289531285-Libro-Introduccion-a-la-ingenieria-y-al-diseno-a-la-ingenieria-pdf

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• ’I K('l,;|A LA .ÍNGENIE •;*. .ÁREA: INGENIERÍA CIVIL
ISBN-10 968-18-0176-8
ISBN-13 978-968-18-0176-2
e-mail: limusa@noriegaeditores.com
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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA Y ALc
DISEÑO EN ,
LA INGENIERIA
Temas que trata la obra:
•Objetivo?
•Problemas de ingeniería
• Los orígenes de la ingeniaría moderna
•Cualidades del ingeniero competente
•Representación por modelos
•Optimización
•Computación
•El proceso de diseño: formulación del
problema
•El proceso de diseño: análisis del problema
•El proceso de diseño: la búsqueda de
soluciones alternativas
•El proceso de diseño: la fase de decisión
•El proceso de diseño: especificación de una
solución; el ciclo de diseño
•Optimización de los métodos de resolución
de problemas
• La ingeniería y la sociedad
•Oportunidades y retos
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DISEÑO EN
LA INGENIERIA
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£í/OJ colosales estructuras, llamadas
plataformas DeLong, se han propuesto
para colocar tubos portalrenes en el
fondo del Canal de la Mancha. La
primer plataforma draga el fondo
formando una zanja en la que la segunda
instala tubos de concreto u hormigón
de 150 m y llena de nuevo la zanja.
Estas plataformas pueden retraer mí
patas; “caminan’’ haciendo flotar
alternadamente hacia adelante sus
cubiertas superior e inferior. Puede
tenerse una idea del tamaño de las
estructuras observando el tamaño relativo
de los alojamientos de personal y de los
edificios de oficinas situados en el frente
de la cubierta superior. Trenes de alta
velocidad con vagones especiales
transportarían autos y camiones para
reducir el tiempo de recorrido y
aumentar la capacidad del túnel. (Véase
una interesante descripción de los
diversos tipos de sistemas de cruce
propuestos para el Canal de la Mancha
en el artículo “An English Channel
Crossing” (Un cruce a través del Canal
de la Mancha) de John O. Bickel,
Civil Engineering, julio de 1964).
Proyectos de esta magnitud son la
tendencia en la ingeniería moderna.
Requieren el trabajo de muchos
ingenieros, cuesian millones o miles de
millones de dólares y en ellos interviene
una gran cantidad de personas.
(Ilustración presentada por cortesía del
Crupo de Estudios del Canal de la
Mancha formado por las empresas
Raymond International Inc., DeLong
Corporation, Ellison Machine
Corporation, Kaiser Engineers, Peter
Kiewit Sons Co., Healy Tibbitts
Construction Co. y Tavares Construction,
Co., siendo consultores Parsons,
Brinckerhoff, Quade y Douglas.)
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Lafayette College
Easton, Pennsylvania, E. IJ. A.
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LIMUSA' (NORIEGA EDITORES
MEXICO •España •Venezuela •Colombia52' >
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Krick, Edward
Introducción a la ingeniería y al diseño en la ingeniería = An
introduction to engineering & engineering design / Edward
V. Krick. -México : Limusa, 2006.
240 p. : il., fot. ; 17 cm.
ISBN-10: 968-18-0176-8
ISBN-13: 978-968-18-0176-2
Rústica.
1. Ingeniería - Diseño
•I. Paniagua Bocanegra. Francisco, tr.'.ll. Rascón Chávez.
Octavio, colab.
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KA. 001*4-
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( Dewey : 620. 0042 - dc21LC: IA147
r PrólogoC • VERSIóN AUTORIZADA EN ESPAñOL DE LA OBRA' PUBLICADA EN
INGLÉS CON EL TÍTULO: . -
AN INTRODUCTION TO ENGINEERING &
ENGINEERING DESIGN
© JOHN WILEY & SONS, INC. .
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C • COLABORADOR EN LA TRADUCCIóN:FRANCISCO PANIAGUA BOCANEGRA
INGENIERO MECáNICO ELECTRICISTA POR LA FACULTAD DE INGE¬
NIERíA DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTóNOMA DE MéXICO.
INGENIERO CONSULTOR Y ASESOR EDITORIAL EN EDUCACIóN
CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA.
AL PROFESOR(
Si está considerando este libro corno texto para un curso,
insista en solicitar un ejemplar del manual para el profesor.
El manual contiene descripciones, objetivos, problemas y otros
medios auxiliares para una introducción a la ingeniería. Posee
especial importancia si se tiene interés en problemas de diseño*
o proyecto. Prefiero presentar un problema de manera que se
aproxime a los de la vida real, en vez de decir simplemente
a los alumnos “resuelvan el problema 2 del final del capítulo”.
Por tanto, un cierto numero de problemas que aparentemente
debieran estar en el libro se hallan en el manual, de modo
que puedan darse a los alumnos en forma realista y motiva-
dora. Estos son problemas de diseño a nivel de primer año
de ingeniería, en forma de cartas, memorandos y medios se¬
mejantes, que puedan reproducirse y repartirse.
En el capítulo 1 se han bosquejado los principales objetivos
de este iibro. A continuación presentamos algunos comentarios
sobre tales metas que pueden interesar al profesor. Un objetivo
es presentar la ingeniería a un joven que piensa iniciarse en
esta carrera o que ya lo ha hecho. Hay por lo menos cinco
modos de hacerlo. Estoy seguro que uno o más de ellos serán
muy significativos para el estudiante:
REVISIóN:
OCTAVIO A. RASCON CHAVEZ
INGENIERO CIVIL, MAESTRO Y DOCTOR EN INGENIERíA. INVES¬
TIGADOR DE TIEMPO COMPLETO Y PROFESOR DE PROBABILIDAD Y
ESTADÍSTICA DE LA DIVISIÓN DE ESTUDIOS SUPERIORES EN LA
FACULTAD DE INGENIERíA DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL
AUTóNOMA OE MEXICO.
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(
( LA PRESENTACIóN Y DISPOSICIóN EN CONJUNTO DE
INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA Y AL.DISEÑO
EN LA INGENIERÍA(
SON PROPIEDAD DEL EDITOR. NINGUNA PARTE DE ESTA OBRA PUEDE
SER REPRODUCIDA O TRANSMITIDA, MEDIANTE NINGUN SISTEMA O
METODO. ELECTRONICO O MECÁNICO (INCLUYENDO EL FOTOCO-
PIADO, LA GRABACIÓN O CUALQUIER SISTEMA DE RECUPERACIÓN
Y ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN). SIN CONSENTIMIENTO POR
ESCRITO DEL EDITOR.
(
(
DERECHOS RESERVADOS:
© 2006, EDITORIAL ÜMUSA, S.A. DE C.V.
GRUPO NORIEGA EDITORES
BALDERAS 95. MEXICO, D.F.
C.P. 06040
W 5130 0700
5512 2903.... limusa@noriega.com.mx
www.noriega.com.mx
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CANIEM NUM. 121
* Aunque la acepción académica en español de la palabra diseño indica sólo que
es la delincación o trazo de alguna cosa, su significado se ha extendido en la
actualidad a designar la acción y efecto de idear y planear la ejecución de
obra o la creación de un objeto determinado, que es el sentido que tiene en inglés
la palabra “design”. Como en castellano la palabra que inás concuerda con tal
significado es “proyecto” debiera preferirse ésta en vez de la primerÿ, pero, téc¬
nicamente, su uso se ha limitado al proceso de calcular, dibujar y describir deta¬
lladamente la construcción o fabricación de una cosa. Por lo anterior, creemos que
es aceptable el empleo de la palabra diseño en el sentido de concepción mental o
idea, y que conviene utilizar el término proyecto para designar la completa reali¬
zación “en el papel” del objeto ideado. Así, pues, el orden lógico y natural de
las principales etapas de una obra de ingeniería serían las de diseño, proyecto y
construcción. (N. del T.)
HECHO EN MéXICO
ISBN-10 968-18-0176-8
ISBN-13 978-968-18-0176-2
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LA EDICIÓN, COMPOSICIÓN, DISEÑO E IMPRESIÓN DE ESTA OBRAFUERON REALIZADOS
BAJO LA SUPERVISIóN DE GRUPO NORIEGA EDITORES.
BALDERAS 95, COL. CENTRO. MEXICO. D.F. C.P. 06040
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*(
6 / PRÓLOGO (
1. Presentando estudios de casos de la ingeniería en acción.
2. Describiendo el origen y la naturaleza de la ingeniería contem¬
poránea.
3. Exponiendo los atributos más importantes de un ingeniero.
4. Describiendo el proceso de diseño. El autor entiende por “diseño’’
la serie de actividades que principia con !a consideración He un pro¬
blema y termina cuando se ha especificado o determinado com¬
pletamente una solución funcional, económica y satisfactoria en
cualquier otro sentido. Comprende el enunciado o definición del
problema, su análisis y síntesis, la invención de dispositivos, la
predicción del funcionamiento, el tomar la decisión de su ejecu¬
ción, la optimización, las especificaciones, y, de hecho, la mayoría
de las técnicas y habilidades que se consideran parte del méto¬
do de la ingeniería. Al describir el proceso de diseño se describirá
la esencia de la ingeniería.
5. Haciendo intervenir al estudiante en el diseño.
En el libro opté por los primeros cuatro; un curso com¬
plementario utilizaría el quinto método.
Otra meta es iniciar el desarrollo de la destreza del estu-
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1
Contenido (
(
1. Objetivos
2. Problemas de ingeniería
3. Los orígenes de la ingeniería moderna
4. Cualidades del ingeniero competente
5. Representación por modelos
6. Optimización
7. Computación
8. El proceso de diseño: Formulación del problema
9. El proceso de diseño: Análisis del problema
10. El proceso de diseño: La búsqueda de soluciones
alternativas
11. El proceso de diseño: La fase de decisión
12. El proceso de diseño: Especificación de una
solución; El ciclo de diseño
13. Optimización de los métodos de resolución de
problemas
14. La ingeniería y la sociedad
15. Oportunidades y retos
9 1
11
diante en la representación por modelos, la aplicación de las
computadoras, la optimización, el diseño y la selección del me¬
jor enfoque a cada problema que afronte. Se ha dado primor¬
dial atención a estos propósitos debido a que son básicos y, en
mi opinión, no se describen satisfactoriamente a nivel intro¬
ductorio en los libros de ingeniería. Existen libros satisfactorios
que tratan del manejo de la regla de cálculo, de la medición,
programación para computadoras, experimentación, técnicas
de expresión gráfica y otras habilidades de la ingeniería, pero
no acerca de las que se presentan detalladamente en esta obra.
El libro proporciona un fundamento sobre el cual pueden
desarrollarse tales aptitudes.
Otra meta a alcanzar es mejorar el conocimiento del estu¬
diante en relación con los fines de una educación en ingeniería.
Tiene especial importancia para él, pero le resulta difícil
apreciar los propósitos y la significación de los cursos que lleva
en los dos primeros años. Muchos estudiantes no se percatan
de lo importante que es la comunicación verbal y gráfica. Y
así, se preguntan con frecuencia, “¿por qué debemos llevar
tantos cúreos de materias no técnicas?” y también sus nociones
de la forma en que los ingenieros emplean las matemáticas son
vagas. Sus aspiraciones se ven frustradas cuando no ven la
importancia de dichos cursos en la práctica de la ingeniería.
En consecuencia, en este texto, se explican las forma? en que
tales materias se relacionan con el trabajo de un ingeniero. Si
existen razones satisfactorias para cada fase de la instrucción
formal del estudiante de ingeniería, ¡entonces a toda costa
se debe hacérselas saber! Este libro puede ayudar a guiar al
estudiante a través de los dos primeros años de su carrera, que
son esencialmente formativos y de prueba.
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51
63
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101
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131
141
161 (
171
t
179
(185
195
Bibliografía 223
(
Principales ramas de la ingeniería
Simulación digital con computadoras
Un análisis más riguroso de un problema
Apéndice A:
Apéndice B:
Apéndice C:
231
233
(237
(Indice 239
(
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(E. V. KRICK
7
*
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(
c
1( CAPITULO
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X
(
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Objetivos(
C
¿ Qué es la ingeniería? ¿Cuál es el trabajo cotidiano de un
ingeniero? ¿Qué aptitudes son importantes para tener éxito
y satisfacción en este campo? ¿Cuáles son algunas de las áreas
que proporcionarán excepcionales oportunidades y desafíos a
la habilidad de los ingenieros? ¿Cuáles son algunos de los
principales beneficios que pueden tenerse de una educación en
ingeniería? Si el lector busca respuestas a estas preguntas, este
libro está dirigido a él.
(
X \
(
Si se es un aspirante a ingresar a una institución de estu¬
dios superiores, y se está en el proceso de investigar las carreras
a escoger, entonces uno debe hacerse esas preguntas y obte¬
ner respuestas basadas en hechos reales. He dado mucha im¬
portancia a este tipo de respuestas, debido a los malentendidos
o conceptos erróneos que prevalecen. Los medios de informa¬
ción y la mayor parte de la gente parecen no entender bien
cuáles son'
(
( v los papeles comparativos de los científicos y los
ingenieros. Asi mismo, muchos tienen todavía la imagen anti¬
cuada de los ingenieros con “botas de campo y teodolito” y
“tablero de dibujo”. Por supuesto, son de esperarse las nocio¬
nes vagas y equivocadas, pues el público raramente ve a un
ingeniero en su trabajo. Podemos observar a un maestro y a
un médico en acción, pero no a un
(
(
( ingeniero. No hay que
. asombrarse de que sean erróneas muchas de las creencias y
generalizaciones populares acerca de la ingeniería. Sin em¬
bargo, es vital que se tenga información cierta y fidedigna; la
elección imprudente de una carrera puede resultar costosa.
Debe investigarse profunda y cabalmente, considerar las fuen¬
tes de información y estar bien enterado antes de elegir una
carrera de las muchas que hay en alternativa.
Si el lector se halla estudiando ingeniería, también podrá
estar buscando contestaciones a las preguntas anteriores, en
especial si está cursando uno de los dos primeros años de la
/(
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10 / objetivos c
CAPITULO Z, -carrera. La mayoría de los cursos a este nivel tratan de las no¬ciones básicas de química, física, matemáticas y materias se¬
mejantes. Aunque son tan esenciales, son pobres indicadores.
de lo que es la práctica de la ingeniería y, por consiguiente, no
debe cometerse el error de basar la decisión de una carrera
en los cursos de los primeros dos años. No obstante, especial¬
mente en este período se presentan cuestiones que preocupan
al estudiante, como las de qué tan útiles son ciertas materias
que se cursan, si se tiene realmente lo necesario para ser un
buen ingeniero y qué especialidad se deberá seguir.
v Por lo tanto, este libro fue escrito para...
• dar al lector una imagen realista de la ingeniería: lo que
es, lo que requiere y ofrece, y las actividades cotidianas
que comprende;
• ayudarle a que decida si ésta es su carrera;
• iniciar su desarrollo en determinadas habilidades frecueh-
temente empleadas por los ingenieros; con tanta frecuencia,
por cierto, que una cierta familiaridad con ellas dirá al
lector una gran cantidad de cosas acerca de la práctica de
la ingeniería;
• aclarar cuáles son los objetivos de una educación en inge¬
niería, inclusive los propósitos de diferentes tipos de cursos;
• familiarizarlo con algunos términos ampliamente usados en
la literatura y la conversación sobre la ingeniería;
• despertar su interés en la resolución efectiva de algunos de
los problemas urgentes que afronta la humanidad.
(
Problemas de ingeniería
(
¿QUé es lo que constituye un problema? Este término se em¬
plea frecuentemente. ¿Qué significa? ¿Qué tienen en común
todos los problemas? Es de sospecharse que las respuestas del
lector a estas preguntas sean vagas. Sin embargo, una descrip¬
ción de la ingeniería es esencialmente una descripción de
problemas y de su resolución. En consecuencia, es necesario
establecer ahora definiciones exactas de tales términos. Así,
pues, este libro comienza con una introducción a las caracte¬
rísticas generales de los problemas.
Un problema provienedel deseo de lograr la transforma¬
ción de un estado de cosas en otro. Tales estados podrían ser
dos lugares cuya distancia habría que recorrer. El problema
puede ser el ir de una ribera de un río a la opuesta, de una
dudadla gua, de un planeta a otro. Otros problemas com¬
prenden la transformación de una forma o condición en otra,
por ejemplo, la de un pan común en tostado. En todo
problema hay un estado inicial de cosas; llamémoslo "estado
A«* Asimismo, hay otro estado que quien trata de resolver el
problema busca cómo alcanzar; designémoslo “estado B”. Ob¬
sérvese que lo anterior ocurre en el caso de problemas perso¬
nales, de comunicación, de negocios y, de hecho, en todos los
problemas (Fig. 1).
Una solución es un medio de lograr la transformación
deseada.,- Un problema para el que haya sólo una solución
posible es ciertamente raro;«en la mayor parte de los proble¬
mas haj muchas soluciones posibles,| muchas más de las que
haya tiempo dé Investigar. Piénsese en los numerosos modos
de viajar y en todas las posibles rutas con las que pueden
combinarse para obtener medios alternativos para ir de un
punto a otro de la Tierra.
Además, un problema involucra algo más que hallar una
solución;.requiere encontrar una forma preferible de lograr la
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(
FIGURA 1.
Estado BEstado A
Espero que este libro logre tales metas. Por supuesto, el
lector deberá hacer también su parte.
PapelPulpa de
madera
Suma de
los números
Números por
sumar
(
CosechasSemillas
Información
en la
mente del
autor
La misma
información
en la mente
del lector
(
Aspirante
a un
empleo
Empleado
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Persona
sana
Persona
enferma
(
El lector
como
estudiante
en la
actualidad
El lector
con su
título de
ingeniero
(
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(
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ingeniería en acción / 1312 / problemas (le ingeniería
transformación'deseada; por ejemplo, el medio de transporte
que sea el mejor con respecto al xosto, rapidez, seguridad,
comodidad y confiabilidad. Una¡norma de preferencia para
seleccionar de entre varias soluciones se llama criterio.
Finalmente, es difícil imaginar un problema
haya restricciones a las soluciones. Una restricción es algo que
debe cumplir una solución. Ejemplos: un estudiante de secun¬
daria ha decidido que la universidad a la que asista debe
ser coeducacional; ciertas características de las estructuras de
edificios están especificadas por los reglamentos de construc¬
ción; luz, agua y nutrientes deben proporcionarse a una semi¬
lla para que se transforme en planta.
_.Las rcstxicciones, Jos criterios, las alternativas y la carac¬
terística dominanteíde cualquier problema —una transforma-
- ción— resaltarán en las siguientes descripciones de obras y
disenos de ingeniería.] El autor confía en que el lector se dé
cuenta de ellos, puesto que como ingeniero debe ser capaz
de identificar las características básicas de los problemas que
tenga que resolver.
( tiva de la inversion, el ingeniero terminará entonces su diseño
todo detalle.
Entre otras cosas, se le ha dicho que tal dispositivo tiene
que producir en un minuto la información de diagnóstico
deseada; que no debe ser difícil de manejar y que ha de fun¬
cionar con la corriente eléctrica común. La gerenciaJquiere
qde ias especificaciones preliminares y las predicciones de
costos se terminen en dos meses.
Comentario. /El ingeniero considera que su problema con¬
siste en hallar ios medios más eficaces para transformar la
información de un paciente¡ (estado A) en un conjunto de
-probables enfermedades (estado B). El aparato que proyecte
debe satisfacer las restricciones (es decir, tiene que producir
los resultados en un minuto). Además,¡su solución debe ser la
mejor con respecto al costo de fabricación (un criterio) y
al atractivo para los compradores en potencia Jotro criterio)
que puedan ocurrírscle en los dos meses asignados al proyecto.
IJO anterior define su problema brevemente.
Durante el diseño, [el ingenieroÿ en cuestión(utiliza
nocimientos e inventiva para idear una variedad de posibles
soluciones.;Una consiste en un cierto número de aparatos elec¬
trónicos del tamaño de máquinas de escribir situados en las
oficinas de los usuarios (Fig. 3). Con tales aparatos, los médi¬
cos o sus enfermeras transmiten la información de los smtomas
Unidades Iransmisoras-receptoras
en las oficinas de diferentescon
usuarios del sistema(
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VñW
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A otras unidades
transmisoras
receptoras
INGENIERIA F,N. ACCION
Un sistema de procesamiento de información. La ge¬
rencia de la Computer Electronics Company cree que hay
mercado prometedor para un dispositivo dé procesamiento de
información inventado por uno de sus- ingenieros. Tab má¬
quina, que él llama' diagnosticadorj será de ayuda en el diag;
nóstico de enfermedades humanas jen la forma siguiente: El
médico examina a un paciente como lo ha hecho siempre y
un
a una unidad central de procesamiento de información que da
servicio a varios usuarios, y reciben los resultados de ésta. Una
alternativa a este plan seria que cada usuario tuviese una uni¬
dad procesadora independiente que efectuara todo el trabajo
en su oficina. Algunas ventajas relativas de esas dos alternati¬
vas son obvias, pero no es tan evidente lo que significarían en
dinero.
c
(
©1©
( luego comunica sus resultados al diagnosticador. La máquina
procesa esta información, entrega una lista tic padecimientos
e indica para cada enfermedad las probabilidades de qué sea
lo que aqueja al paciente (Fig. 2). Por ejemplo, en respuesta
a un conjunto específico de síntomas y de cierta información
del paciente en particular (como edad, peso y hábitos),
el aparato dice que hay 63 posibilidades en 100 de que el
paciente tenga la enfermedad A, 18 en 100 de que sea la B,
y as! sucesivamente.
Antes--que dicha compañía fabrique tal aparato,,la geren¬
cia debe estar convencida de que podrá obtenerse una ga¬
nancia conveniente con él. Por lo tanto, el ingeniero que
originó la idea ha sido comisionado para que proporcione las
especificaciones preliminares de ese dispositivo y un pronóstico
de los costos correspondientes a la terminación de su diseño
y su manufactura. Si después de esta “primera aproximación”
pareciera que la máquina podría ser desarrollada y fabricada
a un costo que finalmente produjera una recuperación atrac-
Iníormación
del paciente El ingeniero también investiga métodos alternativos para
dar entrada a los datos y obtener los resultados en estas má¬
quinas, modos alternativos de procesar los datos de los enfer¬
mos con objeto de tener los resultados deseados y muchos tipos
de componentes. Estas y otras posibilidades, en una variedad de
combinaciones, darán un gran número de sistemas alternativos.
todos los cuales serían factibles, pero no igualmente deseables.
¡Tiene que evaluar tales sistemas y seleccionar el más ade¬
cuado.
Durante la realización del diseño, el ingeniero trabaja con
un número de personas con gran variedad de especialidades.
Entre ellas hay es|>ec¡alistas en mercadotecnia, por quienes
conoce las preferencias de un usuario potencial típico relativas
a diversas características del producto. También consulta a
médicos diagnosticadores. Trabaja en estrecha colaboración
con expertos en manufacturas para estimar cuál sería el costo
( _JoStsflWW lio ¡iül
acerca
4
Procesadora central,
( que sirve a
varias unidades
7 transmisoras-receptoras
U ingenien hizo queun dibujante elaborara croquis oesquemas de las principales
opciones que tenía
a Jin de incluirlas
la gerencia. Este es un esqu
del sistema centralizado del
FIGURA 3. El
Enfermedades y
probabilidades
de
en consideración,
en su informe a
curación
diagnostiradoí.FIGURA 2.
i
c
14 / problemas de ingeniería ingeniería en acción / 15
de fabricación de un modelo dado de su aparato. Trabaja
“ asimismo en forma directa con los ejecutivos de su firma, con
el personal del servicio telefónico en lo que respecta al empleo
de sus líneas para la transmisión de información, y con otra
gran cantidad de personas. Desde hace tiemposabe que su
trabajo comprende más comunicación con la gente de lo que
él pensaba antes de realizar su primera tarea de ingeniería..
Ha llegado también a la conclusión de que, en genera!, los
problemas del trato con la gente son más susceptibles de causar
frustración o decepción que los problemas técnicos.
La construcción de! aparato diagnosticador es una empresa
desafiante, una de las razones de esto es que tal sistema no
existe todavía en el mercado, de manera que el trabajo seria
verdaderamente original o precursor. Además, el proyecto es
creación exclusiva del ingeniero desde el principio; no tiene
supervisión directa y lo que haga durante los dos meses es
cuestión únicamente suya, pero se esperan los resultados. Esta
es la clase de oportunidad que agradaría al lector, en especial
cuando su creación, como la de que se trata, será de particular
beneficio al público. Pero no espere tal libertad y responsabi¬
lidad hasta que tenga experiencia; el ingeniero de este pro¬
yecto tenía ya nueve años de ella. El estudiante iniciará su
carrera trabajando en partes de proyectos relativamente pe¬
queñas, bajo estrecha supervisión. La libertad de acción y la
responsabilidad vendrán con la experiencia. Esto es una suerte,
puesto que si se le encargara un proyecto como el anterior
en los primeros años de su carrera, tropezaría con muchas
dificultades.
Al concluir la investigación, el ingeniero presentará sus
recomendaciones por medio de un extenso informe escrito y
un resumen verbal a los funcionarios superiores de su compa¬
ñía. Incluirá predicciones de los costos relacionados con la
fabricación de su diseño. La importancia de esta información
para el futuro del proyecto es obvia.
En el curso de sus investigaciones, el ingeniero desarrolló
y evaluó muchas posibilidades, seleccionando finalmente un
tipo de interruptor bastante ingenioso, mostrado en la figu¬
ra 4, como la solución más prometedora. Consiste en dos.
elementos metálicos planos llamados tiras o lengüetas, ence¬
rrados en un tubo de vidrio lleno de gas y cerrado hermé¬
ticamente. En la figura se muestran las dos tiras idénticas, el
tub" de vidrio en que se introducen, las mismas tiras colocadas
en su envoltura de vidrio liena de gas y sellada, y una vista
amplificada del punto de contacto. Para funcionar, el inte¬
rruptor se monta en una pequeña bobina electromagnética,
que al ser energizada hace que las lengüetas entren en con¬
tacto y cierren un circuito eléctrico. Este dispositivo es nota¬
blemente rápido, muy confiable, no requiere mantenimiento
y, en muchos aspectos, es superior a cualquier otro interruptor
que se haya ideado hasta ahora. Sin embargo, una pregunta
muy importante que determinará si este nuevo interruptor
puede llegar a ser de utilidad a la compañía y a sus clientes,
queda por ser contestada. ¿Podrá fabricarse económicamente
por millones?
Para responder a esta pregunta se asignó a un equipo de
ingenieros la tarea de desarrollar, si fuera posible, un método
económico para fabricar tales interruptores. La solución fue
la notable máquina mostrada en la figura 5.
Comentario. El problema de ese equipo de ingenieros era
hallar el medio más económico de transformar los tubos de
vidrio, las tiras metálicas y el gas, en los interruptores espe¬
cificados, produciendo millones de ellos. Era un gran desafio
tecnológico el desarrollar una máquina que colocara las tiras
en el tubo de vidrio y las alineara con las estrechas tolerancias
requeridas. No obstante, si estos millones de interruptores tu¬
vieran que ser hechos a mano, se necesitaría un pequeño ejér¬
cito de trabajadores con un costo prohibitivo. De ahi que la
utilidad del interruptor dependiera de la capacidad del grupo
o equipo de ingenieros para desarrollar una máquina econó¬
mica.
FIGURA 4.
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Tiras metálicas +
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(
+
CZ3
Tubo de vidrio
+
Máquina de producción automática. En la empresa:Bell
Telephone System¡hay millones de interruptores en operación;
Un largo y persistente trabajo de ingeniería ha hecho posible
su funcionamiento durante años, efectuando billones de co¬
nexiones sin que sufran averías. No obstante, aún es posible
su falla a causa de la humedad y las materias extrañas. El
costo de aislar y remediar tales fallas, sumado al de tratar de
prevenir las averías mediante complicadas medidas de mante¬
nimiento y limpieza, ha sido por años un problema importante
de la compañía.'A uno de sus ingenieros se le pidió recomen¬
dar un medio para reducir dichos costos y mejorar la con¬
fiabilidad del sistemaÿ
El tamaño de la
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las tiras son
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Como en todo trabajo de ingeniería, durante este proyecto
leí aspecto económico estuvo bajo constante vigilanciaÿ Perió¬
dicamente el grupo se detenía a revaluar las probabilidades
de poder producir una máquina económica. Si al principio
o en cualquier momento del proyecto, hubiera parecido que
un método de fabricación que pudiera desarrollarse resultaría
prohibitivamente costoso, el inventor del dispositivo hubiese
tenido que volver a buscar otra solución al problema —una
con menor costo de manufactura.
El ingeniero que proyectó el interruptor está especializado
en el desarrollo de aparatos empleados en sistemas telefónicos.
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16 / problemas de ingeniería ?fe 2
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iFIGURA 5. Máquina automática parahacer interruptores de tiras o lengüetas,
a razón de más de un millón por año.
Funciona según el principio de un
carrusel. I.a torrecilla rotatoria, que
contiene 18 idénticos cabezales de
montaje, gira, y a medida que lo hace,
el interruptor va tomando forma
gradualmente. En estaciones sucesivas
alrededor de la periferia de la tórrela se
van colocando los tubos de vidrio, se
introducen las lengüetas metálicas de
contado, se alinean y se fija su
separación, se inyecta el gas. se cierran
herméticamente los tubos y luego sale el
interruptor terminado. IA>S interruptores
pasan después a la sección de pruebas
de la máquina donde se miden sus
características físicas y eléctricas. Los que
no resulten satisfactorios son desechados.
Además, sobre la base de esas mediciones,
la máquina se autoajusta para corregir la
causa que ocasiona intenuptores
defectuosos. For ejemplo, si la máquina
empieza a producir interruptores con
separación excesiva de sus contactos,
entonces la máquina lo detecta y ajusta
el mecanismo fijador de la separación
para corregir el defecto y volver a
producir interruptores correctos. Tales
procesos de detección y corrección de
las causas de defectos en los interruptores
realizadas por la máquina misma, sin
ayuda de un operario humano, es un
ejemplo de automatización. (Cortesía
de Western Electric Company.)
Los ingenieros que posteriormente se asignaron al proyecto
desarrollaron los medios de fabricar los intenuptores. A ellos
suele llamárseles ingenieros de proceso o de fabricación. Miem¬
bros de equipos o grupos de diseño como éste, generalmente,
son expertos en ramas auxiliares. En este caso particular, uno
está especializado en el comportamiento y conformación del
vidrio, otro en el comportamiento de elementos de máquinas
y mecanismos, otro en los fenómenos eléctricos y magnéticos, y
así sucesivamente. Es vital una estrecha colaboración entre los
miembros de un equipo de ingeniería; debe haber un alto
grado de interacción entre los conocimientos, ideas y decisiones
de los. diversos especialistas que se concentran en diferentes
aspectos de un problema. Un miembro de tal grupo, general¬
mente llamado ingeniero jefe del proyecto (o ingeniero de
sistemas), desempeña de manera primordial las funciones
de coordinador de las actividades de los otros, con objeto de
asegurar que todas las partes del sistema final estén apropia¬
damente relacionadasentre sí.
Cuando el grupo creyó que había desarrollado la máquina
más económica, su propuesta tuvo que especificarse en com¬
pleto detalle para que los técnicos y obreros pudieran construir
un prototipo de la máquina. Los ingenieros tenían la respon¬
sabilidad de supervisar la construcción de dicho protipo. Ha-
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PROTOTIPO
liaron, durante el período de construcción, que era necesario
hacer algunas modificaciones a su diseño original. Cuando el
modelo estuvo terminado, supervisaron las pruebas de la má¬
quina y se establecieron modificaciones adicionales del diseño
como resultado de tales pruebas de producción. Finalmente,
después de un largo período de pruebas y perfeccionamientos,
se consideró lista la máquina propuesta. Las especificaciones
(
FIGURA 6. Página de les apuntes
de uno de los ingenieros del
equipo de diseño, que muestra
mediante las figuras trazadas las
diversas alternativas, comienzos en
fabo, reuniones, detalles, pasos del
procedimiento y las comunicaciones
que intervienen en el desarrollo
de la máquina mostrada en la
FIGURA 5. (Cortesía de
Western Electric Company.)
(
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(
ingeniería en acción / 1918 / problemas de ingeniería
Uno de los proyectos consiste en desarrollar un convertidor
que pueda utilizarse en casa. El ingeniero encargado de tal
proyecto evalúa actualmente un prototipo (Fig. 7). Su diseño
tiene una gran ventaja: además de desalar el agua, la puri¬
fica. Lo que entra al sistema es' agua salada o con impurezas
.dé otra clase; la que sale es agua desmineralizada y pasteuri-
zada. Por. lo tanto. Ital convertidor será útil en las casas, en
pequeños establecimientos comerciales, en pequeñas unidades
militares en campaña, y a bordo de embarcaciones. ¡Es eíi
y sencillo,ÿrequiere muy poco mantenimiento o atención y no
necesita agua hirviente o un tanque o recipiente a presión.
Comentario.. |E1 hallar un método para convertir el agua
de mar o salada en agua dulce no es el problema! la destila¬
ción. se conoce desde hace siglos. |;El problema es encontrar
un medio para transformar grandes cantidadeside dicha agua
salada en agua útil a un costo aceptable para un número im¬
portante de compradores en potencia.
El desarrollo de ese convertidor estuvo basado parcialmen¬
te en los conocimientos técnicos y científicos del ingeniero (es
decir, aplicó lo que había aprendido en sus cursos de física
y química), y parte en su capacidad inventiva. No pudo
haber desarrollado tal máquina sin entender los fenómenos de
evaporación y condensación, el comportamiento de delgadas
capas o películas de líquido, los procesos térmicos, y otros
hechos científicos. Sin embargo, estos conocimientos por sí so¬
los no hubieran bastado para producir el aparato creado. I.a
idea de los discos rotatorios intercalados entre placas conden¬
sadoras estacionarias, la configuración particular de ésta y otras
características únicas del mecanismo, son productos del proceso
llamado invención. Tales cosas no se hallarán en manuales o
i textos, sino que son fruto de los poderes creativos de la mente.
Cierta cantidad de trabajo y talento de ingeniería se aplicó
a esta máquina. Se evaluaron muchos sistemas diferentes de
conversión; se emplearon horas y horas en pruebas, y fue
necesaria una investigación considerable. El resultado de este
extenso proceso de desarrollo fue un dispositivo muy bien
realizado técnicamente, que tendrá éxito financiero y será va¬
lioso como medio de servicio público.
¿Por qué fue necesario este intenso trabajo de ingeniería?
El dispositivo parece muy sencillo. Y en realidad lo es, pero
tal sencillez es engañosa. Induce a subestimar el esfuerzo, el
ingenio, el trabajo analítico y la investigación que se aplica¬
ron a su creación. Si todo esto no hubiese sido puesto en él,
el resultado probablemente sería más complicado y, en conse¬
cuencia, más impresionante a la vista de los profanos, pero no
más eficaz. De hecho, la versión más complicada sería más
completas del modelo prototipo, en su versión final, fueron
elaboradas por los dibujantes, de manera que pudieran cons¬
truirse otras máquinas iguales. Como resultado, el interruptor
más efectivo quedó disponible para uso general a razón de
muchos millones de piezas por año (Fig. 6).
No obstante, ¡a tarea no había terminado aún. Los inge¬
nieros siguieron trabajando sobre su creación, observando su
funcionamiento, recomendando los cambios de oiseño apropia- •
dos y evaluando el producto de su ingenio, de modo que otros
proyectos pudieran beneficiarse con su experiencia
máquina.
Desalador doméstico dé agua. Como resultado de la dis¬
minución del caudal disponible de agua dulce y del rápido
crecimiento efe la demanda He ésta,(el problema de suministrar
.cantidades suficientes de agua potable ha llegado a ser impe¬
rioso., El desarrollo de fuentes económicas de agua potable
es un problema de ingeniería cuya importancia es de gran
alcance.
Fuentes prometedoras de agua dulce son el mar y los man¬
tos subterráneos de agua salobre situados en muchas regiones
del mundo. Anticipándose en esa actividad a las oportunidades
tanto comerciales como humanas o de servicio a la población,
la (General Electric Company está desarrollando un
para convertir dicha agua salada en agua dulce.|Lo
tiene gran importancia para los consumidores de agua dulce
municipales, industriales, militares y domésticos del mundo.
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FIGURA 7. Apáralo doméstico
para desalar
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sobre las canaletas
(Cortesía de General Electric
Company.)
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Agua salada
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20 / problemas de ingeniería
ingeniería en acción / 21
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susceptible de fallas, de mayor costo de fabricación y, quizá,
de precio demasiado alto para su venta.
Puente-túnel de la Bahía de Chesapeake. |Una notable
obra de ingeniería es la estructura de 29 kilómetros que se
extiende a través de la Bahía de Chesapeake (Figs. 8 y 9). Es
el paso fijo de cruce de mar navegable de mayor longitud
construido porJel hombre. Esta estructura, (cuyo costo fue de
140 millones de dólares] es una combinación de caballetes o
armaduras transversales, puentes y túneles que soportan un
gran tránsito de vehículos y resisten el embate de las olas y
las mareas.
Comentario. Como sucede con frecuencia, esa obra fue
diseñada por’una firma de ingenieros consultores cuyo negocio
consiste en proyectar este tipo de estructuras. Dicha firma fue
encargada de seleccionar el sitio de la obra, diseñar la estruc¬
tura y supervisar su construcción. Se impuso una restricción
no usual a la naturaleza de la obra mencionada, a saber, no
debería pasar sobre los principales canales de navegación, por¬
que un puente u obra semejante podría ser bombardeado y
de'jar atrapados en la bahía a los barcos de la Armada de
los Estados Unidos. Por consiguiente, era necesario construir
pasos por debajo de los canales, empleando túneles subma¬
rinos de tres kilómetros de longitud, en sitios en donde en
circunstancias ordinarias se hubieran construido puentes.
Un punto que vale la pena destacar es la cuidadosa aten¬
ción que los ingenieros deben dar a los medios para construir
sus obras. De hecho, especialmente en casos como éste, los
procedimientos de construcción son una parte de tanta impor¬
tancia en el problema como lo es el diseño de la estructura
misma. Después de examinar las figuras 10 a 14, en sucesión,
se verá claramente lo que eso significa.
Los pilotesde apoyo de los caballetes, las piezas transver¬
sales, las losas de la calzada o carretera, las secciones de tú¬
neles y otros componentes se prefabricaron por métodos de
producción en masa en tierra firme, donde la construcción
puede efectuarse ron menos dificultad y a menor costo. El
empleo de componentes prefabricados es un método de cons¬
trucción que obviamente afecta las características de la propia
estructura. Aquí, como en la mayor parte de los problemas de
ingeniería, existe una fuerte interdependencia entre las carac¬
terísticas físicas de una estructura y los medios para construir¬
la; cada elemento afecta significativamente al otro. Además, el
diseño de equipo especial de construcción, tal como el “mons¬
truo de dos cabezas”, fue parte muy importante del problema.
En este proyecto, el costo del equipo y la mano de obra re¬
queridos para preparar, transportar y colocar en su sitio la
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32 / problemas de ingeniería ingeniería en acción / 33
piedra, el concreto u hormigón, la arena y el acero alcanzó
un valor de muchos millones de dólares. (La inversión en el
equipo de construcción empleado en esta obra, fue aproxima¬
damente de 15 millones de dólares.) Por tanto, la factibilidad
económica de una empresa como ésta depende en gran parte k
de la capacidad y habilidad de los ingenieros para diseñar
una estructura que reduzca al mínimo el rosto He su cons-
trucrión y que satisfaga, a la vez, todos los requisitos funcio¬
nales, y para idear métodos económicos para lograr su rca-
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años un grupo de¡siete ingenieros de diseño ha estado des¬
arrollando un nuevo tipo de aeroplano llamado VTOLj (del
inglés Vertical Take-Off and Landing, es decir, un aeroplano
de despegue y aterrizaje verticales). Los resultados de sus tra¬
bajos se muestran en las Figs. 15 a 20.
Comentario. Ese grupo de diseño ftenia que desarrollar un
aeroplano que tuviese suficiente empuje (o fuerza propulsiva)
para ascender verticalmcnte y después desplazarse horizontal¬
mente a velocidades competitivas, sin llegar al caso de tener
un avión que prácticamente fuera puro motor. Otro desafio
a su ingenio provenia del hecho de que en la posición estacio¬
naria de vuelo el aparato tiende a inclinarse y los vientos
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FIGURA 16. Avión VTOL
volando en posición estacionaria.
Este aparato puede moverse
verticalmente hacia arriba o hacia
abajo, o bien desplazarse como un
helicóptero utilizando las tres
hélices de levantamiento, una en
cada ala y la tercera en la proa.
Una vez en el aire se cambia la
inclinación de las aulas tipo
persiana situadas bajo los
ventiladores de ala, de manera que
Se desvíe hacia atrás ¡a corriente
de aire de las hélices, produciendo
así una aceleración horizontal.
Cuando la velocidad de la aeronave
es suficiente para el vuelo
aerodinámico normal con
sustentación por las alas, se cierran
las guías de persiana y la nave
vuela como un aeroplano de
reacción ordinario, de alta
velocidad, a unos 800 kilómetros
(500 millas) por hora como
velocidad de travesía. Las hélices
son impulsadas por los mismos dos
motores de reacción que propulsan
al aeroplano en su vuelo
horizontal. (Fotos de! avión
VTOL por cortesía de Ryan
Aeronautical Company)
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36 / problemas de ingeniería algunas generalizaciones / 37
(
transversales tienden a desplazarlo de su posición horizontal.
Por lo tanto, se necesitaba un sistema complicado para man¬
tener la estabilidad del avión. En el diseño del aeroplano
VTOL los problemas de estabilidad son de los más arduos,
pues requieren mucha destreza matemática y el frecuente
empleo de computadoras.
El equipo de ingenieros debía experimentar con modelos
de diversas clases (Figs. 18 y 19). Por consiguiente, entre otras
cosas, lo anterior significa que tenían que ser expertos en ins¬
trumentación, experimentación e interpretación de datos.
Por curioso que parezca, aun cuando este proyecto se ha
realizado hasta el punto en que los modelos de trabajo se han
probado en vuelo durante muchas horas, la compañía fabri-
cánte no tiene todavía un comprador definido par
nave. El Ejército de los Estados Unidos ha financiado el
proyecto, pero la compañía no tiene ninguna garantía de que
venderá algún día un aparato VTOL. Lo que tal empresa
recibirá en el futuro por sus esfuerzos depende de lo bien que
realicen su trabajo los siete ingenieros, y de los diseños que
obtengan las compañías competidoras.
Empresas arriesgadas como ésta son cada vez más frecuen¬
tes. Una compañía vislumbra una oportunidad distante en al¬
gún tipo de creación o producto de la ingeniería, que en el
presente esté considerablemente más allá de las posibilidades
técnicas. Comienza luego a desarrollar su competencia técni-
el área asignando un equipo de ingenieros al diseño de
uno o más modelos experimentales, como fue el caso del
VTOL. Los trabajos de desarrollo son financiados a veces por
organismos militares o de otra clase; en ocasiones la propia
compañía costea tales trabajos con la esperanza de que la
inversión efectuada lleve algún día a la obtención de contra¬
tos provechosos. A menudo, una empresa lleva a cabo tales
proyectos paralelamente con compañías competidoras, origi¬
nando así las cada vez más frecuentes “grandes competencias
de ingeniería” que se ven en los últimos años. Ejemplos: el
avión supersónico de transporte, el avión a reacción “Jumbo”,
el satélite de telecomunicaciones y el sistema de control de
tránsito por computadora para grandes ciudades. En cada
ejemplo varias empresas están en competencia técnica, que
esperan que finalmente les reditúe beneficios. Esto añade un
elemento que incita y causa incertidumbre en el proyecto a
los ingenieros participantes.
o carencia que indudablemente puede satisfacerse mediante
un dispositivo físico, una estructura o un proceso. En esta
etapa es probable que las cosas sean vagas o confusas. Por
ejemplo, la gerencia de una compañía fabricante de automó¬
viles ha decidido que debe prepararse para ofrecer en el
mercado un automóvil eléctrico, a fin de no quedar a la zaga
de sus competidores. Su cuerpo de ingenieros tiene ya su co¬
metido. En términos generales, !a gerencia de la empresa ha
especificado las características deseadas del nuevo producto,
tales como la variedad aproximada de precios y la potencia
nominal. La tarea restante consiste en diseñar un vehículo que
satisfaga las condiciones de funcionamiento dadas. Esto es tí¬
pico de los trabajos de ingeniería que se asignan. A un inge¬
niero se le indica la función o propósito general que debe rea¬
lizarse y, quizá, algunos requisitos vagamente especificados y
preferencias para una solución. Tales especificaciones o con¬
diciones funcionales suelen ser seleccionadas por sus superio¬
res o por el cliente, frecuentemente en colaboración con el
ingeniero. Por tanto, la tarea primordial de éste es traducir
vago enunciado de lo que se requiere, en un conjunto de
especificaciones concretas de un medio satisfactorio para al¬
canzar el objetivo propuesto.
Invariablemente hay numerosas formas de lograr el pro¬
pósito especificado, muchas de las cuales, si no es que la ma¬
yoría, son desconocidas para el ingeniero al principio de su
proyecto. A él le corresponde descubrir y explorar un cierto
número de posibilidades. Los conocimientos que ha adquirido
por su preparación y experiencia son una fuente importante.
pero no la única de tales soluciones; también tiene que em¬
plear su ingenio. Al evaluar las diversas posibilidades debe
confiar excesivamente en su juicio o criterio personal, el que
utiliza en vez de efectuar una investigación exhaustiva de todas
las alternativas (algo que obviamente no tiene tiempo de rea¬
lizar) . El juicio o criterio personal, que se adquiere con la
experiencia, es un exigente aspecto del trabajo diario de
ingeniero. La capacidad creativa necesaria para inventar solu¬
ciones, y el criterio utilizado en su evaluación, significan que
la práctica de la ingeniería tiene más de arte que lo que el
lector podría haber supuesto.
En casi todo proyecto de ingeniería hay un aire de ur¬
gencia. A menudo se fija una fecha límite para obtener una
solución, y usualmente hay presiones que urgen a tener resul¬
tados tan pronto como sea posible. En consecuencia, el inge¬
niero, por lo general, debe recomendar una solución mucho
antes que haya tenido tiempo de descubrir todas las posibi¬
lidades.
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ALGUNAS GENERALIZACIONES
( Un ingeniero es un solucionador de problemas. Por lo co¬
mún bu problema principia al darse cuenta de una necesidad
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(
38 / problemas de ingeniería algunas generalizaciones / 39
(
El grado en que intervienen consideraciones económicas en incapacidad de mantener relaciones personales satisfactorias
los trabajos de ingeniería difícilmente puede ser exagerado. Si puede llegar á ser un severo obstáculo para el éxito de un
la sociedad ha de beneficiarse con las creaciones de un inge- ¡ngeniero. ~
niero, éstas deben ser soluciones que los usuarios a quienes se . jÿas relaciones humanas de un ingeniero.no terminan aquí.
destinan puedan adquirir. Además, una.empresa privada no yna parte importante de su trabajo consiste en. descuhrir y
inicia una aventura que no tenga una prometedora posibili- evaluar necesidades humanas; por ejemplo, la necesidad de
dad de rendir un atractivo rédito a la inversión. En los orga¬
nismos de servicio público se requiere también un valor satis¬
factorio de la razón de beneficio a costo. Aun cuando una
solución lograda por un ingeniero pueda desempeñar admira¬
blemente la función propuesta, tal solución se desechará si no
produce una ganancia neta al negocio o a la sociedad. En .
consecuencia, el ingeniero debe tener un marcado interés en.los
costos: el costo de desarrollar, y el de realizar y el de utilizar
J
(
nuevas fuentes de agua dulce o potable, y los tipos, capacida¬
des y. cantidades ,de purificadorés de agua que se requieran.
Además, debe tener interés en la aceptación de sus soluciones
por el público y, por lo tanto, debe familiarizarse cotí elmodo
en que la gente utilizará sus obras, la forma en que reaccio¬
nará ante ellas y las características preferidas por los usuarios
potenciales. También es de su responsabilidad prever e inte¬
resarse en los efectos- de sus-obras o-creaciones sobre la gente,'
a gran escala; por ejemplo, la influencia del puente-túnel en
la vida de la población que lo utilizará.Así, pues, el ingeniero
está fuertemente comprometido con las necesidades sociales,
así como con la aceptación y efectos de sus obras.
Su relación con la gente y con los asuntos económicos
(
{
su solución.
A un ingeniero debe interesarle la productibilidad de sus .
creaciones, tanto desde un punto de vista técnico (¿puede
hacerse realmente?), como económico (¿podrá hacerse a un
costo admisible?). Los proyectistas del puente-túnel de la Ba¬
hía de Chesapeake consideraron cuidadosamente los efectos de significa que una gran parte de sus problemas no son técnicos
diferentes rutas y características estructurales posibles sobre - (pero ciertamente no son más fáciles), más de lo que cree la
el costo de construcción de la obra. De manera similar, se es- gente común. (Quizá convenga que el lector tenga presente
pera que el proyectista del diagnosticador especifique un dis- esto; ¡e ayudará a entender por qué debe cursar un cierto
positivo que pueda fabricarse en grandes cantidades a un “
precio admisible para el comprador en potencia y que propor- t
cione utilidades a la compañía.
En la mayor parte de los problemas de ingeniería hay
objetivos o metas conflictivas. Tal vez el fabricante de auto¬
móviles quisiera que su auto eléctrico fuese cómodo, seguro, avión VTOL. Tal hecho es, probablemente, el motivo de un
potente, ligero y de bajo costo, y que tuviera además gran concepto erróneo común acerca de la ingeniería. Como el
capacidad de carga, pero no podría obtener todo esto. El auto resultado del trabajo de un ingeniero es un dispositivo, una
no puede ser el mejor en todos esos aspectos. Si el proyectista ? estructura, una máquina o un mecanismo, la gente cree que
hace todo lo posible para obtener la velocidad y potencia má- l los ingenieros pasan la mayor parte de su tiempo trabajando
ximas, tendrá que sacrificar algunas otras cosas, probablemen- | en esas cosas, como un mecánico, un reparador de televisores
te en comodidad, precio y capacidad. Y así sucedería también > o un técnico de laboratorio. Pero éste no es, generalmente, el
si tratase de hacer de su diseño lo último en lo referente a > caso. Un ingeniero suele realizar la mayor parte de la reso-
cualquier característica de funcionamiento. Al final, el inge- lución de problemas con trabajo abstracto. Trabaja mucho
niero tendrá que hallar el mejor balance entre los criterios [ más con información (es decir, examinando hechos y obser-
en conflicto. Esto no es tarea fácil. , vaciones, calculando, pensando y comunicando ideas) que con
La comunicación o contacto con la gente requiere la ma- ¡ cosas u objetos tangibles. Además, los técnicos son usualmente
yor cantidad del tiempo de trabajo de un ingeniero, mientras i los encargados de construir los prototipos de las obras
que el estar sentado ante su mesa o tablero de dibujo le con- i dones del ingeniero cuando es necesario, de manera que éste
tiempo mucho menor de lo que generalmente se tiene pocas ocasiones de “trabajar con las manos”. Así, pues,
el trabajo en ingeniería es muy diferente de lo que cree la
mayoría de la gente. Y, lo que es más importante, un joven
a quien le guste desarmar automóviles, construir
aparatos electrónicos o jugar con substancias químicas, proba-
(
(
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número de materias no técnicas.)
En general, el resultado del trabajo de un ingeniero es
algo tangible: un aparato físico, una estructura o tin proceso,
como lo ilustran el diagnosticador, el desalador de agua, la -
máquina productora de interruptores, el puente-túnel y el
(i
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(
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(o crea-
sume un
piensa. Una sorprendente proporción de su tiempo se emplea
haciendo consultas, dando instrucciones, contestando pregun¬
tas, proporcionando consejos o recomendaciones, intercam¬
biando ideas y buscando aprobación. Consecuentemente, la
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40 / problemas de ingeniería algunas generalizaciones / 41
blemente no tendrá más éxito o hallará más satisfacciones err
el trabajo de ingeniería que otra persona sin esas inclinaciones
innatas.
La mayor parte de las obras de ingeniería descritas én este|
libro son sistemas complejos, en vista de los miles de compo- '?•
nentes que contienen y las complicadas intérrelaciones exis- f
tentes entre éstos. Como consecuencia de tal complejidad, que
es bastante típica de los trabajos de ingeniería actuales, y de 4. En i.asi todos ¡es casos un ingeniero debe proponer una
la amplia variedad de clases de conocimientos que se requie- '
ren para los proyectos, muchos probiemas.de ingeniería son -
manejados por equipos de ingenieros de diversas especialida, v
.1des. El caso en que un solo ingeniero diseña completamente .1 ' . ¿qué sacrificios deberán hacerse?, ¿qué tendrá que aban-
aparato o estructura, es cada vez más raro (y tal individuo \ donar y que a un perfeccionista le agradaría no omitir?)
muy raramente está recién egresado de la escuela de ingenie- > 5, Descríbase un proyecto de ingeniería, siguiendo en el
ría). Por ejemplo, intervienen cientos de ingenieros en el di- ¿ mayor grado posible los estudios de los casos presentados
seño de una nave espacial, que se dividen en equipos: uno en este capítulo. Deberán incluirse cosas tales como las
encargado de diseñar el subsistema de propulsión, otro del : circunstancias que originaron el proyecto, los problemas
subsistema de dirección o guía, y asi sucesivamente para mm ?. difíciles o poco comunes que se encontraron, el resultado
chos subsistemas más. s final y los beneficios consiguientes. Proyectos que pueden
A medida que se vean y se lea acerca de obras de ingeniería elegirse: cambio de lugar del templo de Abu Simbel
notables, y a menudo asombrosas, se llega a la conclusión de (por la construcción de la presa de Asuán, en Egipto) ;
que no todo el trabajo de ingeniería que está detrás de ellas ; laminador de alta velocidad, controlado automáticamen-
es desafiante y refinado. Una cierta cantidad de ese trabajo te, para la fabricación de láminas o planchas de acero;
carece de atractivo alguno y es una actividad tediosa y car- sistema de tránsito rápido para el área de la bahía de San
gada de detalles, pero este tipo de trabajo se halla en la Francisco; sistema de reservación de asientos basado en
ingeniería y en cualquier otra ocupación. Por supuesto, los computadoras; en líneas de aerotransporte; el avión a
dibujantes y los técnicos libran al ingeniero de una parte de reacción “Jumbo”; los satélites de comunicaciones “In-
esa tarea. Asimismo, las computadoras realizan, cada vez más, telsat”; una planta de energía nuclear; el puente de Ve-
muchos de los cálculos repetidos o rutinarios que anterior- rrazano-Narrows.
mente tenían que hacer “a mano” los ingenieros, pero no es
posible escapar completamente de esas labores.
(En la página 223 pueden hallarse obras de referencia
para éste y otros capítulos, cuya lectura se sugiere).
yeito, para llegar a la solución. (Por ejemplo, en la ma¬
yoría de los casos el proyectista tiene que resolver el con¬
flicto, maximizar el número y la efectividad de las
. funciones que realizará el dispositivo y minimizar su costo
' de fabricación.) Para este fin se podríá elegir una cámara
fotográfica, un aparato doméstico o una herramienta
eléctrica.(
solución a un problema en un lapso bastante limitado.
¿Cuáles imagina usted que sean las consecuencias de esta
restricción? (Por ejemplo, ¿de qué puede echar mano?,
(
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(
(
( Ejercicios
1. Tómense tres problemas usuales del hogar, de la escuela
o de otro lado, y defínanse en función de los estados
Ay B.
2. ¿Qué supone usted que hace un ingeniero cuando debe
resolver un problema y no hay teoría científica sobre la
que pueda basar su solución?
3. Considérese un dispositivo o un estructura comunes, e in¬
téntese descubrir algunos de los objetivos conflictivos que j
probablemente haya tenido que afrontar quien los pro-
(
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I (
3CAPITULO
í
i
Los orígenes de
la ingeniería moderna
(
(
EL HOMBRE siempre ha dedicado mucho trabajo al desarrollo
de dispositivos y estructurasque hagan más útiles los recursos
naturales. Inventó el arado para hacer que el suelo fuera más
'(
(
i productivo y pudiera rendir más alimentos; la sierra, para
• transformar la madera del árbol en objetos útiles; el molino
í de viento, para convertir en trabajo útil ias fuerzas de los vien¬
tos; la máquina de vapor, para transformar en trabajo mecá¬
nico la energía latente de los combustibles. Estos y miles de
otros aparatos, máquinas y estructuras,
de una incesante búsqueda. En los primeros tiempos, a medida
que las diversas ocupaciones iban desarrollándose, aparecieron,
i junto con los sacerdotes, médicos y maestros, los expertos de-
; dicados a crear los dispositivos y obras mencionados. A esos
- primitivos ingenieros se debe la creación de armas, fortifica-
: ciones, caminos, puentes, barcos y otras obras y artefactos. Su
* actividad puede rastrearse fácilmente hasta la época de los
antiguos imperios, y las evidencias de sus notables obras per-
| sisten todavía, especialmente las calzadas, acueductos y obras
de defensa construidas por los romanos.
Tales hombres fueron los predecesores del ingeniero de la
| era moderna. La diferencia más significativa entre aquellos
!; antiguos ingenieros y los de nuestros días, es el conocimiento
; en que se basan sus obras. Los primitivos ingenieros diseñaban
puentes, máquinas y otras obras de importancia sobre la base
de un conocimiento práctico o empírico, el sentido común, la
j experimentación y la inventiva personal. El “saber hacer” era
una acumulación de experiencias adquiridas principalmente
i por medio del sistema del aprendizaje, y a la cual contribuía
; “da individuo. En contraste con los ingenieros de nuestros
| días, los antiguos practicantes carecían casi por completo del
conocimiento de la ciencia, lo que es explicable: la ciencia
prácticamente no existía.
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son los resultados
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43
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los orígenes de la ingeniería / 4544 / los orígenes de la ingeniería
En el siglo xtx los ingenieros se dieron cuenta de la poten-La ingeniería permaneció, esencialmente, en ese estado du¬
rante mucho siglos. En el Renacimiento el nivel de refina- cjal¡dad que este cuerpo creciente de conocimientos científicos
miento aumentó, pero aún durante el período del desarrollo , ofrecía para la resolución de los problemas prácticos de la
de la maquina de vapor, en el siglo xvm, los creadores de humanidad, y comenzaron a aprovecharlo. Con este cambio
máquinas y estructuras se apoyaban muy poco en la ciencia: tan importante, como es el extenso empleo de los principios
La evolución de la máquina de vapor ilustra el estado de la científicos para la resolución de problemas, la ingeniería an¬
ingeniería en.ese lapso (Fig. 1) . La máquina de vapor, pateu- tigua evolucionó hasta su forma moderna.
tada en 1769 por James Watt, fue una de la serie de máquinas Si se supone que la ingeniería contemporánea, es simple-
cada vez mejores que se inició, aproximadamente, un siglo mente una extensión de la ciencia, como consideran erró-
antes. Watt hizo una importante mejora que incrementó en neamenté algunos autores, no se percata uno de un punto
gran medida la eficiencia (o rendimiento) de la máquina de muy importante y se tiene una falsa imagen de la profesión.
vapor, y condujo finalmente a su extensa utilización: En la Los ingenieros ya existían mucho antes de que hubiera un
máquina de Newcomen, antecesora de la de Watt, el vapor cuerpo o conjunto significativoÿconocimientos científicos, y -
que movía el émbolo se condensaba en el cilindro misitio. Esto fungían entonces, igual que en la actualidad, como los ex¬
limitaba en alto grado la eficiencia, porque en la carrera Frtos de
,a sociedad Para la creación de sus más ampkjai
ascendente convenía que el cilindro estuviera caliente, mien- obras: aparatos, maquinas, construcciones y procesos. Poste¬
tras que en la descendente era mejor que estuviese frío. En las riormente
el más amplio conocimiento humano del mundo
circunstancias existentes no había ni lo uno ni lo otro. Wat, ««> produjo un significativo cambio en este campo La in¬
geniería de nuestros días se enfrenta esencialmente a los mis-
a de
Papin
en 1690
Idei
PaVapor
11—
Cilindro
y émbolo
iociado de
agua Iría1a( a de¿averyen 1698f.
( Condensación
del vapor
rodL_..
vacio
ucirpara p
(
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añadió una cámara de condensación separada, y tal cambio , , , ,
constituyó una importante ventaja. (Por supuesto, en vista del llP0S
de Poemas, pero la cenca se utiliza, ahora en
tiempo que ha pasado, esta mejora actualmente parece simple
forma amP1,a en la alucón de tales problemas. Obsérvese,
,r. r ,, , - i ti 11 i • i sin embargo, que la capacidad inventiva, el criterio expen-y obvia, pero tardo muchos anos el llegar a ella en el siglo , , - , . ’ . • f ,7 ’ r , , , ., , , mentado y los conocimientos empíricos ayudan mucho todavíaxvm.) ror lo tanto, la evolución de esta maquina esta mar- . • , , , , • . ,7 ... i • r J a solucionar los problemas de ingeniería.
cada por una sene de mventos acumulados realizado, por un cerfano leHsrno entre la evoluc¡ón de ,a ¡
muchos hombres. Cada uno se baso en su ingenio, en las niería ,a dp ja medicina Los esperialistas en ,a curación
aportaciones de sus predecesores y en la exploración por tan- de cnfenncdadcs han evolucionado desde muy remotas
teo, a veces durante períodos de anos o decadas Tales m- épccas Los predecesores de los médicos de hoy practicaron
genieros no sabían nada acerca de la actividad molecular, las durante muchos s¡glos ,0 que era esencialmente un arte; no
relaciones cuantitativas entre la temperatura y la presión del habia ningún ruerpo de conocimientos científicos en qué
vapor y muchos otros hechos científicos. f fiar. En tiempos relativamente recientes la bacteriología, la
í fisiología y otras ciencias biológicas se desarrollaron hasta for¬
mar un cúmulo considerable de conocimientos científicos, y
frieron impedimentos en su trabajo, puesto que teman poco ’ los méd¡cos comenzaron a aplicarlos en el tratamiento de los
conocimiento de la ciencia, situación que existió hasta tiempos problemas de la salud.
relativamente recientes, lodo esto ha cambiado. En el siglo por consiguiente, los médicos y los ingenieros son especia-
pasado y en lo que va del presente, el conocimiento cientí- j¡stas en resolución de problemas; sus orígenes se encuentran
fico ha florecido con una inmensa acumulación de información. en las profundidades de la historia, y son ellos quienes final-
E1 conocimiento humano de la estructura de la materia, los mente, y en forma lógica, han asumido la responsabilidad de
fenómenos electromagnéticos, los elementos químicos y sus aplicar un cierto conjunto de conocimientos científicos. Siem- Ellos hacen lo 9ue deben
relaciones, las leyes del movimiento, los procesos de transmisión pre han estado orientados hacia la resolución de problemas, y hacer;
de energía y muchos otros aspectos del mundo físico, ha au- lo están aún. Su motivo primordial es resQlver el problema emplean la Ciencia cuando
mentado enormemente. Mucho de lo que se enseña ahora en que tengan a mano. Si por casualidad se enfrentan con un es opÿcable,
los cursos de física de secundaria y preparatoria, era deseo- ¡ problema para el cual el conocimiento científico no da solu- 'ntu¡ción cuando es útil,
nocido cuando Watt desarrolló su máquina de vapor y, no ción, de todos modos intentarán resolverlo. (¡Un cirujano
obstante, el contenido de esos cursos es sólo una fracción de i se apartará de un paciente en la mesa de operaciones si en-
lo que se sabe en la actualidad. cuentra una situación para la cual la ciencia no le dice qué
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La ingeniería actual. Los ingenieros de la antigüedad su-
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tanteo cuando es necesario.
Charles L. Best
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los orígenes de la ingeniería / 4746 / los orígenes de la ingeniería I <
tiene que hacer!) E! médico y elingeniero tienen un trabajoi
que realizar, y llegarán a lajolución de un problema mediante '
la experimentación, el sentido común, el ingenio, o quizá otros
medios, si los conocimientos científicos de la época no cubren*.
la situación que se presente. Asi pues, el ingeniero no existe1 •
solamente para ¡a aplicación de la ciencia, sino que existe para 5* •
resolver problemas, y en tal acción utiliza los conocimientos
científicos disponibles. í
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Diferenciación, entre la ciencia y la ingeniería. Es difí-
cil lograr una plena apreciación del papel que desempeña laj_
ingeniería si no se comprende la diferencia -básica entre la cien- . -
cia y la ingeniería. Estas difieren en los procesos básicos carne. "
ténsticos de cadá~una (investigación versus diseño), los obje¬
tivos de interés que tienen día a día, y el producto find
primario (conocimiento versus obras y aparatos físicos).
La ciencia es un cuerpo de conocimientos; es específica-'.
mente el conocimiento humano acumulado de la naturaleza.'
Los científicos encaminan sus trabajos primordialmente a
mejorar y ampliar tal conocimiento. Buscan explicaciones úti- L
les, clasificaciones y medios dé predecir los fenómenos natu-'
rales. En la búsqueda de nuevos conocimientos, el hombre de;
ciencia se embarca en un proceso llamado investigación, y en f
este empeño consagra mucho de su tiempo a las siguientes
actividades. V
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FIGURA 2. Rile es, sin duda, el mayor
radiotelescopio del mundo. Es un
reflector de malla de alambre sostenido
por una oquedad natural de las montañas
de Puerto Rico. IMS señales de radar
originan en un transmisor movible y
se reflejan hacia el espacio ultraterrestre.
Dichas señales rebotan en los planetas y
estrellas, y retoman como ecos, que
en¡ocados por el reflector sobre el
receptor. Tales ecos son analizados luego
por los científicos para obtener nuevos
conocimientos sobre el Universo. Este es
un notable ejemplo de una obra de
ingeniería que la prensa llama
comúnmente una proeza científica. En
realidad, esta obra es un instrumento
científico empleado en radioastronomía,
cuyo diseño y construcción son verdaderas
proezas de la ingeniería. Turrón ingenieros
quienes determinaron el sitio para este
radiotelescopio: ellos lo proyectaron y,
de hecho, fue un ingeniero el que
concibió la idea básica. Se menciona
esto no porque tos científicos y los
ingenieros se disputen el crédito de la
obra, sino porque los tipos de trabajo
comprendidos en el diseño y utilización
de este instrumento son completamente
diferentes, lo cual es importante pata los
jóvenes que planean sus carreras.
(Cortesía del
factos mediante el proceso creativo llamado diseño (en con¬
traste con la actividad principa! del científico: la investiga¬
ción). Algunos de los intereses primarios del ingeniero, a
medida que realiza ese proceso, son la factibilidad económica,
la seguridad para la vida humana, la aceptación del público
y la manufacturab'ilidad de sus obras. Por el contrario, los
intereses primordiales de un hombre de ciencia, cuando de¬
sempeña sus funciones, son la validez de sus teorías, la repro-
ductibilidad de sus experimentos y lo adecuado de sus métodos
para observar los fenómenos naturales.
La formulación de los principios de la inducción electro¬
magnética que llevó a cabo Faraday, fue una aportación a
la ciencia. El empleo de ese conocimiento en el diseño de
generadores eléctricos es ingeniería. Cuando el hombre descu¬
brió y entendió la fisión nuclear en los años 30 de este siglo, se
logró un importante descubrimiento científico. La aplicación
de tal conocimiento en el diseño de reactores nucleares útiles
es ingeniería. Lo anterior no quiere decir que personas que
esencialmente son científicos nunca proyecten instrumentos o
resuelvan problemas, o que personas que llamaríamos inge¬
nieros no realicen ninguna investigación en la búsqueda de
•Formulación de hipótesis para explicar los fenómenos na- p:
turales.
•Obtención de datos con los cuales poner a prueba las teorías|
formuladas.
•Concepción, planeamiento, preparación y ejecución de ex¬
perimentos.
•Análisis de observaciones y' deducción de conclusiones.
•Intentos de describir los fenómenos naturales en el lenguaje
de las matemáticas.
•Intento de generalizar lo que se ha aprendido.
•Comunicación de sus descubrimientos por medio de artículos
y publicaciones diversas.
(
“ (
son
(
1Los científicos exploran lo
que es y los ingenieros crean
lo que nunca ha sido.
Theodore von Kármán
(
El objetivo primario del hombre de ciencia es el conoci¬
miento como un fin en sí mismo.
En contraste, el producto final del trabajo de un ingeniero
es usualmente un dispositivo físico, una estructura o un pro¬
ceso. Sin ninguna duda, el giróscopo, el satélite meteorológico,
el radiotelescopio, el electrocardiógrafo, la planta de energía
nuclear, la computadora electrónica y el riñón artificial, sos
productos de la ingeniería. El ingeniero desarrolla estos arte-
(
Cornell Center for
Radiophysics and Space Research.)
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48 / los orígenes de la ingeniería los orígenes de la ingeniería / 49
(
las soluciones a sus problemas. La clave de la diferenciación
es saber qué es un objetivo primordial y qué es un medio para
llegar a un fin. Los ingenieros que producen medios prácticos
para convertir agua salada e impura en agua potable, emp
den una investigación destinada a obtener más conocimientos
sobre los procesos fundamentales que intervienen. Sin embar¬
go, se ocupan en tal investigación con objeto de resolver su
problema. "La meta es el desarrollo de un proceso económico
de transformación del agua. Véase la Fig. 2.
Cuando un vehículo espacial reingresa a la atmósfera te¬
rrestre a muy altas velocidades, se genera calor suficiente para
fundir cualquier metal conocido. Por tanto, fue necesario que
los ingenieros que diseñaban tales vehículos realizaran una
investigación para encontrar un material capaz de resistir el
intenso calor. El conocimiento resultante es un subproducto
de sus trabajos para producir con éxito un vehículo de rein¬
greso a la atmósfera.
Resumen. La ingeniería, como existe en la actualidad, es
principalmente el resultado de dos desarrollos históricos que
hasta mediados del siglo xrx no estaban esencialmente rela¬
cionados. Uno de ellos fue la evolución, en el transcurso de
las diversas épocas, de un especialista que desde entonces
fungió como el experto de la sociedad para la creación de
complicados dispositivos, estructuras, máquinas y otras obras.
El otro desarrollo es más reciente: el acelerado crecimiento
de los conocimientos científicos. Aunque su conjunción es re¬
lativamente reciente, ya ha producido un importante cambio
en la ingeniería. En contraste con la situación del pasado, la
ingeniería moderna comprende más ciencia y menos arte,
aunque éste está presente todavía en la forma de creatividad
y criterio personales.
2. Tarde o temprano, alguna persona le pedirá que le ex¬
plique cuál es la diferencia entre un científico y un in¬
geniero. ¿Qué diría usted en este caso?
3. Cuál sería su reacción ante esta definición: “La ingenie¬
ría es la aplicación de la ciencia”.
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Ejercicios
1. Escríbase un artículo sobre uno de los siguientes temas:
( Las aportaciones de la ingeniería durante la época
del Imperio Ropiano.
El desarrollo de la máquina de vapor por medio de la
máquina patentada por Watt en 1769.
Los puentes y acueductos de la antigua Roma.
La evolución de las fuentes de energía, desde el tra¬
bajo de esclavos hasta la energía atómica.
El desarrollo de la dínamo, a partir de los descubri¬
mientos de Faraday.
a)
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d)
c «)
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. 4CAPITULO
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ICualidades del
ingeniero competente (
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EL éXITO que e! lector llegue a tener en la ingeniería depen¬
derá principalmente del conocimiento basado en hechos que
haya