-
8/18/2019 Método de Ingeniería
1/28
·
l
t
EL
METODO
E
INGENIERI P R
SOLUCIÓN
E
PROBLEM S
A
diferencia
de los problemas que generalmente se asignan a los
estudiantes
de ingeniería
con
frecuencia los problemas del
mundo
real no tienen estruc-
tura ni
límite
fijo de vigencia. A veces no se
conocen
o no están disponibles
todos los datos requeridos. En otros casos es necesario
escudriñar en un
mar
de información para identificar las partes que son necesarias
para resolver el
problema bajo consideración.
Los ingenieros que apenas empiezan se sorprenden algunas veces
al descu-
brir que un
problema
puede no tener
una
solución categórica única. Con fre-
cuencia el objetivo es seleccionar una
solución
preferente de entre varias
alternativas. Puede ser necesario ponderar varias
consecuencias
en
conflicto de
una
acción de ingeniería para luego seleccionar la
solución
que mejor se ajuste
a las necesidades y los deseos de un empleador
un
cliente o del público.
L N TUR LEZ EL DISEÑO E INGENIERÍ
Con frecuencia el trabajo de ingeniería incluye la
planificación
y el análisis
en
las etapas iniciales pero la
esencia
de la
resolución
de los problemas de in-
geniería es el disefio. El diseño de
ingeniería
es
tan
variado como la profesión
misma y es tan amplio como los
problemas
que afronta la humanidad. Los di-
sefios de un ingeniero pueden ser
tan pequeños
e intrincados como un micro-
chip
para
un
sistema
de
computación
o tan grandes y complejos como un
transbordador espacial. Realizar un diseño de ingeniería es
concebir
imaginar
121
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
2/28
122 CAPÍTULO 5/EL MÉTODO DE INGENIERÍA PARA SOLUCIÓN E
PROBLEMAS
trazar y planificar un dispositivo, una estructura,
un
proceso o
un
sistema que
beneficie a las personas.
Como profesión, la ingeniería es relativamente joven. En la
antigüedad el
proceso de diseño era el dominio del artesano, y el arte y el
conocimiento del
diseño pasaba del maestro artesano al aprendiz. Desde el
nacimiento de la in
geniería como una profesión, los
problemas
han
crecido
desmesuradamente
en complejidad
y
en diversidad.
Al
mismo
tiempo, los avances
en
la
tecnolo
gía
han
extendido
en
gran
medida
la capacidad de los ingenieros
para
mejorar
la
comodidad y el bienestar de las personas a quienes sirven.
Con los avances en
el conocimiento tecnológico han surgido instituciones y
procedimientos más formales para la transferencia del
conocimiento. Los inge
nieros modernos no solamente
deben adquirir
experiencia bajo la tutela de otros
ingenieros, sino que también deben recibir educación
en
programas de estudio
formales a
nivel
de universidad o de instituciones de
educación
superior: El di
seño de ingeniería se
ha hecho más variado y desafiante, requiriendo un mayor
grado de especialización, así como la
necesidad
del trabajo en equipo. Por lo
tanto, no es poco común que muchos proyectos grandes de
ingeniería sean de
sarrollados
por
docenas o incluso cientos
de
especialistas
en
ingeniería.
Los equipos de ingenieros
Los
equipos
de ingenieros pueden
usarse
simplemente como un medio para
dividir la carga de trabajo. Un gerente de ingeniería puede
asignar tareas espe
cíficas de diseño a los ingenieros que
tengan un
entrenamiento similar. En
otros casos, varios ingenieros contribuyen
con
conocimiento
especializado
y
suministran
la competencia organizativa para la solución de un problema
en
el cual el conocimiento de un solo ingeniero sería
insuficiente.
Cuando se enfrentan problemas
complejos,
puede
ser
deseable establecer
una
estructura organizativa no
tradicional
en la cual los miembros del equipo
tengan
una
relación de información
dual
con un
gerente
de operaciones
o
un
supervisor administrativo así como
con
un líder de equipo. Por ejemplo, el di
seño de una
planta
industrial puede requerir del conocimiento y las habilida
des de varios tipos
de
ingenieros: industrial químico, civil, mecánico y
eléctrico. Los miembros de cada una de estas especialidades
pueden ser asig
nados a una fuerza
de
tarea o a un equipo de diseño por la duración del pro
ceso de
diseño
al tiempo que informan a un gerente de operaciones en sus
respectivas especialidades, así
como
al ingeniero de proyecto.
Con
frecuencia
estos equipos de
diseño
son
temporales
y se contratan para un propósito espe
cífico, y 1u ego
se
disuelven cuando
el trabajo se termina.
1
L
MÉTODO DE L INGENIERÍ
•
¡
f
.
\
La naturaleza de los problemas
que deben
resolver los ingenieros varía tanto f
de
una
rama a otra de la ingeniería como al interior de cada una ellas.
De he-
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
3/28
i
;
L
5.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
123
cho, un ingeniero puede enfrentar varios problemas
en
el curso
de
las activi
dades de su trabajo cotidiano. Debido a la variabilidad de los
diseños de inge
niería, no existe un procedimiento definitivo o una lista de
pasos que se
ajusten siempre
a los problemas
de ingeniería
inmediatos.
Sin
embargo, los in
genieros
tienden
a tratar los
problemas de
una
manera
especial. Desde luego
que el método de ingeniería para abordar los problemas y
resolverlos difiere
mucho del que usa la mayoría del resto de los
profesionistas.
Los ingenieros
están
entrenados para
pensar
en términos analíticos y objetivos y abordar los
problemas
en
forma metódica y sistemática.
Varios autores de ingeniería han establec~do una lista de pasos
o fases que
comprenden
el
método
de diseño de ingeniería .
Comúnmente
la lista incluye:
1
La
identificación
del problema.
2.
La recopilación de la información necesaria.
3. La búsqueda
de
soluciones creativas.
4 El paso
de
las ideas a los diseños preliminares (incluyendo el
modelado).
5.
La evaluación y la selección de la
solución
preferente.
6. La preparación de informes, anteproyectos y
especificaciones.
7. Implementación
del diseño.
Al describir estos pasos, es importante tener presente que
en
muchos
casos
uno o más de los pasos podrían no aparecer. En otros casos,
quizá sea necesa
rio
repetir
el protocolo
completo
varias veces,
en
un
intento de
converger a
una
solución deseada. Se examinan ahora los diferentes pasos o fases
del di
seño de ingeniería.
5 1 IDENTIFICACIÓN
EL
PROBLEMA
Existe
la tendencia
a
pensar
que esta fase del proceso
de solución
es trivial y
no
tiene importancia. No es éste el caso.
Una
definición del problema incorrecta o
inapropiada hará que el ingeniero pierda tiempo, y puede
conducir a una solu
ción que sea inapropiada o incorrecta. Pearson
2)
señala: Un problema defini
do
apropiadamente
es
un
problema
parcialmente resuelto.
Enunciar
el problema
de la
manera correcta es un gran paso hacia
su
solución.
Es importante
que
las necesidades
enunciadas sean
reales.
Un
diseño real
mente bueno puede ser inútil si duplica otros diseños conocidos
o si resuelve
un problema que no
tien
e impacto sobre
mucha
gente. Si es un producto el
qu
e
se está diseñando, puede ser difícil predecir la respuesta de la
gente
y
el poten
cial de venta resultante de un diseño propuesto. Un análisis de
mercado preli-
1
S
in
embargo,
es
simi lar al conoc
ido
método científico.
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
4/28
24
CAPÍTULO 5/EL MÉTODO E INGENIERÍA PARA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS
minar identificará generalmente a los usuarios prospectivos y
las estadísticas
acerca de los métodos o dispositivos comparables y del
volumen
de ventas.
Las
necesidades
que se
busca
satisfacer
deben
definirse a grandes rasgos y
diferenciarse de las posibles soluciones . En esta fase, debe
tenerse cuidado de
no
prejuiciar la solución al definir el
problema
incorrectamente. Considérese
el
siguiente
ejemplo.
Durante décadas en Estados Unidos,' la muerte de conductores y
pasajeros
en accidentes de vehículos de motor se consideró como
uno
de los problemas
de salud pública más serios de la nación. Los especialistas en
seguridad de
tránsito definieron el problema en
términos
de prevención de accidentes en
lugar de reducción de pérdidas Hablaban
en
términos de la
necesidad
de pre
venir accidentes en lugar de la necesidad de
reducir
las pérdidas
por
los acci
dentes. Al hacer esto, presuponían la solución del problema y
enfocaban su
atención exclusivamente en el comportamiento del conductor. En
forma pre
decible, su solución del problema fue la educación vial, el
respeto del regla
mento de tránsito y las campañas "Maneje con precaución .
Ignoraron los
posibles beneficios
de vehículos
más
resistentes
a los
accidentes
y carreteras
con mayores
medidas
de seguridad.
Hasta
donde
sea posible, el problema debe definirse en términos objetivos.
El
siguiente es un ejemplo de un problema definido en términos
objetivos:
Diseñe un sistema de atenuación de energía que controle la
energía de
un
choque de un automóvil de i 100 kilogramos que viaja a
95
kilómetros por
hora en el momento del impacto. El dispositivo no debe tener una
longitud
mayor
a 3
metros
y no debe costar más
de 10
mil dólares por unidad. La des
aceleración no debe exceder 6 g
(34.5 m/s
2
).
Contraste esta
definición con la siguiente
situación:
Diseñe un sistema de atenuación de energía que controle la
energía de un
automóvil que viaja a alta velocidad en el momento del impacto .
El
dispo-
sitivo debe ser corto y su construcción
debe
ser barata. La desaceleración no
debe ser perjudicial para el conductor.
Por último, el problema no debe
tener
restricciones innecesarias. Si se ponen
demasiadas restricciones sobre el problema, puede hacerse que su
solución
sea
muy
difícil o aun imposible. De hecho, un
examen cuidadoso
del proble
ma ejemplo
enunciado
arriba a la
luz
de la
segunda
ley de
Newton
de la me
cánica, revela
que tiene
demasiadas
restricciones. Sería necesario
que
el
dispositivo tuviera una
longitud mayor
a 3 metros para cumplir
con
las
demás
condiciones del
problema.
5 2 RECOPILACIÓN E LA INFORMACIÓN NECESARIA
Una vez que se identifica el problema y se definen
apropiadamente las necesi
dades, entonces el ingeniero comienza a recopilar información y
los datos nece-
¡
f
l
r
¡
1
f
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
5/28
5.3 EN BUSCA
E
SOLUCIONES CREATIVAS 25
sarios para resolverlo. Por supuesto el tipo de información
necesaria
depende
de la naturaleza del problema que se va a resolver. Podrían ser
mediciones físi-
cas mapas resultados de experimentos de laboratorio patentes
resultados de
encuestas de opinión u otros tipos diversos de información. Esta
fase del proce-
so de resolución de problemas incluye la recopilación y la
evaluación de la in-
formación que ya está disponible. Si el ingeniero está
empleado
en una
corporación grande o en
una dependencia
pública, posiblemente será desea-
ble revisar archivos antiguos y entrevistar a otros empleados
para ver si se ha
hecho un trabajo similar. Posteriormente puede ser necesario
complementar
esta información
haciendo
mediciones adicional~s o realizando más experi-
mentos
de laboratorio encuestas de opinión, etcétera.
En esta fase del proceso los ingenieros emprenden comúnmente
una
investi-
gación bibliográfica para determinar lo que otros han aprendido
acerca de pro-
blemas relacionados.
Pueden
visitar bibliotecas técnicas y estudiar libros de
texto artículos de revistas y catálogos de los fabricantes. Los
bibliotecarios pue-
den ser de
mucha
ayuda para localizar libros de texto y referencias de
revistas
y actualmente la mayoría de las bibliotecas t ienen acceso a
servicios de búsque-
da asistidos por
computadora
que son rápidos y relativamente baratos. Algunas
bibliotecas mantienen también catálogos de fabricantes en
microfilmes con
un
índice temático para ayudar a localizar componentes ya
fabricados.
Por último, vale la
pena
realizar
una búsqueda
de patentes,
especialmente
si hay cerca una biblioteca de patentes.
La
mayoría de las ratoneras nunca
llegan al mercado o a la prensa;
en
consecuencia, existen
muchos
diseños
muy
buenos descritos con un intrincado detalle legal los cuales
pueden encontrar-
se en el listado cronológico de las patentes de Estados
Unidos.
5 3 EN BUSCA E SOLUCIONES CREATIVAS
Después de
terminar
los pasos de preparación
en
el proceso de diseño el in-
geniero está listo para comenzar a identificar las soluciones
creativas. En rea-
lidad el desarrollo de ideas productos o dispositivos nuevos
puede
resultar
de la creatividad
un
esfuerzo inconsciente, o de la innovación un esfuerzo
consciente.
Existen varias técnicas operacionales que
pueden
usarse
para ayudar
a
un
grupo o a
una
persona a
producir
ideas originales. Estas técnicas como las
descritas
en
el
capítulo
4,
están
diseñadas para capacitar
al
grupo
o a la per-
sona a fin de vencer obstáculos para el pensamiento
creativo.
Lluvia de ideas
Una de las
técnicas
más populares para la resolución de problemas en grupo
es la
lluvia
de ideas.
Comúnmente, una
sesión de lluvia de ideas consiste
en
6 a
12 personas
que
introducen
de manera
espontánea
ideas diseñadas para
resolver un problema específico. En estas sesiones todas las
ideas
son
alenta-
das
incluyendo
aquellas que resultan completamente imprácticas. Se
hacen
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
6/28
126 CAPÍTULO 5/EL MÉTODO
E
INGENIERÍA PARA SOLUCIÓN
E
PROBLEMAS
esfuerzos para generar
tantas
ideas como sea posible. Se alienta a los partici-
pantes a que combinen o
mejoren
las
ideas
de otros. No se permite juzgar ni
evaluar las ideas
en la sesión
de
producción de
ideas.
Se sugiere que los participantes
en
las sesiones
de
lluvia de ideas se esco-
jan de una gran
variedad de
áreas de
actividad
y
que se incluyan
personas
con
poca experiencia directa con
el problema.
Generalmente
las
sesiones de
llu-
via de ideas no duran más de una hora. Las ideas producidas por
una sesión
de lluvia
de
ideas se registran y se
evalúan en un momento
posterior
por
el
grupo de la lluvia de ideas o por otro
grupo
u otra persona.
Una persona puede usar también una variante de la técnica de la
lluvia de
ideas. La persona sigue las mismas reglas que se
usan
para
una
sesión de grupo:
la combinación
de ideas, el diferimiento
de la
evaluación y el énfasis
en
la ob-
tención de un
gran
número de ideas. No es
necesario que la
sesión individual
de lluvia de ideas tome más de unos cuantos minutos. De
nueva
cuenta las
ideas se registran y se evalúan posteriormente.
istas e revisión
Una de las
ideas
más simples para generar nuevas ideas es hacer una lista de
revisión. La
lista
de
revisión alienta
al
usuario
a
examinar
diferentes puntos
áiieas
y posibilidades
de diseño.
Por
ejemplo suponga
que usted estuviera
in\,tentando mejorar cierto dispositivo. Puede hacer 1:1 na
lista de revisión que
in~luya:
Las formas en que el
dispositivo
podría
usarse
para otros fines.
Las formas
en
que el dispositivo
podría
modificarse.
Las formas en que el dispositivo
podría
reordenarse.
Las formas en que el
dispositivo
podría hacerse más grande.
Las formas
en que
el dispositivo
podría
hacerse más pequeño etcétera.
ista e atributos
Otra técnica que las personas pueden usar a fin de producir
ideas originales
para la resolución de problemas
es la
lista de
atributos. Con
esta técnica se
aís-
lan
y se listan todas las características o atributos
principales
de
un producto
un objeto o una idea. Después,
para
cada atributo se listan las ideas acerca de
cómo
podría
cambiarse
cada uno
de
ellos. Se listan
todas
las
ideas
sin
impor-
tar qué
tan
poco realistas o imprácticas sean. Después de
que
todas las ideas
se han listado,
se
evalúa cada una
de
ellas, sacando a la luz las posibles mejo-
ras que pueden hacerse en el diseño del
producto
o del sistema.
Considere el siguiente ejemplo de cómo
podría
usarse
la
técnica del listado
de atributos
para
mejorar
el
diseño
de
un
teléfono.
3)
r
¡
,
,,
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
7/28
tributo
1 Color
2. Material
3. Dispositivo de marcación
4. Auricular y
base
5.3 EN BUSCA
DE
SOLUCIONES CREATIVAS 12 7
Ideas
Podría ser
de
cualquier color
Podría ser transparente
Podrían utilizarse diseños como los de cuadros
Podría tener
un
diseño
personalizado
Podría ser de metal
Podría ser
de
vidrio
Podría ser de madera
Podría ser de caucho endurecido
Podría ser un diseño digital de 10 botones
Podría ser
un sistema
de
palancas
Podría usarse un sistema tipo ábaco
Podrían
ser botones
dispuestos
én una hilera
Hacerla
cuadrada
Hacerla redonda
Hacerla ovalada
Usar
una
base más alta
Usar una base más baja
Eliminar el auricular usando
un
micrófono y una bocina
a técnica de
la
relación forzada
Otro grupo de técnicas operacionales que las personas pueden
usar para ge-
nerar ideas
se
conoce
como la
técnica de la relación
forzada.
3)
Es decir es-
ta técnica
obliga a una relación
entre
dos o más ideas o .
productos que
normalmente
no tienen relación
para comenzar con
el proceso de
generación
de ideas.
Una
de estas
técnicas
consiste en
seleccionar
el
elemento
fijo
en la
relación
forzada
siendo
éste el
producto
o el dispositivo que va a
diseñarse
o
una
idea
relacionada con el enunciado del problema. En seguida la
aten-
ción se enfoca
en algún
otro
elemento que
se escoge
en
forma aleatoria. Se
establece
entonces
una
relación
forzada o
que
no es
natural
entre el elemen-
to fijo y el elemento escogido de
manera
aleatoria. Esto forma la base de una
lista de asociaciones que
fluyen
libremente
de la
cual probablemente
surgi-
rán ideas nuevas y originales.
Por
ejemplo
suponga
que se trata de
diseñar
un
dispositivo para cortar
hierbas. El
dispositivo
es el objeto enfocado.
Suponga que
se escoge arbitra-
riamente
una
rueda
de
automóvil como
el otro
elemento. Algunas
de las
ideas
que
pueden
surgir basadas
en
las características de la
rueda
de auto-
móvil incluyen:
Un cortador de hierbas redondo.
Un cortador de hierbas de caucho.
Un
cortador
de hierbas que rueda.
Un
cortador de hierbas con rayos.
Un cortador de hierbas con llantas neumáticas.
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
8/28
128 CAPÍTULO 5/EL MÉTODO E INGENIERÍA PARA SOLUCIÓN E
PROBLEMAS
Un
cortador de hierbas
con
frenos.
Un cortador de hierbas que no se descomponga, etcétera.
Observe que este proceso se inició tomando las características
elementales de la
rueda -redondez material de caucho, capacidad de rodar,
etcétera- para apli-
carlas
después
al cortador
de
hierba. Entonces
pueden
desarrollarse otras ideas
basándose
en
relaciones verbales simples o en palabras que suenen
parecidas.
Por
ejemplo, la palabra frenos en inglés, "brakes", condujo a la
idea de
un
cor-
tador
de hierba
que no
se descompone :
cutter that will not "break".
Esta
técnica
lleva
poco
tiempo. Si la relación forzada que se está usando
no
parece
ser provechosa, se puede
seleccionar
simplemente
un
nuevo
elemento
aleatorio y
repetir
el proceso. Al igual que
con
otras
técnicas de generación de
ideas, pueden generarse muchas ideas imprácticas e incluso
absurdas. La eva-
luación de estas ideas no debe
hacerse
durante la etapa de
generación
de
ideas.
l análisis morfológico
Una técnica operacional para la generación de ideas atribuida a
Fritz Zwicky
3) incluye el listado de todas las soluciones teóricas
concebibles. Esta técni-
ca consiste
en
definir primero el problema en términos de sus dimensiones o
parámetros e imaginar un modelo que permita visualizar todas las
soluciones
posibles. Para una solución con solamente dos parámetros, el
modelo adopta
la
forma de
un
cuadrado grande dividido en un
grupo
de cuadrados más pe-
queños.
El eje
horizontal
mostraría varias elecciones
posibles
para
un paráme
tro; el eje vertical mostraría las elecciones posibles
para
el otro parámetro. Esta
disposición permite
al
usuario examinar
los efectos
combinados de
los atribu-
tos de las variables.
Para problemas con más de dos parámetros, el modelo se convierte
en una
matriz con cada uno de los parámetros asignado a un eje de un
arreglo rectan-
gular. Esto se explica mejor con un ejemplo.
Refiriéndonos
nuevamente al diseño de
un dispositivo
cortador de hierba,
suponga que quieren examinarse tres atributos o variables: el
tipo de fuente de
energía, el tipo
de movimiento
de la
hoja
y el tipo de
material
empleado en su
construcción. Se listan los métodos posibles para satisfacer
cada
atributo,
por
ejemplo:
Energía:
motor
eléctrico,
motor
de gasolina,
presión hidráulica.
Acción de la hoja: rotatoria, de vaivén.
Material: acero, aluminio plástico.
La combinación de estas condiciones arroja 18
soluciones
posibles que ahora
pueden someterse a escrutinio evaluación. La figura
5.1
ilustra las diferen-
tes combinaciones que comprenden las posibles soluciones. Cada
uno de los
~
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
9/28
5.4 LA CONSTRUCCIÓN
E
LAS IDEAS A LOS DISEÑOS 129
otor
de
gasolina
unr
tnistro
e
energía
Figura 5 1 Ilustración de la técnica morfológica
cubos pequeños representa una solución. Por ejemplo el cubo A
representa un
dispositivo de acero con un motor eléctrico y una hoja
rotatoria.
5 4
L TR NSICIÓN
E
L FORMUL CIÓN E IDE S LOS
DISEÑOS PRELIMIN RES
Ahora el ingeniero está listo para moverse de las ideas a los
diseños prelimi-
nares.
Se
trata del punto central del proceso de diseño y es la fase que
depen-
de
más
de
la
experiencia y del juicio de ingeniería.
Aquí se
descartan las
ideas
impracticables y se
moldean
y modifican las ideas prometedoras para formar
anteproyectos y diseños factibles.
En este paso puede ser necesario tomar muchas decisiones acerca
de disposi-
ciones configuraciones materiales dimensiones y otras
especificaciones alter-
nativas. También puede ser necesario dibujar bocetos
conceptuales preparar
anteproyectos preliminares y reflexionar acerca de las
especificaciones de los
materiales.
Los
diseños preliminares pueden evolucionar por
análisis
o
por
síntesis
El
análisis
implica la separación de un
todo
en los
constituyentes para
su estu-
dio individual La síntesis implica la combinación de hechos
principios
o le-
yes
en
una idea completa que logre algún resultado
deseado
o que resuelva un
problema.
En
esta fase es necesario
someter
las posibles ideas
para
las soluciones a
un
escrutinio cuidadoso
Las
soluciones
posibles se
examinan
y se
estudian
cui-
dadosa
y críticamente. Hay
muchas
maneras de hacer esto. En ciertos casos el
boceto preliminar de un dispositivo o el análisis informal de un
proceso reve-
lará que ·no vale la pena seguir
considerando
una idea. En otros casos
puede
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
10/28
130 CAPÍTULO 5/EL MÉTODO
E
INGENIERÍA PARA SOLUCIÓN E PROBLEMAS
ser necesario examinar
un componente mediante
ensayos de laboratorio. En
otras ocasiones puede requerirse llevar a cabo un programa de
investigación
formal y completo, a fin de examinar la validez de una hipótesis
o la eficacia
de una solución propuesta.
Para facilitar el proceso de diseño, los ingenieros
suelen
utilizar modelos.
Duderstadt y colaboradores 4 definen un modelo como
cualquier
descrip-
I;
ción simplificada de
un
sistema
o
un
proceso de
ingeniería que
puede
usarse
para ayudar
en el análisis o el diseño. Los ingenieros usan varios modelos
[
que pueden ser tangibles o intangibles. Según la definición más
amplia del tér-
mino,
los bocetos y las gráficas los
cuales
se estudian en el capítulo
6 pue-
den
considerarse
como
tipos
de
modelos. Además,
comúnmente se
usan
tres
tipos de modelos
para
facilitar la
solución
de los problemas
de
ingeniería:
1
Modelos analíticos o matemáticos.
2 Modelos de simulación.
3
Modelos físicos.
Modelos m temáticos
Un modelo matemático
consiste
en una ecuación o un grupo de ecuaciones
que representan
un
sistema físico. Por ejemplo, la
siguiente
ecuación repre-
senta la
presión
del
viento
sobre
una
estructura:
p = KVZ
donde p
=
presión del
viento
expresada en kilogramos por
metro
cuadrado.
K
=
un
factor que
depende principalmente de
la forma
de
la estructura.
V
la
velocidad del
viento
expresada en kilómetros por hora.
Muchos fenómenos físicos
pueden
describirse
mediante
modelos matemáti
cos. Estos modelos pueden basarse en teorías o leyes dentíficas
que
han
resis-
tido la prueba del tiempo. Otros tienen una base empírica y
dependen o se ob-
tienen de observaciones y exp·erimentos.
En términos generales, los modelos matemáticos sólo pueden
describir fe-
nómenos físicos relativamente
simples.
Los modelos matemáticos diseñados
para describir fenómenos complejos tienden a ser tan complicados
que son
de
poco
valor.
Modelos de simulación
Cuando se estudian sistemas complejos, los ingenieros
emplean
frecuente-
mente los
mo elos de simulación
por
computadora
Un modelo de este tipo
puede
incorporar modelos
matemáticos
con bases empíricas
como
componen
tes del modelo total. Por ejemplo, Thomasson y
Wright
5) usaron
la
simula-
1
t
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
11/28
S
o. En
ación
.cada
lelos.
;crip
tsarse
delos
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pue
1 tres
:a:
iones
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rada.
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máti-
resis-
:e ob-
ir
fe-
tados
m
de
ente
tipo
nen
mla
5.4 LA CONSTRUCCIÓN DE LAS IDEAS A LOS DISEÑOS
3
ción
por computadora para estudiar el tránsito en
un
crucero
de
dos
sentidos
sin semáforo. Primero
hicieron estudios
empíricos
del comportamiento
del
conductor en
los cruceros
y
encontraron que el fenómeno
podía
separarse en
varios eventos
bien
definidos:
1
La llegada de los
automóviles
en
las calles laterales
y en
las vías princi
pales.
2 La decisión de dar vuelta.
3 La aceptación o rechazo de los espacios libres disponibles
en
el tránsitc
de la vía
principal.
4 El tiempo de inicio; el titubeo antes de entrar en el
crucero.
5 El tiempo de servicio, es decir, el tiempo
en
el
cual
el crucero estuvo ocu·
pado.
La descripción de estos eventos se basó en parte
en
observaciones reales de
lo
conductores o
en
modelos matemáticos empíricos que otros investigadores
ha
bían publicado. Por ejemplo, se encontró que el tiempo durante
el cual un ve
hículo ocupa el crucero podría describirse mediante una
distribución norma
de probabilidad véase
la
figura 5.2). Un estudio de la distribución normal d
probabilidad
aparece en el
capítulo 7.)
99
1
1
1
1
1
98
,____
'
• VUELTAS A LA DERECHA
A
VUELTAS A
LA IZQUIERDA
95
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DERECHO
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2 3 4
TIEMPO (SEGUNDOS)
/ .
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(
I
5
6
Figura 5 2 Los resultados de
un estudio empírico usados en ur
modelo de simulación La figw
muestra las distribuciones de
los tiempos en que los vehículos
ocupan un crucero
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
12/28
32 CAPÍTULO 5 EL MÉTODO E INGENIERÍA PARA SOLUCIÓN E
PROBLEMAS
INICIO
RUTIN P R UN VUELT
L DERECH
PROCEDIMIENTO DE
CEPT CIÓN
DEL
ESP CIO LIBRE
NO
SÍ
RUTIN
DE
INGRESO E
INICI LIZ CIÓN
GENER CIÓN
DE
VEHÍCULOS
SIGN CIÓN DEL MOVIMIENTO
DE
D R VUELT
NO
RESUMEN
Y
RUTIN
DE
S LID
TIEMPO DE CTU LIZ CIÓN
NO
IMPRIMIR LOS RESULT DOS
FIN
RUTIN DE CRUCE
PROCEDIMIENTO DE CEPT CIÓN
DEL ESP CIO LIBRE
NO
igura
5 3
Diagrama de flujo general para un modelo de simulación
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
13/28
s
5.4 LA CONSTRUCCIÓN DE LAS IDEAS A LOS DISEÑOS
133
....J
U.J
U.J
J
VOLUMEN EN
LA
CALLE
LATERAL
EN
AMBOS
SENTIDOS
?O • 50 VEHÍCULOS HORA
A
100
VEHÍCULOS HORA
•
150
VEHÍCULOS HORA
60
200 VEH[CULOS HORA
•
250
VEHÍCULOS HORA
5
50t----- ----t-----1------------1--1
>
z
U.J -
QU
5
8
40 -----+----t-----1----+--+--- -----I
S2
iE C l
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3Qt---- - - - - - - - - - - l - - . . . . , ._ - -_ ,____, . .
.__ . . . . , , ._ -- f
U.J
:;E
o
e
o..
20
U.J
C l
200 400
600 800
1000
1200
VEHÍCULOS HORA
VOLUMEN
EN
LA CALLE
PRINCIPAL
EN
AMBOS SENTIDOS DISTRIBUCIÓN
50 -50
Figura 5 4 Salida de w
modelo de simulación
de computadora
a figura muestra
los tiempos
promedio
que los automóviles
esperan para cruzar
una vía principal
Se desarrolló entonces
un
programa
o
modelo de computadora para des
cribir el comportamiento de los conductores que llegaban y
pasaban por e
crucero.
Usando
el
procedimiento
descrito en el diagrama de flujo genera
mostrado
en
la figura 5.3, los investigadores modelaron el flujo del
tránsito ,
través del crucero y estimaron las demoras para los conductores
bajo diferen
tes condiciones de flujo vehicular, como se ilustra
en
la figura 5.4.
odelos físicos
Los ingenieros han
usado
los
modelos
físicos durante mucho
tiempo
para
ob
tener
una mejor
comprensión
de los fenómenos complejos. Probablemente es
tos modelos constituyen el método más antiguo de diseño
estructural.
Lo
modelos físicos también se han usado por muchos años
en
los campos de 1
hidráulica la hidrodinámica y la aerodinámica.
Ejemplos de estudios realizados con modelos físicos
incluyen:
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
14/28
34
CAPÍTULO 5/EL MÉTODO E INGENIERÍA PARA SOLUCIÓN E PROBLEMAS
igura . 'i Mor/e/o f(sir:o
que
se uso
pom
P.studiar el comporto -
miento del oleaje en un puerto. (Cortesía del Cuerpo de
Ingenieros
del
Ejrin:i/u
tie Esluclus
Uniclus.J
igura
5 fi
Porte
de
ns investígor:iones
más provechosas con modelos
físicos
se han
obtenido
en túneles
de
viento.
Aquí
se es tá
estudiando
un motor
de reaccicin con ariete en
una
sección de
prueÍJa de 3 x 3 metro
s
{Cor esi'n de o Nntionol Aeronatztics
nn
r/
S¡mce
Arlmínistrn ion.)
í
;
¡
1
1
1
1
t
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
15/28
1
2
3.
5.4
LA CONSTRUCCIÚN DE LAS IDEAS A LOS DISEÑOS 13 5
La dispersión de contaminantes en un lago.
Figura
5 7
Este
puso de
aire
gigontesco alberga
un conjunto
masivo de paletas guía
es
tacionaria
s en un codo
de
t¡jnef
de
viento,
que
obli~o al
oire a un cambio de dirección
en ángulo recto con suavidad
Cortesía
de la Nationol
Aemnoutics on d Spnce
Administro io11.
El
comportamiento del
oleaje
en
un puerto. (Véase la figura
5.5.)
El comportamiento bajo el agua de submarinos de diferentes
formas.
f Algunas veces
se construyen modelos
a escala
natural
pero
con
frecuencias ,
f construyen a una escala más pequeiia. Las l~scalas típicas de
los
modelo
s físi
Í
cos varían de 1:4 a
1:48. (6)
Tal vez el principal valor de los modelos físicos es que
permiten al ingenier1
estudiar un dispositivo,
una
estructura
o
un sistema con poco o ningún conoci
miento
previo
de su
comportamiento.
o
sin necesidad
de
hacer suposicione
simplificadoras.
jemplo e mo elos
físicos
Algunas ele
las investigaciones
más
provechosa
con modelos físicos h; u~ realizado con
túneles
ele viento (véanse las figura
5.6 y 5.7). En
los siguiente~ párrafos
se
ofrece una
breve descripción
de los tú
neles
de viento, resumido. de
la
reforencia G
Los túneles de viento
se basan en
lna lev fundamental de
la
dinámica d
-
fluídos, a saber, qu e
u
cuerpo sumergido en
u
fluido en movimiento expE
rimen
ta
las
mismas
Licrzd~:
que
si
rd c u t1rpo estuviera en movimiento y el flui
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
16/28
136
CAPÍTULO 5/EL MÉTODO DE INGENIERÍA P \RA SOLUCIÓN DE
PROBLEMAS
do fuera estacionario, suponiendo que la
velocidad
relativa del fluido y del ob-
jeto sólido es la misma en ambos casos. Esto significa, por
ejemplo, que las
condiciones que circundan a
un
aeroplano en vne]o
p11 clfm
reproducirse
manteniendo estacionario el avión y haciendo que el aire se
desplace en rela-
ción con el avión a una velocidad comparable a las velocidades
de vuelo.
Las ventajas de los túneles de viento sobre los vuelos de prueba
son la eco-
nomía, la seguridad
y
la
versatilidad de la
investigación. El
modelo de un
ae-
roplano
puede
ser probado en
un túnel de
viento
a
una
fracción
del
costo
de
construir y
operar un prototipo
a escala naturéll: y la adecuabilidad
en
el aire
de los diseños
nuevos
y
experimentales
puede probarse
sin
arriesgar la
vida
de
un
piloto. Las pruebas en
un
túnel
de viento pueden simular el vuelo bajo
condiciones
más controladas y
mensurables
que en un vuelo de prueba. Inclu
so antes del primer vuelo de los hermanos Wright , el túnel de
viento era la he
rramienta
principal del ingeniero aeronáutico.
Todos los túneles de viento tienen propiedades com
unes
que circunscriben
sus características y capacidades. Todos tienen
una
sección de prueba en la cual
se
puede
fijar o colgar
un
modelo,
un
componente
o
un
sistema. La
sección
transversal
puede
ser
redonda,
ovalada, rectangular o poligonal. La anchura y la
altura de las secciones de prueba
pueden
variar desde unos cuantos centímetros
hasta
30
metros o más.
Los
túneles
de viento pueden ser con retorno o sin retorno. Los túneles
sin
retorno aspiran aire de la atmósfera, lo hacen pasar por
un
tubo
que incluye
una sección de prueba y lo descargan a la atmósfera. Estos
túneles
son de cons
trucción
sencilla
y barata, pero son ineficientes y limitados en los tipos de
flu-
jo que pueden generar. En muchos túneles complejos se usa
un
circuito con
retorno en el cual el mismo aire se mueve alrededor de
un
bucle cerrado.
Una
ventaja
importante de los túneles cerrados es que
pueden
presurizarse,
técnica que permite
estudiar
objetos
que están hechos
a
una
fracción
de la
es-
cala
natural. La
comparabilidad
de las
condiciones de
las
pruebas de
túnel
de
viento
utilizando
modelos y las condiciones
experimentadas
por una aerona-
ve a escala natural en vuelo depende de
una
cantidad matemática adimensional
que
se conoce como el
número
de Reynolds (dcnomjnado así
en honor
al inge-
niero británico decimonónico Osborne Reynolds). El número de
Reynolds es un
parámetro de similitud de flujo que describe las fuerzas que
actúan sobre un cuer-
po
en movimiento con respecto al fluido en el cual está sumergido.
El número es
directamente proporcional al tamaño del cuerpo, asf como a la
densidad y a la
velocidad relativa del fluido, e inversamente proporcional a la
viscosidad del
fluido. Si los factores restantes son iguales, un modelo que "se
mueve con res-
pecto a una corriente de aire tendría un número de Reynolds
menor que un ae-
roplano a escala natural en vuelo. La forma más sencilla de
igualar los números
de
Reynolds y obtener así condiciones comparables de flujo
para
el aeroplano
y
para
el modelo- consiste
en aumentar
la velocidad o la
densidad de
la corrien-
te de aire en la cual el modelo está sumergido.
En casi todos los LlÍneles de viento su emplea un complejo
arreglo de balan-
zas y otros dispositivos
cte
medición diseüados específicamente
p;:ira
este propó
sito. En la mayoría de los túneles
de
circuito cerrado se
usan
paletas para guiar
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8/18/2019 Método de Ingeniería
17/28
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5.5 EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE LA MEJOR
SOLUCIÓN
13
el
flujo
de
aire de
manera continua alrededor de
las
esquinas
en el circuito. I
la
mayor
parte de
los túneles se
usan
complejos arreglos
de cámaras de
clari
cación, mamparas y
estrechamientos de
garganta
para uniformar
y rectificar
corriente
de aire a medida que
se acelera al
entrar en la sección de prueba.
usa
una
gran
variedaJ
de
sistemas
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
18/28
138 CAPÍTULO 5/EL MtTODO E INGENIERÍA PARA SOLUCIÓN E
PROBLEMAS
El
esquema
de optimización puede hacerse muy difícil cuando el
diseño
re
quiere un
operador
humano y una interfase hombre-máquina. Esta
dificultad
existe
porque
no
hay
dos seres humemos iguales. Las diferencias anatómicas y
fisiológicas básicas entre las personas
hacen
que los factores
humanos del
dise
ño sean difíciles de cuantificar. Un usuario humano puede
considerm un dise
ño
muy
adecuado y eficiente mientras que otro lo puede considerar
inacepta
ble; por lo tanto la
optimización
de los factores
humanos
se convierte
en
una
cuestión de comparaciones estadísticas. Entonces la población de
usuarios de
be identificarse y caracterizarse antes de intenta r optimizar
cualesquiera diseños
que incluyan operadores
humanos.
Además
de los juicios de
rutina que
los ingenieros
hacen
acerca de un dispo
sitivo o sistema
con
frecuencia se
necesitan
evaluaciones más formales y estruc
turadas. Esto es especialmente cierto
para
los proyectos de obras públicas los
cuales deben juzgarse desde los puntos de vista de grupos que
compiten ·y que
con frecuencia están en conflicto. Tradicionalmente estas
evaluaciones depen-
den
del
análisis económico pero las recientes
preocupaciones
por los
impactos
sociales
y
ambientales
han producido
técnicas de evaluación
mucho
más am
plias. Se examinan ahora algunas de estas técnicas formales de
evaluación.
Análisis económico
Durante al menos 50 años los
ingenieros
han
utilizado el análisis económico
como herramienta para la
toma
de decisiorn~s en la construcción de presas
puentes carreteras y otras obras
públicas. Conceptualmente
estos
análisis
in
tentan
comparar los beneficios públicos de estos proyectos con los
costos pa
ra
realizarlos.
Los estudios económicos pueden utilizarse para:
1
Determinar la faí.tihilirlarl
C1P
1 rn proyecto .
2.
Comparar diseños alternativos.
3.
Determinar la
prioridad de
la construcción
de un grupo de proyectos.
4.
Evaluar las características ospecíficas del diseño.
En los análisis económicos es importante reconocer el valor del
dinero en el
tiempo. Debido a la existencia de los intereses una cantidad de
dinero vale más
ahora que el prospecto de recibir la misma cantidad en una fecha
posterior. Por
lo tanto con objeto de
comparar
los costos y los beneficios de
un
proyecto de in
geniería sobre una base sólida
deben
convertirse a valores equivalentes en una
fecha
común.
Este procedimiento
que
se conoce como descuento se
hace con
el
uso
de una tasa de interés
adecuada
de acuerdo
con principios
económicos
establecidos. Estos conceptos se describen más
ampliamente en
libros de texto
sobre análisis económico y diseño de instalaciones. 7,
8
Un
enfoque
consiste
en
comparar los beneficios y los costos sobre
la
base
del valor presente
o
valía presente
Por ejemplo el
valor presente
P de algún
pago individual futuro puede
calcularse
mediante la
siguiente ecuación:
i _
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
19/28
t
¡
f
t
¡
f
í
¡
,,
¡
l
i
f
f
1
1
f
5.5 EVALUACIÓN Y SELECCIÓN
DE
LA MEJOR SOLUCIÓN 139
P = F (5.1)
1 +
t
donde
i
=
tasa de
interés
o tasa de
descuento
por
periodo.
n
=
el número de
periodos con
interés,
generalmente
años.
jemplo
5 1
Suponga que
se
va
a
construir
un puente sobre
un
río
y que
costará 385,000
desmantelarlo al final de su vida útil de 40 años. Determinar el
valor presen-
te de
desmantelar
el
puente usando
una
tasa de interés del
10
por
ciento.
olución
Por la ecuación (5.1),
valor
presente,
P =
3
B
5
,
OOO
- = 8500
(1 + 0.10
40
Las
equivalencias económicas
como éstas se
ilustran
con frecuencia de
la
si-
guiente
manera:
8500
t 1111111111 ·
n
=40 años • • • 1 1 1 1 1 1 1
El
valor presente
P de una serie de pagos
anuales uniformes
de fin de
periodo
A
puede
calcularse mediante la siguiente ecuación (7):
p
=A (1 +
t
1
s
i 1
+
i 11
(5.2)
jemplo 5 2
Suponga
que
se
estima
que los beneficios
anuales
del
usuario
(adicionales
a
cualesquiera
costos de
mantenimiento
del puente descrito
en el
ejemplo
5.1
son
una
cantidad
constante
de 94,500
por
año.
Determine el
valor
presente
de estos beneficios suponiendo
una
tasa de interés de 10
por
ciento
y un
pe-
riod o d (; análisis (
vida
Mil 1_lcl puent(
1
) de 40 m'ios.
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
20/28
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
21/28
l
l
l
t
f
l
r
i
r
t
r
l
5.5
EVALUACIÓN Y SELECCIÓN
DE
LA MEJOR SOLUCIÓN 141
tras técnicas e evaluación
Durante
los últimos años ha
habido una conciencia creciente del impacto que
las obras de ingeniería pueden tener sobre las personas y el
ambiente. Estos pro
yectos
pueden
ser
la causa
de
la reubicación
de familias y negocios o
exponer
a
los
ciudadanos al ruido
así como a la
contaminación del agua y
.el aire.
Muchos
de
estos impactos no pueden reducirse a una
simple
cantidad monetaria. Sin
embargo, se
dispone
de técnicas
para ayudar
al ingeniero, cuando
menos hasta
cierto
punto
a cuantificar estos impactos. Estas técnicas incluyen por lo
gene
ral la jerarquización de los proyectos alternativos en
una
escala
que
se basa en
algunos criterios
previamente
determinados. Las jerarquizaciones pueden ha
cerse por
un
panel de expertos o
de
ciudadanos o basarse en
encuestas
de acti
tudes. Este
enfoque se
ilustra
con
el siguiente ejemplo, el
cual se resumió de
la
referencia 9.
Suponga que
una
ciudad
que
considera
un
nuevo sistema
de tránsito
masi
vo
ha establecido
los
siguiente
s objetivos
para
el
sistema:
1. El sistema debe ser
económico.
f
2. Debe haber
un trastorno
mínimo de personas por
reubicación.
f
3. El sistema
debe suministrar un
elevado nivel
de
comodidad y ventajas.
f
4.
El área central debe ser muy accesible.
5.
El
sistema debe
ser accesible
par
a
a
s
áreas de bajos ingresos.
Se
seleccionaron
los siguiente:, c
ri t
erios
para suministrar
una
medida de
cada
objetivo:
1.
Razón
beneficio-costo.
2. Número
de personas
reubicadas.
3. Factor
de carga
de vehículos
en
tránsito
en las
horas
pico.
4. Índice
de
acceso
de las áreas centrales.
5.
Índice
de
acceso del
tránsito
a las zonas
de
tránsito de bajos ingresos.
Entonces
un a com1s10n de ciudadanos l ingenieros estableció los
siguientes
cocientes
de importancia
relativa
para
estos objetivos: 40 por ciento , 20 por
ciento, 20 por
ciento 10
por ciento y
10
por ciento. Después evaluaron estos
objetivos para
cada
uno de tres
pro
yectos alternativos, con los
siguientes
re
sultados:
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
22/28
142 CAPÍTULO 5/EL MÉTODO DE INGENIERÍA PARA SOLUCIÓN DE
PROBLEMAS
Calificación
de efectividad Calificación Calificación Calificación
Matriz de evaluación:
posible del plan A del pl n B
del
pl n
e
1. Razón beneficio-costo
40
35
25
30
2
Personas
reubicadas ·
20
10
20
5
3
Factor
de
carga del
tránsito
20
10 15 3
4
Facilidad
de acceso
al núcleo 10 1
5 10
5. Disponibilidad
de tránsito a zonas de
bajos ingresos
10
2
10
.8
Calificación lolal
de efectividad 100
(-i()
75 56
Se seleccionó al
plan
B como el que mejor satisface los enunciados de los ob-
jetivos
que
se propone alcanzar el plan de transporte.
5.6 PREPARACIÓN E INFORMES PLANES Y ESPECIFICACIONES
Después de que ha sido seleccionado el mejor diseño debe
comunicarse a
quienes deben aprobarlo,
apoyarlo
y traducirlo a la realidad. Esta comunica
ción puede adoptar la forma de un
informe
de ingeniería o un
anteproyecto.
Generalmente
los informes de
ingeniería
se
destinan
a
un
cliente
o
un
super
visor
(por
ejemplo
si el
ingeniero
es empleado de
una
corporación grande). El
anteproyecto
es el medio
con que
cuenta el ingeniero
para describir
a
una
di-
visión
de manufactura o a un
contratista
los detalles
suficientes
acerca
de un
diseño
para
que
pueda producirse
o
construirse.
Esta importante fase
del pro
ceso de
diseño
se trata más a fondo en el
capítulo 6.
5.
7 IMPLEMENTACIÓN
EL
DISEÑO
Podría
decirse que
una
vez
que
se
han terminado
el
anteproyecto
las especi-
ficaciones y los informes de ingeniería, se termina el proceso
de diseño.
Sin
embargo, en realidad la fase final del proceso de diseño es la
implementación:
el
proceso
de producir o construir nn
dispositivo
físico , un producto o
un
sis-
tema. Los
ingenieros
deben planificar y supervisar la
producción
de los dispo
sitivos o productos y supervisar la construcción de los
proyectos
de ingenie-
ría. Por supuesto ,
diferentes ingenieros
pueden participar en esta fase final.
Ésta es la culminación del
proces
o de diseño ; para el ingeniero de
diseño
es
la fase más satisfactoria
ele
todas.
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8/18/2019 Método de Ingeniería
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5.7 Il\1PLEMENTACIÓN DEL DISEÑO 143
btención de
un
p tente
No es poco común
que
el trabajo
del
ingeniero
sea
de tal valor que deba
pro-
tegerse
de
la explotación
por
otros. Esto puede lograrse
mediante
la obtención
de
una
patente.
La
patente
de
un
invento
concede un
derecho de propiedad por parte del
gobierno
al inventor o a sus herederos. Excluye a otros para hacer usar o
ven-
der el
invento.
En
Estados
Unidos, las patentes se gestionan en la Oficina de
Patentes y Marcas Registradas
una
división
del
Departamento de Comercio.
La ley de patentes clasifica la
materia
que puede patentarse
como
cual-
quier
proceso,
máquina, manufactura
o composición de materia que sea nue-
va o útil o cualesquiera mejoras
nuevas
y útiles de los mismos . 10) Esto
significa que las patentes pueden
obtenerse
prácticamente
para todo
aquello
que hagan los humanos,
así
corno el proceso para
hacerlo.
Para que
una
invención
sea
patentable, debe ser nueva, como se
define en
la ley de patentes.
La ley
establece
que una invención
no puede patentarse
si:
1. La invención era conocida o utilizada por otros en este país
o se
p tentó o
se describió en un publicación
impres
de este p ís
o
uno extranjero antes de su invención por el solicitante de la
pa
tente o
2. La invención se patentó o fue descrita en una publicación
impresa
en éste
o
en un país extranjero
o
estuvo en uso público
o
a
la
ven
ta
en este
p ís
más de un año antes de la solicitud de
p tente
en Es-
tados Unidos.
1 O)
·
Para
pedir una patente,
l inventor debe
llenar una
solicitud que incluya:
1 Una
especificación
es decir
una
descripción clara concisa y exacta de la
invención
presentadé1 de tal manera que
la distinga
de otras invenciones
anteriores.
2.
Un
juramento o declornóón he
cho
por el inventor afirmando la creencia
l
que
es el
inventor
original
y primigenio
de la
materia
objeto
de
la so
licitud.
3. Una cuota de registro. La referencia
10
da un
tabulador
de cuotas comen-
zando
con
una cuota
básica
l 630 dólares.
4.
Un dibujo preparado según las
especificaciones
de
la
Oficina de Patentes
siempre
que la naturaleza del caso lo requiera para entender la
invención
.
El Centro de Información Científica y Tecnológica de la Oficina
de Patentes y
Marcas Registradas en Arlington Virginia tiene
una
Sala de Búsqueda donde
el público puede
buscar
y
exami
nar las patentes
estadounidenses
concedidas
desde 1836. Ahí las patentes están ordenadas en
más
de 400 clases y 120.000
subclases. Al
examinar
estas
paten
tes clasificadas es
posible
determinar, antes
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
24/28
144 CAPÍTULO 5/EL MÉTODO DE INGENIERÍA PARA SOLUCIÓN DE
PROBLEMAS
de presentar realmente la
solicitud
si una invención ha
sido
anticipada por
una patente
estadounidense.
Puesto que una patente no siempre se concede
cuando
se presenta la solici-
tud muchos
inventores
intentan
hacer su
propia búsqueda
antes de solicitar
una patente. Esto puede hacerse
en
la Sala de Búsqueda de la Oficina de Paten-
tes y Marcas Registradas o
en
bibliotecas ubicadas en diversas
ciudades
de Esta-
dos Unidos, las cuales se conocen como Bibliotecas de Depósito
de Patentes.
La
preparación
y el procesamiento de la solicitud
para una
patente es una em-
presa que
requiere del conocimiento de la ley de patentes, así como del
conoci-
miento
de los aspectos científicos o técnicos que intervienen en la
invención
particular. Por lo tanto, la mayoría dE los inventores emplean
los servicios de
abogados de
patente
registrados o de agentes de patente. La Oficina de Patentes
y Marcas Registradas
mantiene
un
directorio de abogados y agentes calificados
para ayudar a
los inventores
con
el proceso de la patente.
1
O
iseño
sistido
por computadora
Aunque las computadoras digitales
aparecieron
por primera vez en la década
de 1940 la mayor parte del
crecimiento
de ]a tecnología de computación
ha
ocurrido
en
las dos últimas décadas. En este tiempo relativamente corto,
el
uso
de herramientas basadas en
la
computación para la resolución de problemas
de ingeniería
se
ha
vuelto un lugar
común.
Estas
herramientas
se denominan
ingeniería asistida por computadora CAE), diseño
asistido
por computadora
CAD)
o
diseño
y
manufactura asistidos por computadora CADICAM).
Estos sis-
temas hacen
que el
proceso
de
resolución
de
problemas sea
mucho
más
efi-
ciente
y
liberan
a los
ingenieros
de tareas
monótonas
y faltas de
imaginación
permitiéndoles más tiempo para
la
inventiva
técnica.
Aquí nos enfocamos
principalmente
en
los
sistemas
CAD, que se
están convirtiendo
en
herramien-
tas
de diseño cada
vez
más poderosas
y generalizadas.
Con
los
sistemas CAD
los gráficos interactivos permiten al
usuario comuni-
carse fácilmente con
la
computadora en imágenes que se
exhiben
en
pantalla.
Con
la velocidad
de
las computadoras
modernas
esta comunicación se desa-
rrolla
en
tiempo real; es decir, la respuesta de la computadora es
prácticamen-
te
instantánea. Además
se
requiere
poco conocimiento de computadoras para
operar
estos
sistemas
amigables
con
el usuario.
Los
primeros sistemas
C D
se
usaron principalmente para hacer
dibujo au-
tomatizado
o
para
facilitar la
solución
de
problemas bidimensionales simples.
Actualmente
los
sistemas
gráficos
interactivos permiten
al
usuario desarrollar
modelos
tridimensionales y realizar un
amplio
rango de manipulaciones geo-
métricas
y análisis
complicados.
Para
auxiliar
al diseiiodor en la construcción de un modelo
existen mi
les de recursos de softvvare
que
automatizan rnuchas de las tareas tedio-
sas que
consumen
tanto tiempo en los
métodos manuales
tradicionales.
Con un plumazo o apretando un botón el usuorio
puede
mover aumen-
A
r
S
Sé
in
1.
2.
3.
4.
A1
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8/18/2019 Método de Ingeniería
25/28
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j
í
i
5.7 IMPLEMENTACIÓN DEL DISEÑO
145
tar,
girar, dar vuelta de campana, copiar o
manipular
de alguna otra ma-
nera el diseño completo o cualquier parte de éste...
Al
trabajar con un modelo complejo, el usuario puede borrar
tempo-
ralmente
partes del
mismo
de la pantalla para ver con
mayor
claridad el
área que se está construyendo. Después, el área borrada se
recupera pa-
ra
terminar el modelo. En arma simila1~
pueden
ampliarse partes del
modelo para ver y agregar con exactitud detalles minuciosos. Y
el
mode-
lo
puede
moverse y girarse en la pantolla para r¡ue el usuario lo veo
des-
de cualquier ángulo. Además,
mecanismos
tales como articulaciones y
engranes pueden animarse en la pcrntallá para asegurar la
operación
apropiada y revisar las interferencias. Cuando el ·
disei í.o
está terminado,
el sistema
puede
añadir dimensiones y etiquetas en forma automática. Y
pueden usarse características automatizadas de dibujo para
producir di-
bujos detallados de ingeniería.
11)
ómo aprender de las fallas
A pesar de los mejores esfuerzos de los
diseñadores
de ingeniería sus
diseños
fallan
ocasionalmente.
Los puentes se derrumban los
techos
de los edificios
se
cuelgan
y
fallan las
presas
de
tierra amenazando las vidas
humanas
y cau
sando
cuantiosos
daños a
la propiedad.
Las fallas de ingeniería
pueden
atribuirse
a una amplia variedad de causas
incluyendo:
1
Errores
cometidos
por
diseñadores ineptos
o
descuidados.
2. Imperfecciones en los materiales
de construcción
o
manufactura
e incer
tidumbre
en
cuanto a
su
variabilidad.
3. Mano de obra negligente de los técnicos u obreros que
implementan el di
seño.
4. Una comunicación defectuosa
entre
los gerentes los ingenieros los téc
nicos
y
los obreros que
producen o
construyen el diseño
de
ingeniería.
Aunque el objetivo
del
disefio de ingeniería es evitar las fallas no puede lo
grarse que sea realmente a
prueba
de fallas.
Una
estruf;tura o una máquina de
ingeniería
puede fallar de
rn
.udias maneras variando los resultados
desde
los
defectos hasta las catástrofes. Es un hecho curioso que con
frecuencia apren-
demos más
de
nuestras
fallas
que de nuestros
éxitos.
Una de
las
ironías
de la historia de b ingeniería es
que
el éxito conduce
en
última instancia al fracaso . Con cada éx ito de ingeniería
surgen preguntas de
los contribuyentes;
de
la~
nwsas dire
ctivas y de los
mismos ingenieros en
cuanto
a
qué
tanlc más grande liviana o económica
se puede hacer
la siguien-
te est
ructur
a o máquina. J\si. u d inte n .:s de la estética o dr, la
econornfc1. exis-
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
26/28
146 CAPÍTULO 5/EL MÉTODO E lNCENIERÍA PARA SOLUCIÓN E
PROBLEMAS
te una tendencia a ser más audaz en el diseño y a tomar
mayores
riesgos
en
la
ejecución
y el estilo.
Por otro lado, después de
una
falla suele existir presión para aumentar los
factores de seguridad, revisar el reglamento de construcciones y
comprometer
se en genc~ral con una
práctica
de la
ingeniería más conservadora.
12)
Cuando ocurre una
fallo de ingeniería,
generalmente
es
importante que
se
realice una
investigación
para deterrn
ínar
su
causa
e
identificar
las
acciones
correctivas
que
pueden tomarse
para
evitar o
aminorar
la
posibilidad de que
vuelva
a ocurrir. Estas investigaciones las pueden desarrollar:
1
Dependencias
o comités de gobierno.
2 Asociaciones
privadas
o profesionales.
f
¡
t
3 Comités o
comisiones para un propósito determinado. ¡
Por ejemplo, el National Transportation Safety Board NTBS)
Consejo de Seguri-
dad del Transporte) tiene
un
equipo
de
aproximadamente 300
especialistas
que
investigan cientos de accidentes en la aviación civil y
en
el transporte terrestre
cada
año. El Consejo no tiene
poderes
de regulación,
pero recomienda
cambios
para
mejorar la
seguridad
que otras
dependencias
de gobierno
pueden
imple
mentar.
La National Fire
Protection Association NFPA) Sociedad Nacional de
Pro
tección contra Incendios), una
organización
privada pero apoyada por el go
bierno),
designa equipos
de
expertos para estudiar
e
informar
las
causas de
los
incendios importantes. Han
llegado
grandes beneficios
a los
propietarios
de
edificios y al
público
por las
recomendaciones
de la
NFPA
para
mejorar
los re
glamentos contra incendios
de la
nación.
El
Architectural
and Engineering
Performance
Information
Center
AEPIC)
Centro de
Información del Desempeño
en
Arquitectura
e Ingeniería) se orga-
nizó
en
la
Universidad de
Maryland
en 1982. 13) ·El
AEPIC
sirve
como uncen-
tro de las
actividades
para
recopilar y difundir conocimientos
y
experiencias
adquiridos
de las fallas estructt1rales. Al establecer
patrones
de las fallas es
tructurales,
el
AEPIC busca ayudar
a
ingenieros y
arquitectos
para prevenir
fa-
llas futuras
similares
y evitar los litigios. 13)
Cuando
ocurre
una
fatla de
ingeniería particularmente dramática
o costosa,
puede
designarse
un
comité
o
comisión especial para estudiar
las
circunstan
cias de
la
falla y hacer las recomendaciones apropiadas. Estos
grupos
pueden
convocar.se bajo los
auspicios de una
o
más
organizaciones
profesionales, o ser
nombrados por un
gobernador
o por el presidente de Estados Unidos.
Un
ejemplo
notable
del trabajo de
una comisión
así, está
dado en
el
Informe de l
Comisión Presidencial del accidente del transbordador espacial
Challenger.
14 El
accidente del transbordador
Challenge ~
se describe como
un
estudio
de caso
en
el
capítulo
9 de este libro.
t
¡
:
¡
1
I·
1
1
1
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
27/28
5.7 IMPLEMENTACIÓN DEL DISEÑO 147
EL
COL PSO
E
LOS
ND DORES
DEL HOTEL HY TT REGENCY 15, 16
El
17
de julio de
1981
durante
el baile
vespertino semanal
dos
anda
dores colgantes en el área
del
atrio del Hotel Hyatt Regency en Kansas
City Missouri se
desplomaron
matando a 114
personas
e hiriendo a
185. El
derrumbe
fue una de las fallas
estructurales
más graves
en
la
historia de Estados Un idos.
El hotel incluía una torre de 40 pisos de habitaciones para
huéspe
des
un
ala de cuatro pisos que albergaba restaurantes y
salas
para
eventos
y
un
gran atrio abierto. En el
atrio
había tres andadores col-
gantes
al nivel de los
pisos segundo
tercero y
cuarto que
conectaban
la sección de la
torre
con los restaurantes y las
salas
para
eventos.
Ca-
da andador tenía una longitud de G metros y
aproximadamente
2.5
metros de anchura.
Los andadores de los pisos segundo y cuarto
se
construyeron uno
encima
del
otro a lo largo
del
muro oeste
del
atrio. El
andador
al ni-
vel del tercer
piso colgaba de manera
independiente del
armazón
del
techo
y se construyó unos
4 metros hacia
el
centro del
atrio. Este an-
dador
no se derrumbó. El andador del segundo piso estaba suspendi
do
del andador del cuarlo piso el cual a su vez colgaba del
armazón
del
techo.
Como resultado de la tragedia el
alcalde
de Kansas City
pidió
que
la National
Bureau
of
Standards
Nus) realizara una investigación in-
dependiente
para determinar la causa del derrumbe.
16)
Por supues
to hubo
otras investigaciones
y audiencias
así como
cuando menos
150
demandas
por daños que
sumaron
un
total de 1500 millones de
dólares.
Cada uno de los andadores estaba constituido por cuatro tramos
de
aproximadamente 9 metros. Los apoyos intermedios consistían en
tres
pares de varillas de suspensión de acero de 1 i pulgadas de
diámetro.
Cada
andador estaba sustentado en
sentido
longitudinal por la
parte
in-
ferior por vigas de
acere
de patín ancho de 16
pulgadas
de
espesor y en
sentido
lateral por vigas de caja de acero de
8 pulgadas
de peralte. Las
vigas de caja
estaban ensambladas con
Ll l l par de canaletas de acero de
8
pulgadas soldadas
en
sus
extremos abiertos.
El
piso del
andador
es-
taba
constítui
do
por acero
revestido con
u na
losa de concreto
ligero
de 3 4 pulgadas que se comportaban como material compuesto con
los
largueros
de
6
pulgadéls de peralte . En la figura
5.B
se muestra la sec-
ción transversal de los andadores así
como
las conexiones de los sus-
pensores.
La
Natiunal Bureau
ol
Stundards
descubrió qL e se había
hedw un
cambio de diseüo importante despnés de terminar
os
dibujos origina-
les por la manera
en que
se
conectaron
íos
andadores
con los suspen-
-
8/18/2019 Método de Ingeniería
28/28
148 CAPÍTULO 5 EL MÉ:TODO DE INGENIERÍA PARA SOLUCIÓN DE
PROBLEMAS
Vista de la
sección
transversal
· ..
-_
. "':' .
_;
..
1 ·
•
Techo
.
ndador del
cuarto piso
n
1
....
1
Tirantes de
suspensión
•
•
ndador del
segundo piso
1
h
r
..
..
- .
.
__
Piso
del
vestíbulo
.
·
·
.- -·.-
c.
__
.
, ...·
_·:/
.
Conexiones de la viga de
cajón
con el tirante de
suspensión del
andador
Como se
diseñó
Como
se construyó
Figura 5.8
ecóón
lmnsversal ele los ondodores
y
deinllc de las
conexiones
de la vign n cnjón
con el tirante
suspensor
del
andador
.
(Fuente:
Neil Schloger, ed.,
Whcn Technology Fails,
afe
Research.
nc
Detrcúl.
(Reproducido con la autorizc1c:ión rln J\P Wide vVnrld
Photos.)
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