Unidad1. Propiedades Fisico Quimicas de Los Materiales

Fsico qumica de materiales

Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales

Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 1

Ingeniera en Logstica y Transporte

5 cuatrimestre

Programa de la asignatura:


Unidad 1. Propiedades fsico qumicas de los materiales

Clave

TSU 140920518 / ING 130920518

Universidad Abierta y a Distancia de Mxico




ndice


Presentacin de la unidad...3

Propsitos...3

Competencia especfica...3

1.1. Propiedades extensivas4

1.1.1. Masa, peso y volumen...4

1.1.2. Inercia, impenetrabilidad, elasticidad..6

1.1.3. Porosidad11

1.2. Propiedades particulares13

1.2.1. Maleabilidad..15

1.2.2. Dureza y ductilidad..16

1.2.3. Tenacidad..21

1.3. Propiedades intensivas..23

1.3.1. Olor, sabor, color..24

1.3.2. Punto de ebullicin, punto de fusin y punto de explosin...28

Actividad 1. Las propiedades de los materiales.34

1.3.3. Densidad, calor especfico, solubilidad, viscosidad35

1.4. Propiedades de los materiales peligrosos..42

1.4.1. Explosividad, inflamabilidad, toxicidad.43

1.4.2. Corrosividad, oxidantes y perxidos.47

1.4.3. Radiactividad55

Actividad 2. Reacciones intensivas y peligrosas...50

Autoevaluacin. ..51

Evidencia de aprendizaje. Seleccionando materiales...52

Autorreflexin52

Para saber ms53

Cierre de la unidad..54

Fuentes de consulta55




II. Desarrollo de contenidos por unidad


Presentacin de la unidad

El transporte de mercancas tiene consecuencias en muchos mbitos de la vida de los seres

humanos, que se centran en aspectos econmicos y sociales. De esta manera, los costos

asociados al transporte de mercancas inciden sobre la rentabilidad y viabilidad econmica de

las empresas transportistas y consignatarias, al tiempo que la realizacin de esta actividad

puede afectara la sociedad en forma de externalidades.

Las externalidades del transporte son efectos negativos que influyen en la sociedad, difciles de

cuantificar de manera monetaria. Tal es el caso de la contaminacin por ruido, gases y

partculas, que provocan molestias y enfermedades en la poblacin. Una externalidad aun ms

grave relacionada con el transporte son los accidentes, que provocan prdidas econmicas y

humanas. Al respecto, estimaciones del ao 2010 indican que, en el mundo entero,

aproximadamente 1.2 millones de personas perdieron la vida a consecuencia de accidentes

viales, al tiempo que ms de 40 millones de personas resultaron heridas, muchas de ellas con

secuelas permanentes (OMS, 2009). Por otro lado, el dao que sufre la carga durante su

transporte tambin constituye un efecto negativo, as como el dao que el vehculo de

transporte causa a la infraestructura logstica.

Y resulta que todas estas consecuencias que el transporte tiene sobre la vida de la poblacin y

las empresas, estn ntimamente relacionadas con las caractersticas fsicas y qumicas, tanto

de los materiales transportados como de aquellos que componen la infraestructura logstica.

Propsitos

En esta unidad comprenders y analizars los conceptos que describen las propiedades de la

materia de los elementos transportados y en general del sistema de transporte, que afectan la

seguridad, confiabilidad y eficiencia del transporte de mercancas.

Competencia especfica

Analizar las propiedades fsico qumicas de los materiales, para seleccionar el modo, el medio

de transporte y las condiciones para el manejo de la carga, mediante la descripcin de las

propiedades de los materiales transportados, en particular de las intensivas y peligrosas.




1.1. Propiedades extensivas

Las propiedades extensivas de la materia son las propiedades totales (extensas) de los cuerpos

y sustancias que son transportadas o que forman parte de la infraestructura logstica. Son las

que no se expresan por unidad de masa o volumen de materia. Estas propiedades se

diferencian de las intensivas en que estas ltimas se expresan por unidad de masa o

volumen de la materia. De esta forma, mientras que las propiedades extensivas se expresan, en

kg de masa, ya que la propiedad intensiva asociada es la densidad de masa, la cual se expresa

en kg por cada unidad de volumen, por ejemplo, kg/m3. Las propiedades extensivas, de esta

forma, son las que toman en cuenta el cuerpo total que limita al elemento que es transportado,

o que sirve para el transporte (infraestructura logstica), en sus diferentes estados fsicos.

1.1.1. Masa, peso y volumen

La masa se ha definido como la cantidad de materia contenida en un cuerpo. Esto es, dicha

propiedad tiene que ver con la cantidad de tomos y molculas que componen a los cuerpos,

en donde cada tomo y molcula posee una cantidad de materia. Esta propiedad de la materia

se expresa en unidades definidas a lo largo de la historia y no depende del sistema de

referencia en la que se trabaje; ni de la ubicacin geogrfica. As, la masa de un cuerpo no

cambia an si nos movemos a otras latitudes del planeta, o al interior del universo mismo.

El peso, a diferencia de la masa, s cambia de acuerdo al sistema de referencia del que se trate,

depende de la posicin geogrfica que se tenga. Ello se debe a que el peso de un cuerpo est

asociado a la fuerza de atraccin gravitacional que los cuerpos ejercen entre s. Como sabes,

en esto tiene que ver la Ley de la gravitacin universal, que Isaac Newton public en 1687 (UT,

2012), referente a que los cuerpos ejercen entre s una fuerza de atraccin cuya magnitud vara

en proporcin al producto del valor de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la

distancia que los separa. Siendo la masa de cualquier cuerpo sobre la tierra, infinitesimalmente

ms pequea que la masa de la Tierra, la ecuacin para el peso w de una masa m est dada

por la siguiente ecuacin:

donde g es la aceleracin debida a la gravedad terrestre, la cual tiene un valor promedio de

9.80665 m/s2, y de 9.78033 m/s2 en el Ecuador. Si medimos la masa en kg, las unidades del

peso son Newtons (N). Otras unidades para el peso son libras-fuerza, kilogramos-fuerza, en

funcin del sistema de unidades seleccionado. Esto del peso y la masa puede representar

situaciones curiosas, dado que si tomamos en cuenta que la masa no vara pero la aceleracin

de la gravedad si y si tomamos el peso de un objeto como base para ponerle precio, entonces

sera buen negocio comprar en un lugar de la tierra donde la aceleracin de la gravedad sea

relativamente pequea, por ejemplo, en una latitud cercana al Ecuador, as como venderla en




donde la aceleracin de la gravedad sea mxima, como en los polos. Sin embargo, esto no es

factible dado que los dispositivos empleados para pesar los objetos, no se basan en el peso

sino en las masas, al consistir tales dispositivos de balanzas. De esta forma se evita que el

precio se pague por peso, sino por masa, como se muestra en la figura suma de momentos

alrededor de una balanza. Por lo tanto, los dispositivos tipo dinammetros, que determinan la

masa con base al peso, efectivamente podran dar diferentes magnitudes de la masa en funcin

de la latitud a la que se efecte la medicin.

Por otro lado, el volumen es la cantidad de espacio tri-dimensional que ocupa la masa, en

funcin del estado en que se encuentre, ya sea slido, lquido o gaseoso, de tal suerte que el

mayor volumen es ocupado por una materia en estado gaseoso. En el caso de una sustancia

pura como es el agua, sta se puede encontrar en la forma de vapor o en estado lquido o

slido. En el estado lquido la materia ocupa el menor espacio.

Figura Suma de momentos alrededor de una balanza para determinar la masa de un cuerpo

Como habrs podido observar, el volumen que ocupa el hielo es mayor, por lo que una tubera

diseada para agua se reventar cuando sta cambie del estado lquido al slido, producto de




un enfriamiento por debajo del punto de solidificacin del agua (alrededor de 0C a la altura del

nivel del mar).

Estas tres propiedades de la materia son especialmente relevantes en el caso de la carga

transportada. Tan es as que existe un Reglamento de pesos y dimensiones, que limita tanto

las dimensiones (volumen) como el peso bruto vehicular de los transportes (peso de la carga

ms peso propio del vehculo). En torno a esto, se dice en la jerga caminera que el vehculo

puede llevar peso o puede llevar volumen. La economa del transporte se ve entonces afectada

cuando se requiere transportar volumen, cuando la carga es voluminosa ms no pesada, en

cuyo caso se transportarn pesos relativamente pequeos, comparados con los lmites que

impone el reglamento.

Si bien Isaac Newton estableci las bases para entender los fenmenos mecnicos que ocurren

en el mundo con objetos que se desplazan a velocidades relativamente pequeas, Albert

Einstein vendra, en el siglo XX, a cambiar el concepto de masa, producto de su Teora de la

relatividad. Para velocidades normales de transporte, sin embargo, los principios de Einstein no

se toman en cuenta.

1.1.2. Inercia, impenetrabilidad, elasticidad

La definicin de inercia se desprende del enunciado de la Primera Ley de Newton, en el

sentido de que un cuerpo permanece en su estado de equilibrio esttico o dinmico, siempre

que no exista una fuerza que altere dicho estado. La masa entonces es la propiedad de un

material que representa esta resistencia a cambiar su estado de reposo o de movimiento a

velocidad constante. Esta inercia genera la fuerza que experimentamos cuando el vehculo en

el que nos transportamos efecta una aceleracin o deceleracin, o en el lquido transportado,

en una pipa o autotanque, ejerce sobre el contenedor y el vehculo cuando ste efecta alguna

maniobra direccional o cambio de velocidad. Tales fuerzas de inercia son responsables de

muchos accidentes viales y lo que se requiere para disminuir el efecto de estas fuerzas, es el

uso de dispositivos que eviten el oleaje de las sustancias lquidas contenidas, adems de tener

moderacin en las aceleraciones ejercidas sobre el vehculo, al tiempo de respetar los

reglamentos de pesos y dimensiones correspondientes.

Seguramente tu mismo lo has experimentado, pues como pasajero de un transporte pblico,

uno debe sujetarse con firmeza de los herrajes diseados para tal fin, a manera de no sufrir las

consecuencias de cadas y golpes, producto de las sacudidas que imponen algunos

transportes. Pero en ciertas circunstancias, la masa no solamente representa esta inercia, sino

que la inercia de un cuerpo depende tambin de cmo est distribuida la masa de un cuerpo

dado. La propiedad de los cuerpos que describe esta caracterstica inercial es, precisamente, el

Momento de Inercia de Masa (MIM), que depende de la masa del cuerpo, de su forma y sus




dimensiones. Este MIM representa la resistencia a cambiar el estado de equilibrio de un cuerpo,

en funcin de cmo est distribuida su masa. La Figura Momentos de inercia de u

paraleleppedo se muestra un objeto, que puede representar el compartimiento de carga de un

camin; se trata de una masa, la cual trataremos de hacer girar alrededor de los tres diferentes

ejes mostrados , y , desde su centro de gravedad. Los momentos de inercia

alrededor de cada uno de estos ejes se denominan , y , respectivamente. De acuerdo con los resultados de la figura, el giro alrededor del eje

- costar ms trabajo, del orden de 5.6 veces ms que el giro alrededor de

- .

La inercia de los cuerpos, representada por la masa misma y por los momentos de inercia, tiene

diferentes repercusiones en el transporte: desde la facilidad de detener un vehculo con cierta

velocidad, hasta las frecuencias de vibracin de los vehculos en las distintas direcciones.

La impenetrabilidad es otra propiedad extensiva de la materia, que consiste en la imposibilidad

de que dos porciones de materia ocupen el mismo espacio en el mismo instante. Esto ocurre

para los tres estados de la materia y es vlida an para materiales que se dicen porosos. Esto

es, la materia ocupa un volumen propio, asociado a la cantidad de tomos que la componen.

))(12/1( 22xx hLMI ))(12/1( 22yy haMI

))(12/1( 22zz aLMI

Si 1 a m , 5.1 h m y

4L m

h x

y z

L a




Figura Momentos de inercia de un paraleleppedo rectngulo alrededor de tres ejes

centroidales

Esta propiedad es sumamente importante en el contexto del transporte, en la medida que una

materia puede desplazar a otra. Esto ocurre, por ejemplo, cuando una masa de lquido se vierte

en un recipiente ventilado, en donde la masa lquida impulsar al aire contenido hacia el exterior

del recipiente, como se muestra en la Figura siguiente.

En caso de que el recipiente est hermticamente cerrado, el gas contenido en el

recipiente desarrollar una presin en el interior, dificultando el ingreso de la materia

lquida.

En el caso de sustancias peligrosas, es importante darnos cuenta que los vapores

desplazados del interior del tanque de pipas o autotanques, deben ser atrapados con

objeto de evitar contaminar la atmsfera, as como para prever situaciones peligrosas.

Ello se realiza mediante sistemas de recuperador de vapores.

Figura Masa de lquido que desplaza a la masa de aire en un recipiente, producto de su

impenetrabilidad.

La ltima propiedad extensiva que se analizar en este apartado es la elasticidad de la

materia. Esta es una propiedad que se aplica sin importar el estado en que se encuentre la




sustancia, sea slida, lquida o gaseosa y se refiere a la capacidad de la sustancia de recuperar

su forma y tamao originales una vez que se eliminan las fuerzas que provocan su

deformacin. Si bien esta propiedad se mide en los cuerpos mediante diferentes mtricas, en el

caso de sustancias slidas se recurre al mdulo de elasticidad, el cual relaciona la variacin de

la fuerza aplicada con la variacin en la deformacin de un cuerpo. Este mdulo fue descrito

originalmente por el cientfico britnico Robert Hooke, en Cambridge, en 1678 (DOE, 1993). La

Figura siguiente ilustra la Ley de Hooke, que relaciona la fuerza aplicada con la

deformacin experimentada por el cuerpo, de la siguiente forma:

AE

PL

donde es el rea de la seccin transversal de la barra, es el mdulo de elasticidad del

material, y es la longitud original del cuerpo. Este mdulo de elasticidad vara para cada

material y se obtiene de mediciones experimentales, empleado mquinas de ensayo

universales y aplicando esta misma Ley de Hooke, como se muestra en la parte derecha de la

Figura. Al cociente P/A se le llama esfuerzo, , y a la relacin se le denomina deformacin

unitaria, , por lo que la Ley de Hooke se puede expresar de la siguiente manera:

E

Figura Deformacin elstica de un cuerpo y Mdulo de Elasticidad

P

P

L+

P / A

/ L

L

A

PLE




Con relacin a esta propiedad, es comn manejar las ecuaciones para obtener lo que se

conoce como constante de resorte de un cuerpo ( ), al componer la Ley de Hooke de la siguiente manera:

L

AEPk

Esta constante de resorte k, corresponde a la fuerza necesaria para deformar un resorte comn

helicoidal que, como se muestra en la Figura siguiente, constituye un componente fundamental

de los vehculos, esto es, la suspensin hecha de resortes helicoidales o del tipo muelle. Pero

como se muestra en dicha figura, los neumticos de los vehculos carreteros son elementos

adicionales que poseen gran elasticidad y operan de manera fundamental para reducir el

impacto que ejercen las diferentes irregularidades en el pavimento (baches, topes) sobre la

carga transportada y el conductor. Sin embargo, es necesario reconocer que todos los cuerpos

son esencialmente elsticos y deformables, no obstante lo rgido que sean. Tal es el caso del

bastidor del vehculo y su carrocera.

Figura. Resortes helicoidales o elementos elsticos en un vehculo.




Los lquidos poseen tambin elasticidad y vale la pena mencionar que la deformacin elstica

de los gases tambin se emplea en el caso de las diversas suspensiones neumticas de

muchos vehculos, tanto de carga como de pasajeros. Como informacin relevante te podemos

comentar que la ventaja de las suspensiones neumticas es tal por cuanto al menor deterioro

que causan al pavimento, que a los ejes equipados con este tipo de suspensin se les permite

una sobrecarga del orden de 10%.

1.1.3. Porosidad

Aunque no hay estrictamente materia que carezca de poros, stos llegan a ser demasiado

pequeos como para que otras sustancias puedan llenar tales huecos intrnsecos a la materia.

De esta forma, un modelo recurrente y aceptado es tomar a la materia como un medio continuo,

carente de huecos. Sin embargo, tales poros pueden tener el suficiente tamao como para que

otra sustancia los llene, al tiempo que hay medios especialmente porosos. Tal es la situacin

cuando se trabaja con materiales hechos a partir de la mezcla de materiales granulares, como

en el caso de mezclas asflticas. Mientras que las piedras que componen a estas mezclas

poseen cierta porosidad, la mezcla en s posee un grado de porosidad mucho mayor que le da

permeabilidad al pavimento construido a partir de este material.

Si bien la porosidad es una propiedad bsica y aceptada para ciertos materiales de

construccin, tambin puede resultar peligrosa en algunas circunstancias como te explicamos

ms adelante. Por el lado benfico, la porosidad da permeabilidad a los pavimentos,

especialmente los asflticos, con lo que se evitan los encharcamientos en las carreteras.

La cantidad de materia que permea al interior de un medio poroso se considera una medida de

la cantidad de poros existentes en dicho medio. De esta forma, la medicin de la porosidad de

un medio, la cantidad de huecos que posee, se realiza a partir de cuantificar precisamente la

cantidad de materia, (por lo general lquida) que penetra en la porosidad de otra. Por ejemplo, la

determinacin de la porosidad de una muestra de mezcla asfltica se inicia con el pesaje de la

muestra seca. Posteriormente, se deposita en el interior de un medio acuoso por un tiempo

(horas o das), con objeto de que el fluido penetre los poros de la mezcla. Despus se extrae la

muestra del recipiente, se deja escurrir y se vuelve a pesar. La diferencia del peso en seco y

hmeda es una medida de la cantidad de poros existentes en la pieza ensayada, como se

ilustra en la Figura siguiente. Al respecto, el volumen de huecos en una mezcla asfltica que

est en el orden de 30% y su valor resulta crtico para el desempeo satisfactorio del

pavimento.




Figura.Ejemplo de procedimiento para determinar la porosidad de una mezcla asfaltica

Por cuanto a una porosidad indeseada, existen muchos ejemplos, incluyendo procesos de

manufactura defectuosos. As, las piezas fabricadas por un proceso de fundicin pueden

presentar poros en ciertas porciones de su volumen como resultado de algunos contaminantes

presentes en la masa fundida. Estos poros son defectos y adems de debilitar a las piezas as

fabricadas, pueden provocar dificultades durante procesos complementarios de manufactura.

Por ejemplo, es comn que un poro provoque la fractura de una broca que est siendo

empleada para barrenar una pieza porosa.

Asimismo, durante la soldadura de piezas metlicas y como resultado de un mal procedimiento,

se pueden presentar poros en los cordones de soldadura, los cuales debilitan a las piezas

fabricadas, que por lo general son partes crticas del vehculo de transporte tales como chasises

o tanques. En stas y en otras aplicaciones puede llegar a requerirse, por norma, llevar a cabo

un radiografiado total o parcial de las soldaduras realizadas, precisamente para detectar tales

poros. Aparte de la radiografa, el ultrasonido representa otra tcnica no destructiva para

detectar la existencia de poros en cordones de soldadura.

1.2. Propiedades particulares

En la naturaleza existen una variedad de materiales que exhiben distintas capacidades y

propiedades. Los diferentes artefactos construidos por las antiguas civilizaciones dieron cuenta

de esas propiedades y fueron bsicos para la supervivencia de tales sociedades. De entre los

utensilios ms importantes de la antigedad se cuentan a los artculos de caza, los cuales

consistieron en un principio de materia mineral encontrada en la naturaleza, la que debera

perforar la piel del cuerpo del desafortunado animal cazado. Los utensilios y herramientas

empleados por los antiguos fueron en general hechos de piedra y otros materiales que

demostraban la peculiar caracterstica de ser duros y rgidos. En la Amrica precolombina se

distingue la era pre-agrcola (20000 a 6000 A.C.), en la que los utensilios creados con

diferentes propsitos fueron hechos a partir de labrar la piedra. Posteriormente, en la era

primitiva o arcaica (3000 a 1500 A.C.), los pobladores fabricaron diferentes utensilios de entre

los que destacan los hechos de cermica y de palma tejida. Para entonces ya eran empleados




otros materiales diversos, los cuales tendran propiedades distintas, tales como la piel y huesos

de los animales cazados. Sin embargo, hasta entonces, en esta regin del mundo se trabajaron

materiales duros (piedras) u otros relativamente suaves (palma, pieles). Fue hasta la invencin

de la metalurgia que en esta regin del mundo se empezaron a trabajar materiales que

combinaban gran variedad de propiedades, desde la visual hasta la facilidad para fabricar

utensilios de formas intrincadas. Esto ocurri en el periodo Clsico (200 a 1100 D.C), aunque

algunos utensilios hechos por los antiguos habitantes de la regin del los Grandes Lagos,

indican la existencia del martilleo de piezas de cobre, aunque no se realizaba su fundicin

(1500 aos A.C.) (Thomas, 1979).

En el periodo Clsico existieron entonces diferentes objetos metlicos cuya forma se lograba

mediante el martilleo o el laminado con rodillos, de materiales que haban sido previamente

obtenidos a travs de un proceso de fundicin, incluyendo el oro y el cobre.

A pesar del desarrollo local en las reas de metalurgia, que incluyeron procesos de moldeo

complicados tales como la cera perdida, la conquista por la corona espaola dio un impulso a

muchas actividades en las que las propiedades de los metales manejados representaron

grandes cambios en la sociedad.

De esta manera, son las propiedades de los materiales en general, y de los metales en

particular, las que provocaron el crecimiento de la economa regional, en la que los materiales

rgidos de construccin siguen mostrndonos hasta la fecha el formidable conocimiento que se

logr tener an desde antes a la conquista espaola de Mxico.

En el contexto de las propiedades particulares de los materiales se trata entonces de

propiedades esencialmente mecnicas, asociadas a un cmulo de objetos y construcciones que

han representado la diferencia en el desarrollo de las naciones. Al respecto, en Europa en los

siglos XVll y XVlll es que se desarrollaron los fundamentos cientficos para estudiar las

propiedades relevantes de los materiales, en donde la prueba reina para determinar las

propiedades mecnicas de los materiales consista del ensayo a traccin simple de una probeta

caracterstica hecha del material que se deseaba evaluar.

La Figura ilustra una moderna mquina universal para prueba de materiales, que permiten

obtener sus propiedades bsicas cuando son sometidos a cargas estticas. Estas cargas

estticas consisten de fuerzas que se aplican a los cuerpos, con poca variacin durante un

periodo de tiempo largo. Como se revis en el tema 1.1.2. esta prueba la ide el cientfico

Ingls Robert Hooke y alrededor de esta prueba es que se han definido el cmulo de

propiedades mecnicas de los materiales, incluyendo la ductilidad. Adems del mdulo de

elasticidad, a travs de esta prueba se pueden determinar los esfuerzos de cedencia (SC) y

ltimo (Su). Como se observa en la Figura, el esfuerzo de cedencia es el nivel de esfuerzo en el




que el material experimenta una deformacin plstica, mientras que el esfuerzo ltimo es el

mximo esfuerzo que puede resistir un material, en la cspide del diagrama de contra /L.

Sin embargo, como se ver en secciones posteriores, existen otras propiedades que sern

evaluadas mediante otros procedimientos y equipos de prueba, en la medida de que no todas

las cargas que son aplicadas a los cuerpos son de naturaleza esttica, esto es, algunos objetos

empleados en los sistemas logsticos y de transporte, deben soportar cargas de impacto, que

son en general de gran magnitud y poca duracin. Efectivamente, la seleccin de los materiales

para una cierta aplicacin ingenieril, tiene que ver con el tipo de cargas a las que quedar

sometido el objeto o cuerpo, lo cual se comparar con las capacidades intrnsecas de los

materiales disponibles para tales aplicaciones.

Aunque las propiedades reseadas a continuacin, guardan una relacin ms o menos cercana

entre ellas, cada una distingue caractersticas relevantes en funcin del contexto en que sean

consideradas.

Figura Mquina universal para ensaye de materiales y curva obtenida del ensayo a traccin

Fuente. Tomada del laboratorio de materiales de la Universidad Autnoma de Quertaro.

Mdulo de control

Mesa para

ensayos

Sistema de

accionamiento =P / A

/ L

Esfuerzo ltimo, Su

Esfuerzo

de

ruptura,

Sr

Esfuerzo

de

cedencia,

Sc




1.2.1. Maleabilidad

Esta propiedad de los materiales se aplica a materiales slidos y representa la capacidad que

tienen para soportar deformaciones plsticas. Metafricamente, este concepto se aplica a las

personas que son capaces de adaptarse a los cambios. En el caso de los materiales empleados

en la logstica y transporte, diferentes artefactos deben poseer esta cualidad para soportar

grandes niveles de deformacin.

La imagen siguiente ilustra una situacin en la que la maleabilidad de los materiales es

altamente deseada. El material fue sometido a procesos de conformacin profundos, en l se

conform en fro a la forma deseada mediante diferentes dispositivos de procesado. En el caso

de las tapas de los toneles de los autotanques y pipas, los dispositivos de conformado pueden

incluir el golpeteo en fro (como en el caso de los antiguos implementos de cobre descritos al

inicio de esta seccin), en donde un martillo se aplica sobre la placa plana hasta darle la forma

deseada, hasta procesos de rolado mediante equipos especiales, como el mostrado

esquemticamente en la figura siguiente de un moderno tanque de un camin cisterna.

Tambin hay procesos de conformacin modernos, en los que tapas de los toneles de los

autotanques y pipas, se realiza al aplicar vaco a uno de los lados de la placa, en una cmara

hermtica especial.

Figura Ejemplos de la maleabilidad de los materiales. Tanque de camin cisterna

Fuente: Romero (2002)




Figura Representacin esquemtica de una mquina roladora

De esta forma, la maleabilidad de los materiales es altamente deseable e involucra una serie de

propiedades que pueden derivar en la capacidad de un material para aguantar altos niveles de

deformacin plstica. La falta de maleabilidad de los materiales se refleja en que durante el

proceso de conformado el material de la lmina o placa trabajada, puede sufrir un agrietamiento

porque precisamente no soporta los altos niveles de deformacin. De esta manera, existen

aleaciones especiales con la denominacin de embutido profundo, como es el caso de la

lmina empleada para la fabricacin de los tanques de gasolina o las carroceras de los

vehculos.

Es importante sealar que esta capacidad de los materiales para soportar grandes niveles de

deformacin, es una funcin de la temperatura a la que se trabaje, de tal suerte que a

temperaturas altas la maleabilidad de los materiales aumenta considerablemente, pudiendo

entonces obtener partes tales como las varillas de acero para la construccin, los rieles de los

ferrocarriles, o los perfiles estructurales empleados para la fabricacin de estructuras. La

temperatura a la que se realizan estas operaciones en el caso de acero al carbn, est en el

rango de 1200C, a la que el material obtiene un color naranja.

1.2.2. Dureza y ductilidad

Un cuerpo hecho de material slido o semislido posee dureza en la medida que ofrece

resistencia a ser atravesado por otro cuerpo. Se le considera como material semislido, por

ejemplo, al aglutinante asfltico (especie de chapopote) empleado en la fabricacin de

carreteras. Pero en general, el concepto de dureza se aplica a materiales en estado slido y al

respecto debes de saber que el diamante es de los materiales ms duros que existen, al poder

rayar o marcar prcticamente cualquier otro material. Pero otros principios pueden aplicarse

los cuales revelan tambin la dureza de un material dado, por lo que los mtodos para medir la

dureza de los materiales se clasifican en (i) pruebas de rayadura; (ii) pruebas de indentacin o

penetracin y (iii) pruebas de rebote. Como se ve, existen varias formas de medir una misma

propiedad, de acuerdo a la aplicacin final que se quiera.




En el caso del rayado entre s de los diferentes materiales para medir su dureza relativa, se

tiene que ello se emplea en el caso de mineraloga, con base a la escala de Mohs, en donde el

material ms suave es el talco, y el ms duro corresponde a materiales como el diamante. Esta

escala corre del 1 al 10, en donde es posible ubicar a las uas de los dedos, con un valor de 2.

Si bien esta escala podra servir en un momento dado para determinar la dureza relativa de los

metales, su uso est limitado dado que no existe la necesaria resolucin para los rangos de

dureza de materiales empleados en la manufactura de los diferentes equipos.

El mtodo de medicin de la dureza que se basa en medir la altura de rebote de una masa

conocida sobre el material ensayado es de hecho un ensayo dinmico, ideado a principios del

siglo XX. Los inconvenientes de este dispositivo an en uso comercial, se asocian a que el

rebote puede ser influenciado por el espesor del material ensayado, aparte de que hay que

cambiar el punto ensayado dado que aunque el material muestra una pequea indentacin

despreciable, ste puede resultar ligeramente endurecido por efecto del trabajo en fro

realizado.

De esta forma, los dispositivos para medir la dureza de materiales empleados en el contexto de

la manufactura de mquinas y equipos, incluyendo la logstica y el transporte, se basan en la

indentacin de los cuerpos. As, la dureza extrema de algunos materiales es la que se emplea

para medir la dureza del resto de los materiales, como una medida de la resistencia que estos

otros materiales presentan a ser marcados o indentados en su superficie. Y los duros

indentadores aplican una carga conocida sobre las superficies de los materiales, de tal suerte

que las dimensiones de la marca hecha en el material ensayado, sirven como una medida de la

dureza de los materiales. Entre mayor sea la marca dejada por el indentador, menor ser la

dureza del material ensayado.

A lo largo de la historia se han desarrollado diferentes tipos de indentadores y cargas aplicadas

que definen el tipo y escala de dureza empleada, y se podra decir que existen dos grupos de

indentadores, uno para usarse en el contexto acadmico/cientfico y el otro en el contexto

ingenieril/productivo, existiendo frmulas para convertir los datos de dureza entre las diferentes

escalas.

De entre las escalas y durezas acadmico/cientficas ms antiguas se tiene a la Brinell, la cual

emplea un indentador redondo hecho de carburo de tungsteno, como se muestra en la Figura.

Las mquinas para esta escala de dureza aplican fuerzas entre de 500 y 3000 kg, de acuerdo a

la dureza del material ensayado, con dimetros de indentador de 10 o 5 mm. La dureza Vickers

tambin est basada en la medicin de la marca hecha en el material ensayado, pero se

emplea un indentador piramidal EI (2012). Aunque estos dos mtodos son confiables, su

aplicacin es laboriosa dado que es necesario efectuar mediciones de la marca dejada por el

indentador sobre el material ensayado. La Figura de abajo ilustra el procedimiento de ensaye y

clculo de estos dos mtodos de medicin de la dureza.




(a) Procedimiento Brinell (b) Marca del Procedimiento Vickers

Figura Procedimientos para la medicin de la dureza por la medicin del tamao de la huella

El mtodo de indentacin que es el mayormente seleccionado en la industria es el inventado

por S. P. Rockwell en 1924, el cual emplea un indentador hecho de carburo de tungsteno de

forma cnica. A diferencia de los dos mtodos descritos antes, el equipo de medicin de dureza

tipo Rockwell, no se basa en la medicin de la huella dejada por el indentador, sino que

simplemente en la profundidad de esta marca, la cual se realiza de manera directa por la

mquina. De esta manera, los durmetros tipos Rockwell son los ms comnmente empleados

en la industria, en diferentes escalas de acuerdo al material empleado (Rockwell escala B,

Rockwell escala C). Pero como se haba comentado antes, existen formulaciones para convertir

de una escala de dureza a otra. La Figura muestra la relacin entre estas diferentes escalas.

Para tener una idea de los niveles de dureza en las distintas escalas, de partes y componentes

de uso comn, se tiene que los aceros endurecidos para realizar el corte de las diferentes

lminas que integran las carroceras de los camiones y automviles, es del orden de 48 en la

escala R-C.

Si bien es cierto que la medicin de la dureza representa por s misma una medicin importante

para identificar el uso de los materiales, una razn adicional para estas mediciones radica en

que la dureza correlaciona con algunas propiedades bsicas de los materiales. Ese es el caso

de la dureza versus resistencia ltima Su descrita en la Figura a continuacin.

D: dimetro

indentador

d : dimetro de la

marca




0

100

200

300

400

500

600

700

200 300 400 500 600

Vic

kers

, R-B

, R-C

Nmero de dureza Brinell

Vickers

Rockwell -B

Rockwell-C

Figura Variacin de la escalas Vickers, Rockwell B (R-B), y Rockwell C(R-C), respecto al

Nmero de dureza Brinell

Fuente: Adaptado de EI (2012)

Al respecto se ha comprobado que para ciertos valores de dureza, expresada en particular

como nmero de Dureza Brinell (NDB), multiplicar esta cantidad por 500 resulta en el valor

aproximado para u. (Su ) Sin embargo, esta relacin se conforma para un rango solamente de

valores de NDB. De esta manera, la resistencia ltima Su de un material desconocido, puede

ser estimada mediante una relativamente sencilla prueba de dureza. Esta relacin emprica ser

empleada en el desarrollo de la tercera unidad de esta asignatura, al tratar la falla por fatiga de

los materiales.

Otra propiedad de los materiales relacionada con la maleabilidad y la dureza, es la ductilidad, la

cual se define como la capacidad de un material para soportar deformacin plstica al

someterse a un esfuerzo normal o cortante. A la luz de lo discutido en la parte introductoria de

esta seccin, se tiene que los primeros materiales que fueron capaces de utilizar los habitantes

del planeta tenan poca ductilidad, al ser esencialmente rgidos y duros. Slo con la introduccin

de la metalurgia se pudo contar con materiales metlicos que soportaban gran cantidad de

deformacin sin romperse, al fabricar por ejemplo vasijas y otros utensilios hechos de cobre,

que implicaba mucho trabajo de moldeo a travs del martilleo. Particularmente, los metales as

fabricados fueron maleables y dctiles. Mientras que la maleabilidad no es estrictamente

medible, la ductilidad s lo es, a travs de al menos dos mtricas. Se denominan frgiles a los

materiales que no soportan gran cantidad de deformacin plstica antes de fallar y sucede lo

contrario con los dctiles. En un extremo se tienen los materiales cermicos y, por el otro,

metales suaves como el cobre o el bronce.




La cantidad de deformacin plstica que un material soporta se puede medir entonces a travs

de una prueba de traccin simple, al restar la longitud final de la probeta fallada de su longitud

inicial. La segunda medida comn para determinar la ductilidad de un material consiste en

medir el cambio de rea que experimenta la probeta despus de haber fallado en la prueba a

traccin. Como prueba de un material dctil se tomarn datos de una prueba de traccin simple,

en la que fueron determinadas las variaciones de carga y de longitud de una porcin de la barra

ensayada (denominada longitud calibrada), hasta su fractura. A continuacin se ejemplificar

esta medida de la ductilidad, de datos tomados de un ensayo de traccin simple, realizado con

una mquina como la mostrada en la seccin 1.2.

Al respecto te informamos que para realizar esta caracterizacin se toma una longitud llamada

calibrada, en la parte central de la pieza, como se ilustra en la Figura. Esta longitud se marca

tenuemente con rayas cada 25 mm de longitud. Despus de la prueba, se compara la longitud

final con la inicial, para determinar con ello la deformacin total y unitaria resultante. Considera

que las longitudes medidas de las diferentes secciones de longitud calibrada una vez fallada la

probeta fueron de la siguiente manera: 30.45 mm, 30.95 mm, 31.75 mm, 34.35 mm, 45.20 mm,

32.20 mm, 31.25 mm y 30.45 mm. Como puedes observar, cada uno de los segmentos

calibrados experiment diferente nivel de deformacin, aparte de que parte central es la que

sufri la mxima deformacin. La deformacin unitaria, definida como la deformacin del

segmento entre su longitud inicial, expresada en porcentaje, es la medida de la ductilidad del

material ensayado. Por lo tanto, se puede calcular una deformacin unitaria para cada tramo,

as como la deformacin unitaria para toda la longitud calibrada. Efectuando las respectivas

operaciones, se obtiene la grfica de la Figura, para cada uno de los tramos, en donde se

verifica que el tramo central es el que mayor deformacin unitaria sufri, siendo la deformacin

unitaria promedio de 33.3%. Esta deformacin permite prever que el material es dctil, si bien

existen diferentes criterios para definir la mnima deformacin unitaria en porcentaje para

considerar al material dctil.

La ductilidad de los materiales es una propiedad necesaria en muchas aplicaciones. Toma por

ejemplo los tanques de gas domsticos. La normatividad respectiva puede indicar una

deformacin unitaria a la fractura de al menos 24% para el material fallado, de tal suerte que

ante una elevacin no prevista de la presin del gas contenido, el tanque experimentara una

deformacin considerable, antes de que algunas de sus partes empezaran a fugar. De esta

manera, la ductilidad es una propiedad altamente deseada en general, aunada a la resistencia

ltima. Adicionalmente, es sabido que estos tanques son sometidos frecuentemente a uso rudo,

caracterizado incluso porque los operadores ruedan estos cilindros en el pavimento. Ello

implica que se desea que el material del tanque tambin sea resistente a los impactos, lo cual

implica otra propiedad, analizada a continuacin. En el caso de las varillas de refuerzo de

construcciones viales, el porcentaje de elongacin mnima requerida est en el orden de 14.5%.




Figura Longitud calibrada de una probeta ensayada a traccin y deformacin de los segmentos

individuales de 25 mm

Fuente: Adaptado con datos de Higdon y colaboradores (1978)

1.2.3. Tenacidad

Como se mencion en la parte final de la seccin anterior, muchos materiales requieren que

adems de ser dctiles, sean capaces de soportar cargas aplicadas repentinamente, o de

impacto. La propiedad relacionada con esta capacidad de los materiales se denomina tenacidad

y se define como la habilidad de un material para absorber energa durante su deformacin

plstica. Esta energa de deformacin corresponde al rea bajo el diagrama de esfuerzo-

deformacin descrito en la seccin 1.2, por lo que un material con alta tenacidad podra

combinar un esfuerzo ltimo elevado Su con una alta ductilidad o deformacin plstica. Esta

energa se puede medir entonces a travs de procedimientos que tengan como fin medir la

energa necesaria para provocar la fractura de los materiales ensayados.

La tenacidad es una propiedad requerida en muchas aplicaciones relacionadas con la

infraestructura logstica, al verse sometidos muchos componentes a cargas de impacto, tal cual

ocurre cuando un vehculo pasa por una camino plagado de irregularidades y topes o cuando

ocurre un choque carretero.

La medicin de la tenacidad de los materiales consiste entonces en medir la energa asociada a

la fractura de los mismos. Dos ingenieros idearon en la segunda dcada del siglo XX sendos

mtodos de medicin de la energa consumida para la fractura de materiales: Edwin Gilbert Izod

(1876-1946) y Georges Augustin Albert Charpy (1865-1945). A ambos ingenieros se les ocurri




que la medicin de la energa potencial consumida por un pndulo para fracturar una probeta

podra servir como una medida de la tenacidad del material fracturado, como se muestra

esquemticamente en la Figura. De acuerdo con esta figura, el equipo de impacto comprende

un brazo que pivotea alrededor de un eje de baja friccin (punto O), provisto dicho brazo de una

masa en su extremo libre. La probeta a ser fracturada se coloca en un dispositivo de sujecin

en la parte baja de la trayectoria del pndulo resultante, de tal manera que esta probeta se

fractura por el impacto que recibe de la masa del pndulo. Y este tropiezo que tiene la masa

del pndulo al fracturar la probeta, es la principal causa por la que la masa del pndulo se

queda una distancia por debajo de la altura terica que debera haber alcanzado la masa,

dado que se tiene muy poca friccin en el pivote. De esta manera, la energa que es

absorbida por la probeta es , donde es la aceleracin de la gravedad (9.81

m/s2).

Figura Principio del pndulo para ensayar y determinar la tenacidad de los materiales

Respecto al diseo de la mquina de impacto descrita, es importante destacar el ingenioso

mecanismo del que est provisto, dado que al pndulo se le impide regresar una vez que ha

alcanzado la mxima altura, despus de fracturar la probeta.

En cuanto a las propiedades de los materiales, debes saber que la tenacidad y ductilidad de los

materiales son sensibles a la temperatura, de tal suerte que algunos metales cambian de

dctiles a frgiles por efecto de un descenso de temperatura.




1.3. Propiedades intensivas

Estudiars ahora las propiedades que no dependen de la cantidad de materia presente. Esto

es, estas propiedades que podremos observar o medir en las sustancias, sea la cantidad de

estas un gramo o una tonelada. No obstante, debemos reconocer que esto se considera as

para simplificar los tratamientos que hacemos para el manejo de las sustancias. Esto es, es

difcil encontrarnos que todos los pedazos en que partamos una sustancia o material, tengan

exactamente los mismos valores para sus propiedades intensivas. Tales diferencias en estas

propiedades se deben a la naturaleza de las cosas, que se derivan de procesos de conformado

o manufactura que impiden que toda la materia tenga precisamente las mismas propiedades

intensivas.

Por ejemplo de esta situacin tomemos el color de los plsticos empleados en la manufactura

de un telfono celular o una computadora. Si vemos de cerca estas superficies observaremos

que no es uniforme el color, sino que existen algunas reas que hacen que el color no sea del

todo uniforme. Pues bien, esas diferencias en las tonalidades pueden tener diversas causas,

que tienen que ver con los pigmentos empleados en los plsticos y con el proceso mismo de

manufactura. Muchos ejemplos de esta variedad las podrs reconocer seguramente en el caso

del sabor, ya que diferentes partes de una fruta, pescado o bistec que comamos, tendr un

sabor ligeramente diferente de la dems sustancia. Esto es, en forma estricta, la propiedad de

sabor depender del tamao de porcin de fruta, pescado o carne que comamos, por lo que la

propiedad no es estrictamente intensiva.

En el caso de la distribucin de la masa en un cuerpo, tambin podrs imaginar que habr

pequeos volmenes en un cuerpo que no tengan el mismo peso que otras. Esto es, si

tomamos dos gises de yeso y medimos su peso con una balanza de precisin, observaremos

que no tienen exactamente el mismo peso, lo cual se debe a que uno de estos gises con

seguridad tiene mayor porosidad que el otro. Esto nos da la idea de lo que se ver en esta

unidad como peso especfico, el cual se refiere al cociente del peso del gis entre su volumen.

Sin embargo, como te podrs dar cuenta, para fines prcticos nos conviene asignar un mismo

valor promedio para las distintas propiedades intensivas de la materia. O sea, tomar en cuenta

las pequeas variaciones de las propiedades intensivas en una sustancia o cuerpo, no es

prctico dado que puede complicar innecesariamente el anlisis del comportamiento de la

materia ya que su efecto es, en general, despreciable.

En el estudio de la materia es siempre necesario hacer simplificaciones del tipo descrito por

cuanto a las propiedades intensivas, ya que de otra manera el anlisis se complica

innecesariamente. Debes saber que son tres las suposiciones que se hacen en ingeniera por

cuanto a la materia. Se dice que la materia es homognea, continua e isotrpica. La

homogeneidad se refiere a que cualquier pedazo de sustancia que estudiemos tendr las




mismas propiedades, sin importar de dnde la hayamos tomado de la pieza original. La

continuidad tiene que ver con la homogeneidad, aunque se refiere a que la materia no tiene

huecos. La isotropa es una caracterstica un tanto ms sutil, ya que se refiere a que un pedazo

de material posee las mismas propiedades, sin importar la direccin en la que se aplica la

carga. Aunque esta condicin se supone para muchos metales empleados en la logstica y el

transporte, a otros materiales no metlicos se les reconoce una caracterstica falta de isotropa

(llamada anisotropa). Estamos hablando, por ejemplo, de la madera, para la cual seguramente

habrs comprobado que comprimirla en direccin de sus vetas, es completamente diferente a si

la comprimimos en una direccin perpendicular a la de las vetas. O sea, que un poln de

madera debera siempre cargarse en la direccin de sus vetas.

1.3.1. Olor, sabor, color

Las propiedades en este subtema son organolpticas, al estar asociada su determinacin a

algunos de los sentidos del organismo. Estas propiedades revisten gran importancia en los

distintos escenarios de la vida, no solamente desde la perspectiva del gusto, buen comer o bien

oler, ya que representan medios para caracterizar las sustancias transportadas, pudindolas

clasificar de acuerdo a su peligrosidad. Por ejemplo, algunos gases inflamables como el natural

y el LP (Liquified petroleum), tienen adicionadas sustancias caractersticas que les permite

avisar que existe una fuga. En el caso del gas natural, dicho aditivo es el etilmercaptano, lo

que provoca un intenso y desagradable olor a huevo podrido. Es curioso, pero en su estado

natural, estos gases carecen de olor perceptible por los humanos.

En el transporte de sustancias peligrosas, nuestros sentidos del olfato y gusto tienen gran

importancia para el manejo seguro de estas sustancias, por lo que de alguna manera quienes

manejen este tipo de materiales deberan recibir algn tipo de entrenamiento para la deteccin

de fugas.

En la actualidad, el gas LP est siendo empleado cada vez ms en los vehculos de transporte,

dadas sus caractersticas de alta eficiencia trmica y pocas emisiones contaminantes a la

atmsfera. Actualmente este tipo de combustible, en dos modalidades, comprimido y licuado,

est siendo promovido de usarse en Estados Unidos, donde se le conoce como CNG

(compressed natural gas), o LNG (liquefied natural gas).

Por otro lado, en el caso de logstica de materiales refrigerados, son empleados algunos gases

de olores caractersticos, como el amoniaco.

El olor y el gusto (sabor) son conocidos como los sentidos qumicos, para los cuales los seres

humanos estamos equipados con receptores que estn distribuidos en la zona buco-nasal-

garganta. Es interesante saber que estos sentidos interactan cuando se trata de alimentos, ya

que sin el sentido del olfato los sabores de los alimentos seran diferentes. Un experimento

interesante de esta interaccin entre los sentidos consiste en taparse la nariz y probar una




manzana y una papa, lo que provocar que se tengan dificultades por distinguir cul de los

alimentos se est probando. La prdida del sentido del olfato constituye entonces una situacin

grave para la salud general del individuo, al afectarse el sentido del gusto. Los aspectos

psicolgicos de los olores es crtica en muchas aplicaciones, en particular en el caso del

comercio de productos de limpieza e higiene personal.

El sentido del olfato consiste bsicamente de un rgano llamado epitelio olfatorio, el cual est

localizado en la parte superior de los pasajes o cornetes nasales y se conectan con la base del

cerebro (lbulos temporales derecho e izquierdo). Los millones de clulas cabelludas

enraizadas en el epitelio olfatorio, sensan las molculas voltiles que se admiten a la nariz, y

traducen esta informacin en impulsos nerviosos que se transmiten al cerebro a travs de las

clulas mitrales. Este sentido es altamente subjetivo, aunque se han hecho muchos esfuerzos

por caracterizar los olores de una manera objetiva.

Figura Receptores del sentido del olfato humano

Fuente: Adaptado de Geldard (1976)

Lo ms prximo a la caracterizacin de los olores ha consistido en su clasificacin de la

siguiente manera: alcanforado, almizclado, floral, mentolado, etreo, picante y podrido.

(Geldard, 1976).

De esta forma, en el contexto logstico y de transporte, es importante tener operadores con

buen sentido del olfato, en la medida que este sentido aparentemente existe como un medio de

proteccin. Tambin debe tomarse en cuenta que la prdida de este sentido puede ser




temporal, provocada por infecciones de origen bacterial o viral o como producto de alergias. La

prdida del sentido del olfato es entonces una enfermedad grave, que se denomina anosmia.

El sentido del gusto o de sensado del sabor de las cosas consiste de papilas gustativas

localizadas en la lengua, las cuales se especializan en los distintos sabores reconocidos:

amargo, cido, dulce y salado. En la lengua se localizan aproximadamente 10000 clulas

gustativas que se agrupan en estructuras conocidas como papilas gustativas. La Figura

siguiente muestra las regiones especializadas del sabor para estas papilas gustativas, para

detectar los diferentes sabores. De acuerdo a esta ilustracin, la parte central de la lengua no

detecta sabor alguno y los diferentes alimentos excitarn las diferentes reas en funcin de su

naturaleza. Por ejemplo, beber caf estimula las papilas para acidez y amargura, mientras que

un refresco de cola estimular tambin el rea se sensibilidad a lo dulce.

Figura Mapa de las reas de la lengua para la mxima sensibilidad a los diferentes sabores

Fuente: Elaboracin propia con informacin de Geldard (1976)

Para un (una) ingeniero(a) en transporte y logstica, es importante saber que la sensibilidad a

los sabores puede verse afectada por las adicciones de los (las) conductores(as).

Por ejemplo, el consumo de cocana inhibe la sensibilidad gustativa gradualmente, empezando

por lo cido, luego lo dulce y salado y finalmente lo amargo. La prdida del sentido del gusto

puede entonces ser un indicador de las adicciones que puede tener un (una) conductor(a).

El color de los objetos y sustancias tiene que ver con la visin, la cual suele considerarse como

el ms complejo de los sentidos, ya que a partir de la luz que los cuerpos reflejan es posible




percibir su color, la forma, profundidad, textura y condicin de movimiento. Uno de los defectos

relacionado con la visin y los colores se refiere a la dificultad de diferenciarlos, conocido como

daltonismo, lo que representa un riesgo para cualquier persona que necesita interpretar la

variedad de tipos de seales que enfrenta durante un recorrido, las cuales precisamente usan

los colores para especificar su intencin (verdes, amarillas, rojas, azules). La Figura ilustra

ejemplos del uso de los colores como parte del lenguaje informativo vial.

Figura Ilustraciones de sealamientos coloreados

Fuente: Romero (2007)

La parte de los ojos encargada de distinguir los colores es la retina, que contiene dos tipos de

clulas receptoras: los conos, que son encargados de la visin a colores; y los bastones, que

son los encargados de sensar la intensidad luminosa. La funcin de estos elementos se da de

manera complementaria, de tal suerte que en la penumbra no es posible ver los colores puesto

que no hay suficiente luz para estimular los conos, pero s es posible ver sombras y destellos de




luz porque se tiene suficiente luz para estimular los bastones. La teora ms aceptada con

relacin a la sensibilidad a los colores es la teora tricromtica, la cual sugiere que existen tres

tipos de conos, sensibles a los colores azul, rojo y verde, respectivamente. La intensidad con la

que son estimulados estos grupos induce la visin de otros colores tales como el amarillo. Se

indica que una persona con visin normal estara necesitando solamente las longitudes de onda

correspondientes a los colores indicados, y que existen personas quienes pueden en un

momento dado tener deficiencias en estas sensibilidades, por lo que no son capaces de ver

ciertos colores. Respecto a los colores y la visin, existen fenmenos de retencin de imgenes

en los que los colores originales son alterados por el cerebro.

De esta forma, un (una) ingeniero(a) en transporte y logstica debe tener conocimiento de los

fenmenos de la vista, que relacionados con los colores pueden afectar la eficiencia y

seguridad de manejo, trtese de enfermedades como el daltonismo o la retencin y alteracin

de imgenes. En este contexto, la luz de cortesa de los tableros automotrices debe proveer un

estmulo que no altere la agudeza visual. Al respecto, se indica que una luz tenue de color

verde emitida por el tablero, mantiene la pupila abierta, de tal suerte que el operador no sufre

una ceguera temporal al recibir un impacto luminoso intenso.

Aunque no est relacionado directamente con los colores, el punto ciego de los ojos representa

tambin una situacin peligrosa, de la que hay que tomar las previsiones adecuadas.

1.3.2. Punto de ebullicin, punto de fusin y punto de explosin

Regresando a las propiedades fsicas de los materiales, ahora se revisarn algunas

propiedades termofsicas de la materia, las cuales involucran un cambio o transicin de fase de

la materia. Las diferentes sustancias pueden experimentar cambios de estado siempre y

cuando la aplicacin de calor no implique una descomposicin de la materia. Las sustancias

que pueden experimentar cambios de estado por efecto de aplicar o remover calor, se

denominan sustancias puras. El caso ms conocido es el agua, H2O, la cual puede existir en

sus tres estados al cambiar su temperatura. Otras sustancias de este tipo incluyen al alcohol

etlico, anhdrido sulfuroso. Todas estas sustancias son susceptibles de ser transportadas y por

lo tanto se requieren conocer los procesos a los que pueden quedar sometidos por efecto de los

cambios de temperatura.

Para explicar los conceptos involucrados en los cambios de fase de las sustancias, se tomar

un ejemplo de cmo una sustancia pura cambia de fase por efecto de la aplicacin de calor. En

un concepto simple inicial, en el punto de ebullicin de una sustancia ocurre una transicin de

lquido a vapor, mientras que el punto de transicin slido a lquido se denomina punto de

fusin.

Considera que se pudiera tener hielo triturado en el refrigerador a una temperatura de -20C, y

que gradualmente se le aplicar calor mediante algn medio especial, a una velocidad




constante (determinados kJ cada minuto). Al comienzo del proceso, el calor suministrado no

provocar un cambio de fase del hielo, sino que ocasionar nicamente la elevacin de su

temperatura. Si se contina aplicando calor, se llegar al punto en el que se presente la

transicin de slido a lquido, lo cual ocurrir aproximadamente a 0C. Un termmetro colocado

en el recipiente que contiene al hielo slido y al agua indicar una temperatura constante. Si se

contina aplicando calor se llegar al punto en donde todo el hielo se habr licuado o fundido,

con lo que la temperatura del agua resultante se comenzar a elevar. Como resultado de la

aplicacin continua de calor se llegar al punto en que comenzarn a aparecer burbujas en el

lquido, seal del inicio del proceso de ebullicin, el cual se completar al alcanzar toda la masa

de agua una temperatura de 100C. Una vez que toda el agua haya pasado al estado gaseoso

(vapor), la temperatura de gas comenzar a incrementarse.

El proceso descrito en el prrafo anterior se ilustra en funcin de la temperatura y tiempo en la

Figura, en donde los datos sugieren diferentes calores necesarios para cambiar el estado de la

materia y para elevar su temperatura, en funcin del estado de la materia. El calor necesario

para cambiar el estado de la materia se le conoce como calor latente, que en el caso de la

transformacin de lquido a gas toma el nombre de calor latente de ebullicin. Como se

describi, durante la etapa de transformacin de estado no existe cambio de temperatura. En el

caso de la elevacin de temperatura, una vez que la sustancia se encuentra toda en una sola

fase, al calor consumido se le conoce como calor sensible. Asumiendo un flujo de calor

constante, se identifican entonces en este proceso dos diferentes velocidades de calentamiento

de la materia slida, lquida o gaseosa, y dos calores necesarios para cambiar de fase. La

pendiente designara en este diagrama la velocidad de calentamiento durante la etapa en la

que se tiene hielo; correspondiendo las pendientes y cuando se calienta lquido y gas,

respectivamente.

De esta forma, la velocidad de calentamiento es menor en el caso de la sustancia H2O en

estado gaseoso y las temperaturas de transformacin son como sigue: a cero grados

centgrados se da la transformacin de slido a lquido (lnea - ), mientras que de a se

da la transformacin de lquido a gas (vapor).




Figura Cambios de fase de una masa de H2O

De esta forma, el agua en estas condiciones exhibe un punto de ebullicin de 100C y un punto

de fusin de 0C. Sin embargo, estas mediciones se habran realizado a una cierta presin

atmosfrica, de 760 mm de mercurio en este caso y seran ligeramente diferentes a otras

presiones.

Como especialista en logstica y transporte t debes tener un conocimiento general de los

puntos de ebullicin de las sustancias transportadas, en especial las que son voltiles como los

combustibles y sustancias inflamables. En caso de congelamiento de las sustancias

transportadas, deben seguirse procedimientos especficos para descongelar los productos

transportados. Por otro lado, los combustibles empleados para los vehculos tambin pueden

llegar a congelarse, provocando mltiples problemas tractivos. Es necesario saber que la

temperatura de congelamiento de los combustibles fsiles se encuentra en el rango de -40 C a

-50 C, mientras que sus temperaturas de ebullicin se encuentran en el rango de 35 a 40 C.

En una situacin de congelamiento del agua, los pavimentos que conforman la infraestructura

logstica pueden sufrir un dao sensible cuando la humedad que contienen cambia de fase,

provocando el agrietamiento del material del pavimento, particularmente en el caso de

pavimento asfltico. Para mantener el agua en estado lquido, los ingenieros de caminos vierten

sal a los pavimentos con objeto de descender las temperaturas por debajo de los - 4 C. Con

ello se trata de mantener la circulacin segura de los vehculos, que de otra manera tendran

que circular sobre hielo. Como se ver ms adelante, estas sustancias que los (las)

ingenieros(as) de caminos vierten a los pavimentos, tienen sin embargo consecuencias sobre

los puentes carreteros, al provocar dao corrosivo tanto al concreto como al acero de refuerzo o

estructural.




Para tomar en cuenta el efecto de la presin atmosfrica sobre los puntos de ebullicin y de

fusin, se construyen diagramas denominados de fases, los cuales grafican los estados de la

materia en funcin de las temperaturas y presiones prevalecientes. En estos diagramas, por

ejemplo, se pueden ver las condiciones en las que una sustancia pura puede cambiar

directamente del estado slido al gaseoso, an sin pasar por el estado lquido (sublimacin). La

Figura ilustra un diagrama de fases para el agua, identificando los puntos triple y crtico. De

acuerdo con este diagrama, bajo ciertas condiciones de presin y temperatura, los tres estados

de la materia pueden tenerse simultneamente (punto triple). Por otro lado, tambin bajo ciertas

condiciones de presin muy baja, de hielo puede pasar a vapor de agua.

Figura Diagrama de fases para el agua

Fuente: Elaboracin propia con datos de Sears (1971)

El punto crtico del agua se reconoce como el punto en el cual termina la frontera entre los

estados lquido y gaseoso. Las sustancias combustibles, transportadas o usadas, exhiben

diferentes temperaturas que tienen que ver son su peligrosidad.

Para visualizar las diferentes caractersticas fsico-qumicas de los materiales combustibles se

describe lo que ocurre durante el calentamiento controlado de un combustible, como se muestra

en la Figura siguiente, mostrando dos situaciones: en la parte izquierda se ilustra un lquido

combustible voltil a una temperatura tal que los vapores emanados no alcanzan una

combustin continua, sino que solamente crean destellos o flasheos.

218 atm

1 atm

4.5 mm Hg

0 100 374 C 0.0098

Punto triple

Punto crtico

Vapor

Lquido

Slido

Temperatura

Pre

si

n




En la parte derecha de esta figura se muestra una situacin posterior, en la que la aplicacin

continua de calor provoca que el lquido combustible se autoenciende, sin necesidad de la

fuente de calor de la llama incluida en la ilustracin de la parte izquierda de la figura. Estas

situaciones ilustran lo que se conoce como punto de flasheo y punto de autoignicin. En esto

se debe aclarar la terminologa empleada.

Por cuanto al flasheo, este trmino es tomado del ingls flashing point y ha sido empleado por

empresas tan importantes como Petrleos Mexicanos. La expresin normalizada para este

trmino es temperatura de inflamacin, la cual no representara con exactitud el fenmeno.

Por cuanto a la temperatura de autoignicin, sta tambin se le conoce como temperatura de

ignicin.

Figura Temperaturas de flasheo y de autoignicin

De esta manera, tomando en cuenta el proceso gradual de calentamiento descrito en la figura

anterior, el punto de flasheo se define como la temperatura mnima a la cual un slido o lquido

emite la suficiente cantidad de vapores como para formar una mezcla combustible con el aire en

el espacio cercano a la superficie entre el lquido y el slido. Por otro lado, la temperatura de

ignicin o de autoignicin, es la temperatura ms baja a la cual una mezcla vapor-aire puede

continuar ardiendo. Por cuanto al punto de explosin, ste corresponder a la temperatura de

ignicin, alcanzada en espacios cerrados los cuales promueven la concentracin de vapores

combustibles.

La peligrosidad de un lquido inflamable queda entonces definida en funcin de la temperatura

de flasheo, guardando cierta relacin con la temperatura de ebullicin descrita en la parte inicial

de este subtema. La grfica en la figura ilustra las tres propiedades revisadas de algunos

combustibles, en donde se puede observar que no necesariamente la temperatura de

Flama externa

Destellos o flasheos

Vapores combustibles

Liquido

Quemador Bunsen




autoencendido correlaciona con la temperatura de flasheo. Por ejemplo, el combustible diesel

tiene una temperatura menor de autoignicin respecto a la de la gasolina, sin embargo, posee

un punto de flasheo menor, con lo que su peligrosidad es menor que la de la gasolina. Al

respecto, se han definido cinco niveles de riesgo basados en el punto de flasheo de los

materiales, como se ilustra en la Tabla. De acuerdo con esta clasificacin, todas las sustancias

de la figura son de riesgo extremo a alto, siendo el acetaldehdo y la gasolina los de mayor

peligrosidad.

De esta manera, en el caso de trabajar con ambientes inflamables derivados del transporte de

combustibles o la utilizacin de los mismos, es necesario que el (la) ingeniero(a) de logstica y

transporte conozca las propiedades bsicas de estas sustancias por cuanto a su riesgo de

incendio, as como las posibles fuentes de ignicin, de entre las cuales se incluyen hasta los

focos incandescentes. Otras fuentes de ignicin incluyen las chispas derivadas de la

electrosttica o de equipos elctricos y, por supuesto, las llamas abiertas como los cerillos y

cigarrillos. Al respecto, una reduccin de la electrosttica se logra mediante el uso de

vestimenta hecha de algodn, la cual es una norma en los centros donde se maneje o

almacene combustible. Una situacin an ms peligrosa se asocia al manejo de materiales que

pueden auto-encenderse, como en caso de los trapos impregnados de aceite y pintura.

-100

0

100

200

300

400

500

600

Temperatura de autoencendido Punto de ebullicin Punto de flasheo

0 C

Propiedad

Acetaldedo Acetona Gasolina

Benceno Alcohol etlico Diesel

Figura Propiedades de sustancias transportadas

Fuente: Adaptado de ET (2012)




Niveles de riesgos en funcin de los puntos de flasheo

Muy bajo riesgo Punto de Flasheo > 93C

Bajo riesgo moderado Punto de Flasheo entre 66 C y 93 C

Riesgo de moderado a alto Punto de Flasheo entre 38 C y 66 C

Riesgo extremo a alto Punto de Flasheo entre -18 C y 38 C

Riesgo extremo Punto de Flasheo < 18 C

Fuente: Adaptado de NTP (2012)

Actividad 1. Las propiedades de los materiales

Ahora es momento de realizar algunas prcticas que te ayudarn a comprender mejor las

propiedades de los materiales.

1. Descarga y lee el documento. Act1.Las propiedades de los materiales

2. Rene todos los materiales solicitados y realiza cada una de las prcticas

indicadas

3. Al concluir integra un reporte en donde expliques las conclusiones a las que

llegaste y las dificultades que se te presentaron al realizar la actividad.

4. Finalmente guarda tu documento en un archivo .doc con la nomenclatura

FQM_U1_XXYZ y envalo a tu Facilitador(a) para que te retroalimente.




1.3.3. Densidad, calor especfico, solubilidad, viscosidad

El trmino densidad implica una medida de la distribucin de una cantidad fsica por unidad de

longitud, rea o volumen. Las cantidades fsicas a las que se refiere incluyen la masa, la

electricidad o la energa. Tendrs entonces una idea de muchas cantidades que podras

describir en estos trminos.

La primera propiedad que se ver es la densidad de masa, la cual no implica un pleonasmo

dado que es una medida de cmo se distribuye la masa en el volumen que ocupa. Sin

embargo, de aqu en adelante, cuando se mencione la palabra densidad nos estaremos

refiriendo a esta densidad de masa ( ), que se expresa de la siguiente manera:

v

m

donde m es la cantidad de materia, expresada en kg, libras o slugs y v es el volumen que ocupa

dicha masa, expresado en m3, pie3, cm3, dm3, litro, entre otras unidades.

Una idea de cmo la masa se distribuye en el espacio la puede dar la neblina, que se dice que

est muy densa cuando efectivamente hay mucho vapor de agua por unidad de volumen. Una

unidad derivada de esta propiedad es el peso especfico ( ), el cual resulta del producto de la

densidad por la aceleracin de la gravedad (g), de la siguiente manera:

v

mgg

En el contexto del transporte y de la infraestructura logstica, la densidad de las sustancias tiene

gran importancia, al afectar diversos aspectos del transporte e infraestructura. Por ejemplo, la

reglamentacin de pesos y dimensiones especifica que el peso de los equipos no deber ser

mayor a ciertos valores, que tienen que ver con el deterioro de los pavimentos. Y estos pesos

totales deben respetarse, sin importar el tipo de sustancia transportada ni su estado, sea slido,

lquido o gas. Pero resulta que en el caso de las sustancias lquidas, los recipientes son

metlicos y tienen una capacidad fija, siendo diseados para cierto volumen fijo de materia,

cuyo peso total depender precisamente de la densidad del fluido transportado.

Por lo tanto, con tal de cumplir con el reglamento de pesos y dimensiones, una situacin

peligrosa puede llegar a presentarse, en la que el tonel del autotanque o pipa tiene que ser

transportado con un llenado parcial, con la consecuente libertad del fluido para hacer olas en el

interior del recipiente, desarrollando fuerzas que afectan la estabilidad del vehculo. Al respecto,

bajo esta condicin de llenado parcial es que ocurren el mayor porcentaje de accidentes del tipo

volcadura de pipas. De esta forma, el uso de un mismo tonel para transportar sustancias de

diferente densidad puede conllevar algn riesgo.




Para ilustrar lo anterior se presenta la siguiente figura que muestra un recipiente de 20000 litros,

diseado para transportar un hidrocarburo lquido, cuya densidad est en el rango de 0.85

kg/dm3. Mientras que la masa total de la sustancia ser de 17000 kg, el peso total ser de

166770 N, con lo que el tanque quedar casi lleno (98%), dado que es necesario dejar un

pequeo volumen para expansin trmica del fluido y alojar los vapores generados. Pero este

mismo transporte si ahora se carga con agua, con densidad de 1 kg/dm3, el tanque no podr ser

llenado hasta 98%, sino hasta 83.3% con objeto de no sobrepasar el peso total permitido.

Figura Representacin esquemtica de un autotanque cargado con fluidos de diferentes

densidades

Esta diferencia en el nivel de llenado provocar que el autotanque viaje a un nivel en el que el

oleaje le provocar dificultades al realizar curvas y frenados. El operador de la unidad deber

ser an ms cauteloso al efectuar estas operaciones.

En el contexto de las infraestructuras logsticas, tambin el concepto de densidad tiene gran

importancia, en particular cuando se trata de los materiales granulares empleados en la

construccin de carreteras. En este caso, t sabes que deben regularse la permeabilidad o

porosidad de las mezclas asflticas, dado que en buena medida de ello depende la capacidad

estructural de los pavimentos asflticos. Esto es, los diferentes tamaos de piedras empleados

tienen como objetivo darle cierta permeabilidad a la mezcla, al tiempo de darle la capacidad

deseada para transmitir al suelo y subsuelo las cargas de las llantas de los vehculos. Al

respecto, se tiene entonces que la cantidad de materia (kg), que se puede incorporar por unidad

de volumen en una mezcla de material granular, depender del tamao de la piedra empleada o

de los porcentajes de material de los diferentes tamaos de malla empleados. Por lo tanto,

entre ms pequeo sea el tamao de partcula, mayor ser la densidad de la mezcla de

material ptreo. Con objeto de estandarizar la nomenclatura correspondiente, en la ingeniera

de vas terrestres se maneja lo que se denomina densidad aparente, dado que no

corresponde a la del material ptreo en s, sino a la mezcla de material granular considerado, el

cual involucrar una cantidad de huecos. Como se indic en el subtema 1.1.3, la cantidad de

estos huecos es crtica para el desempeo eficiente del pavimento.

La otra propiedad que se revisar es el calor especfico (cp), el cual de alguna manera se hizo

referencia cuando se trat el tema de punto de ebullicin (subtema 1.3.2), al mencionar la

98%

83.3%




cantidad de calor que se requera para elevar la temperatura de la masa de hielo, agua y vapor,

en donde la cantidad de calor dependa del estado de la materia. El calor especfico se define

como la cantidad de calor necesaria para elevar en una unidad de escala termomtrica, la

temperatura de una masa unitaria de sustancia. Las unidades de esta propiedad de la materia

son las de energa por unidad de masa, pudiendo ser entonces J / kg K o BTU / lb F,

dependiendo del sistema de unidades empleado, donde BTU es la Unidad Trmica Britnica.

El calor especfico es una propiedad de la materia que depende de su estructura atmica y

composicin qumica, que define bsicamente sus propiedades de conduccin trmica, de tal

suerte que calentar un lquido ser ms fcil que calentar un gas. Por otro lado, al depender de

la transmisin de la energa en el interior mismo del material, el calor especfico de una

substancia dada, depende de la temperatura a la que se encuentre. La grfica siguiente ilustra

algunos valores para esta propiedad en el caso de gases y lquidos seleccionados. Como se

puede distinguir en esta grfica, los gases pueden variar en sus propiedades ms que los

lquidos, ya que el Helio y el Argn estn por encima y debajo de los lquidos seleccionados.

Por otra parte, esta propiedad en el caso de los lquidos tiende a ser ms sensible a la

temperatura, creciendo con la temperatura. Los gases muestran una muy baja sensibilidad a la

temperatura, a excepcin del bixido de carbono, representado como CO2. El calor especfico

del agua exhibe una peculiar variacin respecto a la temperatura, incrementndose fuertemente

su valor una vez que se rebasan 200C. De esta forma, entre mayor sea la temperatura, mayor

ser el calor necesario para elevar su temperatura.




0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 200 400 600 800

Cp, J

/kg0

K

Temperatura, 0C

HelioArgnCO2AguaEtilen glicolAmoniacoMetil alcoholFreon 11GasolinaAceite SAE+Hoja1!$2:$2 10

Figura Calor especfico de algunas sustancias

Fuente: Elaboracin propia con datos de Holman (2000)

El calor especfico de las sustancias tiene un efecto sobre el transporte de sustancias y sobre la

infraestructura logstica, en diferentes circunstancias, en la medida que los cuerpos requerirn

cantidades distintas de calor para incrementar su temperatura y, como consecuencia de este

incremento de la temperatura, pueden suceder diversos efectos. En el contexto del transporte,

pueden concurrir diferentes fuentes o sumideros de calor, en funcin de la carga transportada.

Si se requiere refrigeracin para las cargas transportadas, el sistema de refrigeracin deber

aumentarse en capacidad en caso de que las sustancias tengan un valor mayor de calor

especfico. Por otro lado, el calentamiento de las sustancias podra suceder por efecto de la

radiacin solar para cajas secas no refrigeradas, o simplemente aisladas. Igual es aplicable

para la disminucin de la temperatura.

Otros efectos del calor especfico de las sustancias transportadas tiene que ver con su

expansin y potencial peligrosidad. Como se mencion al principio de este subtema, los

compartimientos tipo tonel de los autotanques y pipas, deben dejar siempre un espacio vaco

para dar posibilidad de que las sustancias transportadas se expandan libremente.

Cuerpo humano (promedio)




De esta forma, una cantidad de insolacin durante el transporte de diferentes sustancias, tendr

un efecto diferenciado en funcin del calor especfico de tales sustancias.

La solubilidad se refiere a la cantidad de substancia que se disolver en una cantidad dada de

otra sustancia, formando una fase homognea en la que las sustancias no son distinguibles.

Una sustancia se disuelve en otra al tomar otra fase como producto de esta mezcla, existiendo

entonces para ello dos elementos en este proceso: por un lado se tiene al solvente, que es el

lquido, slido o gas que disuelve y por el otro lado el soluto, que es la sustancia que es

disuelta, que puede estar en estado slido, lquido o gaseoso. Por cuanto a los solventes

lquidos, los hay desde los ms comunes y amigables, hasta los ms peligrosos y agresivos. En

el extremo de los amigables se tiene desde luego al agua, que es capaz de disolver gran

cantidad de sustancias en funcin de su afinidad qumica y fsica. De esta manera, puede

disolver una pintura acrlica, as como un trozo de tierra de cultivo. En el extremo opuesto se

tienen los cidos, que son capaces incluso de disolver materiales slidos como los huesos.

Como ingeniero(a) en logstica y transporte requieres tener presente la solubilidad de los

materiales de transporte a la luz de los materiales transportados. Los solventes lquidos son en

general hidrocarburos que pueden disolver otros hidrocarburos tales como el PVC

(polivinilcloruro) o incluso hule. Las gasolinas son poderosos solventes de materiales plsticos,

por lo que su transporte debe hacerse despus de una adecuada seleccin de los materiales

contenedores. Por otro lado, algunos solventes son fuentes de adiccin, al alterar al sistema

nervioso, por lo que se requiere seleccionar cuidadosamente a las personas encargadas del

manejo de solventes, ya que v

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Unidad1. Propiedades Fisico Quimicas de Los Materiales