.
El primero consiste en sumergir la pieza en un volumen conocido de agua dentro de una probeta. El volumen del cubo es igual al volumen que aumenta el nivel del agua en la probeta. Esto se conoce como método de inmersión.
El segundo consiste en aprovechar que la pieza se ha diseñado con una forma regular de cubo. Cuando hay que medir el volumen de un sólido regular se pueden aplicar expresiones matemáticas y calcularlo a partir de la medida de una de sus aristas. Recuerda que el volumen de un cubo de arista l viene dado por:
\[V = l^3\]
Una vez que hayáis determinado de forma independiente la masa y el volumen de cada pieza, anotadlas en la tabla correspondiente y calculad, a partir de las medidas obtenidas, los valores de la densidad de cada material. Para ello, solo tenéis que dividir entre sí la masa y el volumen de cada sistema.
Analizad si los valores que habéis obtenido de la densidad de cada material se corresponden con lo que esperabais obtener. ¿Se corresponden con la masa de los cubos, sabiendo que todos ellos tienen el mismo volumen?
Por último, decidid cuál de los materiales sería el mejor para la construcción de la aeronave, según este criterio.
Ensayo 2
A través de este ensayo, vais a determinar si cada uno de los materiales es conductor o aislante eléctrico. Para ello, vais a construir circuitos eléctricos sencillos que os van a permitir testar cómo es la conductividad eléctrica de cada cubo.
Identificad, a partir de la observación, cuáles son los distintos elementos con los que vais a construir el circuito.
Tratad de responder a las siguientes preguntas en el cuaderno de clase, portafolios o diario de aprendizaje:
¿Cuáles son el generador, los conductores y los elementos pasivos de vuestro circuito?
¿Qué condiciones debe reunir el material del cubo para que el circuito eléctrico esté cerrado y se detecte el paso de la corriente eléctrica en la bombilla?
¿Cómo sería el esquema de los circuitos eléctricos que estáis diseñando?
¿Creéis que podríais adivinar cómo es la conductividad eléctrica de los materiales antes de ensayarlos?
Construid los circuitos que habéis diseñado y ensayad, a continuación, la conductividad eléctrica de cada material. Anotad los resultados en la tabla correspondiente. ¿Se corresponden los resultados obtenidos con vuestra hipótesis de la cuestión anterior? Tened en cuenta que solo estáis midiendo si el material es conductor o no, no medís en qué magnitud. Estáis haciendo un análisis cualitativo de una propiedad física.
Por último, decidid cuál de los materiales sería el mejor para la construcción de la aeronave, según este criterio.
Ensayo 3
El siguiente ensayo os va a servir para decidir si cada uno de los materiales es conductor o aislante térmico. Para ello, emplead el papel termocromático, el cual está formado por un compuesto que cambia de color con los cambios de temperatura. Es posible que hayas visto este material anteriormente, por ejemplo, en termómetros corporales domésticos.
Si, tras introducir los cubos en una placa de Petri con agua hirviendo, se registra un cambio de color en el papel termocromático, significa que el material ha conducido la energía térmica hasta la parte superior. Podéis afirmar, en tal caso, que ese material es conductor del calor.
Tratad de analizar:
¿Existe una relación entre los materiales que son conductores del calor y los que eran conductores de la corriente eléctrica?
¿Se podría haber predicho la conducción térmica de cada material antes de realizar los ensayos?
Al igual que en el caso anterior, solo estáis midiendo cualitativamente la conductividad térmica de los materiales, pero, ¿se te ocurre alguna forma de hacer un análisis semi-cuantitativo de la conductividad térmica, utilizando el mismo procedimiento?
Tras realizar los ensayos, anotad en la tabla correspondiente los resultados.
Por último, decidid cuál de los materiales sería el mejor para la construcción de la aeronave, según este criterio.
Ensayo 4
Con este ensayo vais a determinar el comportamiento magnético de cada uno de los materiales que os proporcionan. Esto se determina aplicando un campo magnético externo y observando cuál es la reacción de cada cubo. El campo magnético externo se va a aplicar con un imán de neodimio, una clase de imán que produce campos magnéticos muy intensos.
¿Creéis que existe alguna relación entre el comportamiento magnético de los materiales y su conductividad eléctrica (ensayo 2)?
¿Se podría predecir el comportamiento magnético de cada material antes de realizar el ensayo?
¿Se te ocurre algún ejemplo, en tu casa, donde se ponga en práctica este mismo experimento?
Al igual que en los ensayos anteriores, en este caso estáis haciendo un análisis cualitativo del comportamiento magnético del material. En este caso, sería complicado realizar un análisis cuantitativo y no disponemos del material necesario para ello.
Anotad en la tabla correspondiente los resultados que obtengáis.
Por último, decidid cuál de los materiales sería el mejor para la construcción de la aeronave, según este criterio.
Ensayo 5
El último ensayo que vais a realizar es el ensayo de dureza para comprobar su resistencia mecánica. En ingeniería se realizan muchos y muy variados ensayos de dureza para estudiar las propiedades mecánicas de los materiales, pero nosotros vamos a hacerlo con un montaje simplificado como el de la figura.
Este montaje determina la cantidad de energía que el material almacena después de un impacto en términos de la distancia que rebota una pequeña canica. Tratad de responder a las siguientes cuestiones:
¿Seríais capaces de averiguar cuál de los materiales es el que va a absorber más el impacto antes de ejecutar el ensayo?
¿Podríais calcular la energía con la que la bola va a impactar contra la muestra?
¿Os atrevéis, a partir de ella, a calcular el porcentaje de energía que se absorbe en el material midiendo la longitud del rebote?
En realidad, nos conformamos en este curso con hacer una clasificación de la resistencia mecánica de los materiales; no es necesario calcular la energía que se absorbe en el impacto. Una vez que hayáis ensayado todos los materiales, anotad en la tabla correspondiente la longitud del rebote y ordenad los materiales según su resistencia mecánica.
Por último, decidid cuál de los materiales sería el mejor para la construcción de la aeronave, según este criterio.
Cada uno de los ensayos debería tomar no más de 10 min. Utilizad el tiempo que creáis necesario para la elaboración de las hojas de toma de datos y la puesta en común de ideas para el informe final.
Las medidas indirectas son las que se realizan operando de alguna manera otras medidas efectuadas de forma directa. No se pueden medir con un aparato.
Con todos los ensayos realizados, seguro que ahora os es fácil obtener conclusiones sobre cuál es el mejor material para la fabricación de la aeronave, basándoos en los requerimientos de la NASA y en los conocimientos que habéis aprendido.
Poned en común los resultados que habéis obtenido en vuestro equipo y compartidlos con el resto de estudiantes. ¿Coincidís todos en la misma elección o hay algún equipo que discrepe? ¿Qué dificultades habéis encontrado en la realización de las prácticas y cómo las habéis resuelto?
Si lo deseáis, realizad un resumen o una infografía que recopile todo lo que habéis trabajado.
Para saber más: investigación científica
NASA
Víctor Montero Gil. Referencia a la NASA(CC BY-SA)
La Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio, más conocida como NASA, es la agencia del gobierno estadounidense responsable del programa espacial civil, así como de las investigaciones aeronáutica y aeroespacial.
Víctor Montero Gil. Referencia a la ESA.(CC BY-SA)
La Agencia Espacial Europea es una organización internacional dedicada a la exploración espacial, con veintidós estados miembros. Fue constituida el 31 de mayo de 1975. Emplea a unas dos mil personas y tiene un presupuesto de 6 680 millones de euros para el año 2020.
En su página web se te proporciona información adicional.
El Centro de Astrobiología es un centro español de investigación en astrobiología, dependiente tanto del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial como del Consejo Superior de Investigaciones Científicas.
El Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid es un organismo de investigación científica dependiente del CSIC cuya misión es generar nuevos conocimientos fundamentales y aplicados sobre materiales y procesos con valor añadido, y su transferencia a sectores productivos a escala local, nacional y europea.
En su página web dispones de información adicional sobre ellos.
Financiado por la Unión Europea — Ministerio de Educación y Formación Profesional (Gobierno de España) — Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia
