SOLUCIONES MÚLTIPLES

Observe que por la naturaleza del proceso de diseño, no hay una respuesta o solución correcta a cualquier problema de diseño. A diferencia de los problemas estructurados de “libro de texto de ingeniería”, a los que la mayoría de los estudiantes están acostumbrados, no existe una respuesta preestablecida “en el dorso del libro” para cualquier problema de diseño real.* Existen tantas soluciones potenciales como diseñadores que desean intentarlas. Algunas serán mejores que otras, pero muchas funcionarán. ¡Algunas no lo harán! No existe “una respuesta correcta” en la ingeniería de diseño, esto es lo que la hace interesante. La única manera de determinar los méritos relativos de varias soluciones potenciales de diseño es mediante un análisis profundo, el que por lo general incluirá pruebas físicas de prototipos. Como éste es un proceso muy caro, es conveniente hacer tantos análisis en papel, o en la computadora, como sea posible antes de construir el dispositivo. Donde sea factible, se deberán crear modelos matemáticos del diseño o partes de éste. Pueden adoptar muchas formas, según el tipo de sistema físico implicado. En el diseño de mecanismos y máquinas casi siempre es posible escribir las ecuaciones para la dinámica de cuerpo rígido del sistema y resolverlas en “forma cerrada” con (o sin) computadora. Tener en cuenta las deformaciones elásticas de los miembros del mecanismo o máquina en general requiere métodos más complicados que utilizan técnicas de diferencia fi nita o el método del elemento fi nito (FEM, por sus siglas en inglés).

SOLUCIONES MÚLTIPLES

 Observe que por la naturaleza del proceso de diseño, no hay una respuesta o solución correcta a cualquier problema de diseño. A diferencia de los problemas estructurados de “libro de texto de ingeniería”, a los que la mayoría de los estudiantes están acostumbrados, no existe una respuesta preestablecida “en el dorso del libro” para cualquier problema de diseño real.* Existen tantas soluciones potenciales como diseñadores que desean intentarlas. Algunas serán mejores que otras, pero muchas funcionarán. ¡Algunas no lo harán! No existe “una respuesta correcta” en la ingeniería de diseño, esto es lo que la hace interesante. La única manera de determinar los méritos relativos de varias soluciones potenciales de diseño es mediante un análisis profundo, el que por lo general incluirá pruebas físicas de prototipos. Como éste es un proceso muy caro, es conveniente hacer tantos análisis en papel, o en la computadora, como sea posible antes de construir el dispositivo. Donde sea factible, se deberán crear modelos matemáticos del diseño o partes de éste. Pueden adoptar muchas formas, según el tipo de sistema físico implicado. En el diseño de mecanismos y máquinas casi siempre es posible escribir las ecuaciones para la dinámica de cuerpo rígido del sistema y resolverlas en “forma cerrada” con (o sin) computadora. Tener en cuenta las deformaciones elásticas de los miembros del mecanismo o máquina en general requiere métodos más complicados que utilizan técnicas de diferencia finita o el método del elemento fi nito (FEM, por sus siglas en inglés).

OTROS ENFOQUES AL DISEÑO

 En años recientes se han hecho grandes esfuerzos para entender mejor la metodología y el proceso de diseño. La metodología del diseño es el estudio del proceso de diseñar. Un objetivo de esta investigación es definir el proceso de diseño con suficientes detalles, de modo que pueda ser codificado en una forma adecuada para su ejecución en una computadora, mediante “inteligencia artificial” (AI, por sus siglas en inglés).

Dixon[6] define al diseño como un estado de información, el cual puede presentarse en varias formas:

…palabras, gráficos, datos electrónicos, y/u otros. Puede ser parcial o completo. Va desde una pequeña cantidad de información altamente abstracta al inicio del proceso de diseño, hasta una cantidad muy grande de información detallada más adelante, suficiente para llevar a cabo la manufactura. Puede incluir, pero no limitarse, a información sobre el tamaño y forma, función, materiales, comercialización, desempeño simulado, procesos de manufactura, tolerancias y más. De hecho, cualquier parte y toda la información pertinente a la vida física o económica de un objeto diseñado forma parte de su diseño.

Dixon continúa describiendo varios estados de información generalizados, tales como el estado de requerimientos, que es análogo a nuestras especificaciones de diseño. La información sobre el concepto físico se conoce como el estado conceptual de la información y es el equivalente a nuestra fase de ideación. Sus estados de parámetros y de configuración sobresaliente son similares a nuestra fase de diseño detallado. Dixon define un proceso de diseño como:

La serie de actividades mediante las cuales la información sobre el objeto diseñado se cambia de un estado de información a otro.

 Diseño axiomático

N.P. Suh[7] sugiere una aproximación axiomática al diseño en la cual existen cuatro dominios: dominio

del cliente, dominio funcional, dominio físico y dominio del proceso. Éstos representan un

rango del “qué” al “cómo”; es decir, desde el estado de definir lo que el cliente desea, determinar

las funciones requeridas y la personificación física necesaria, hasta cómo un proceso alcanzará el fi n

deseado. Defi ne dos axiomas que deben ser satisfechos para lograr lo siguiente:

1. Mantener la independencia de los requerimientos funcionales.
2. Minimizar el contenido de la información.

El primero de éstos se refiere a la necesidad de crear un conjunto completo y no dependiente de especificaciones de diseño. El segundo indica que la mejor solución de diseño tendrá el menor contenido de información (esto es, la mínima complejidad). Otros se han referido a esta segunda idea como KISS (por sus siglas en inglés), que significa, con algo de crudeza, “mantenlo simple, estúpido”.

La implementación de esa aproximación al diseño tanto de Dixon como de Suh es un tanto complicada. El lector interesado debe consultar la literatura citada en la bibliografía de este capítulo para información más completa.

Producción

Por último, con sufi ciente tiempo, dinero y perseverancia, el diseño estará listo para su producción. Ésta podría consistir en la manufactura de una versión fi nal simple del diseño, pero muy probablemente signifi cará hacer miles o incluso millones de piezas de ese artefacto. El peligro, gasto y turbación de encontrar fallas en su diseño después de hacer grandes cantidades de dispositivos defectuosos deberán obligarlo a tener el mayor cuidado en los primeros pasos del proceso de diseño para garantizar que éste sea ejecutado apropiadamente.

El proceso de diseño se utiliza ampliamente en ingeniería. La ingeniería por lo general se defi ne en función de lo que un ingeniero hace, pero también en función de cómo hace el ingeniero lo que hace. La ingeniería es más un método, un enfoque, un proceso, un estado de la mente para la solución de un problema, que una actividad. El enfoque de ingeniería es el de la minuciosidad, atención al detalle y consideración de todas las posibilidades. Si bien puede parecer una contradicción en función de enfatizar la “atención al detalle”, mientras que la exaltación de las virtudes del pensamiento creativo, libre y abierto, no lo es. La dos actividades no sólo son compatibles, además son simbióticas. Al fi nal no sirve de nada tener ideas creativas y originales si no se ejecutan, o no pueden realizarse y “llevarse a la práctica”. Para hacerlo, hay que disciplinarse y sufrir los detalles engorrosos, irritantes y fatigosos que son tan necesarios para la consumación de cualquier fase del proceso creativo. Por ejemplo, para realizar un trabajo apreciable en el diseño de algo, se debe defi nir por completo el problema. Si se omite algún detalle en la defi nición, se terminará resolviendo el problema de forma equivocada. Asimismo, se debe investigar a cabalidad la información de fondo. Se deben buscar exhaustivamente soluciones conceptuales potenciales. Luego, analizar extensamente la validez de estos conceptos, y, por último, detallar el diseño elegido hasta la última tuerca y tornillo para tener la confi anza de que funcionará. Si se desea ser un buen diseñador o ingeniero, se debe disciplinar a hacer las cosas a conciencia, de una manera lógica y ordenada, incluso mientras se tienen grandes pensamientos creativos y se itera para llegar a una solución. Ambos atributos, la creatividad y la atención al detalle, son necesarios para tener éxito en el diseño de ingeniería.

Creación de prototipos y pruebas - Las pruebas

Las pruebas del modelo o prototipo pueden variar desde simplemente accionarlo y observar su funcionamiento, hasta fi jar instrumentos sufi cientes para medir con precisión sus desplazamientos, velocidades, aceleraciones, fuerzas, temperaturas y otros parámetros. Puede que se requieran pruebas en condiciones ambientales controladas tales como alta o baja temperatura o humedad. La microcomputadora ha hecho posible medir muchos fenómenos con precisión y a más bajo costo de lo que se podía hacer antes.

Creación de prototipos y pruebas - Modelos

Por último, se puede verifi car la corrección o factibilidad de cualquier diseño hasta que esté construido y probado. Esto por lo general implica la construcción de un modelo físico del prototipo. Un modelo matemático, si bien es muy útil, nunca puede ser una representación completa y precisa del sistema físico real como un modelo físico, por la necesidad de simplifi car las suposiciones. Los prototipos a menudo son muy caros, pero pueden ser la forma más económica de probar un diseño, sin tener que construir el dispositivo real de tamaño natural. Pueden adoptar muchas formas, desde modelos a escala de trabajo, hasta representaciones de tamaño natural, pero simplifi cadas, del concepto. Los modelos a escala conllevan sus propias complicaciones con respecto a la representación a la escala apropiada de los parámetros físicos. Por ejemplo, el volumen del material varía con el cubo de las dimensiones lineales, pero la superfi cie varía con el cuadrado. La transferencia de calor al ambiente puede ser proporcional al área superfi cial, mientras que la generación de calor puede ser proporcional al volumen. Así pues, la representación a escala de un sistema, hacia arriba o hacia abajo, puede conducir a un comportamiento diferente de aquel del sistema a escala completa. Se debe tener cuidado al representar a escala modelos físicos. Cuando se comience a diseñar mecanismos articulados se verá que un modelo de cartón simple con eslabones de su elección, acoplados con mariposas como pivotes, puede decir mucho sobre la calidad y carácter de los mecanismos del movimiento. Deberá adquirir el hábito de elaborar modelos articulados simples en todos sus diseños de eslabonamiento.

EL PROCESO DE DISEÑO - Ideación e invención - Diseño detallado

 Este paso en general incluye la creación de un conjunto completo de dibujos de ensamble detallados, o archivos de diseño asistido por computadora (CAD), por cada pieza utilizada en el diseño. Cada dibujo detallado debe especifi car todas las dimensiones y las especifi caciones de material necesarias para fabricar la pieza. Con estos dibujos (o archivos CAD) se debe construir un modelo (o modelos) de prototipos para experimentos físicos. Es muy probable que las pruebas descubrirán más fallas, que requieran más iteración.

EL PROCESO DE DISEÑO - Ideación e invención - Selección

Cuando el análisis técnico indica que se tienen algunos diseños potencialmente factibles, se debe seleccionar el mejor disponible para un diseño detallado, creación de prototipo y pruebas. El proceso de selección casi siempre implica un análisis comparativo de las soluciones de diseño disponibles. En ocasiones una matriz de decisión ayuda a identifi car la mejor solución al forzarlo a considerar varios factores de manera sistemática. En la fi gura 1-2 se muestra una matriz de decisión para la propuesta de un mejor cortador de césped. Cada diseño ocupa una fi la en la matriz. A las columnas se les asignan categorías en las que los diseños tienen que ser evaluados, tales como costo, facilidad de uso, efi ciencia, desempeño, confi abilidad y cualquier otra que considere apropiada para el problema particular. Luego, a cada categoría se le asigna un factor de ponderación, el cual mide su importancia relativa. Por ejemplo, la confi abilidad puede ser un criterio más importante para el usuario que el costo, o viceversa. Como ingeniero de diseño tiene que ejercer un juicio en cuanto a la selección y ponderación de estas categorías. Posteriormente, el cuerpo de la matriz se llena con números que clasifi can cada diseño en una escala conveniente, tal como del 1 al 10, en cada una de las categorías. Hay que observar que es una clasifi cación subjetiva. Se deben examinar los diseños y decidir la califi cación de cada uno. Luego, las califi caciones se multiplican por los factores de ponderación (los que en general son elegidos de modo que sumen a un número conveniente tal como 1) y los productos sumados para cada diseño. Las califi caciones ponderadas reciben una clasifi cación de diseños. Hay que ser precavido al aplicar estos resultados y ¡tener presente el origen y subjetividad de las califi caciones y de los factores de ponderación! Casi siempre existe la tentación de tener más fe en estos resultados que la justifi cada. Después de todo, ¡se ven impresionantes! ¡Incluso pueden ocupar varios lugares decimales! (pero no deben). El valor real de una matriz de decisión es que descompone el problema en piezas más tratables y obliga a pensar en el valor relativo de cada diseño en muchas categorías. Luego puede tomar una decisión más informada en lo que se refi ere al “mejor” diseño.

EL PROCESO DE DISEÑO - Ideación e invención - Análisis

 Una vez que en esta etapa se ha estructurado el problema, por lo menos temporalmente, ahora se pueden aplicar técnicas de análisis más complejas para examinar el desempeño del diseño en la fase de análisis del proceso de diseño. (Algunos de estos métodos de análisis se analizarán en detalle en los capítulos siguientes.) Se requerirá más iteración conforme el análisis ponga de manifi esto algunos problemas. Se deben repetir tantos pasos iniciales del proceso de diseño como sea necesario para garantizar su éxito.

EL PROCESO DE DISEÑO - Ideación e invención - Lluvia de ideas

Es una técnica que algunos afi rman es muy exitosa para generar soluciones creativas. Esta técnica requiere un grupo, de preferencia de 6 a 15 personas, e intenta superar la barrera más grande que enfrenta la creatividad: el temor al ridículo. La mayoría de las personas, cuando están en grupo, no expresarán sus pensamientos reales sobre una materia, por el temor de que se rían de ellas. Las reglas de esta técnica requieren que nadie se burle o critique las ideas de cualquier persona, sin importar cuán ridículas sean. Un participante actúa como “escriba” y su deber es registrar todas las sugerencias, no importa cuán tontas parezcan ser. Cuando se realiza de manera apropiada, esta técnica puede ser divertida y en ocasiones dar por resultado una “frenética alimentación” de ideas que se vigorizan entre sí. Se puede generar una gran cantidad de ideas en poco tiempo. El juicio sobre su calidad se pospone para más adelante.

Cuando se trabaja solo, se requieren otras técnicas. Las analogías e inversiones en ocasiones son útiles. Hay que intentar sacar analogías entre el problema en cuestión y otros contextos físicos. Si es un problema mecánico, convertirlo por analogía en un fl uido o eléctrico. La inversión voltea el problema hacia fuera. Por ejemplo, considérese que lo que se desea mover permanezca inmóvil y viceversa. A menudo surgen las ideas. Otra ayuda útil para la creatividad es el uso de sinónimos. Definir el verbo de acción en el enunciado del problema y luego elaboran una lista con tantos sinónimos del verbo como sea posible. Por ejemplo:

Enunciado del problema: Mueva este objeto del punto A al punto B.

El verbo de acción es “mover”. Algunos sinónimos son empujar, jalar, deslizar, lanzar, expulsar, saltar, derramar. El objetivo en este paso de ideación es generar un gran número de ideas sin una consideración particular sobre la calidad. Pero, en cierto punto, el “pozo mental” se secará. Se habrá llegado al paso del proceso creativo llamado frustración. Es tiempo de olvidarse del problema y hacer algo más durante un tiempo. Mientras la mente consciente está ocupada en otros menesteres, la mente subconsciente seguirá trabajando en el problema. Éste es el paso llamado incubación. Súbitamente, en un momento y lugar inesperados, surgirá una idea, y parecerá ser la solución obvia y “correcta” al problema… ¡Eureka! Muy probablemente, un análisis posterior descubrirá algunas fallas en esta solución. De ser así, ¡hay que retroceder e iterar! Puede que se requiera más ideación, investigación y quizás incluso una redefi nición del problema.

En Unlocking Human Creativity[5] Wallen describe tres requerimientos para las ideas creativas:

• Fascinación por el problema.
• Saturación con los hechos, ideas técnicas, datos y el antecedente del problema.
• Un periodo de reorganización.

El primero de éstos proporciona la motivación para resolver el problema. El segundo es el paso de investigación de antecedentes ya descrito en la página 8. El periodo de reorganización se refi ere a la fase de frustración cuando su subconsciente trabaja en el problema. Wallen[5] dice que los testimonios de personas creativas muestran que, en este periodo de reorganización, no tienen un interés consciente en el problema particular, y que el momento de generación de ideas aparece con frecuencia en medio de un periodo de relajación o sueño. Así que para mejorar la creatividad, hay que saturarse con el problema y material relacionado. ¡Luego relajarse y dejar que su subconsciente haga el trabajo duro!

EL PROCESO DE DISEÑO - Ideación e invención - Proceso creativo y Generación de ideas

 Proceso creativo 

Se han desarrollado muchas técnicas para mejorar o inspirar la solución creativa de problemas. De hecho, en tanto se han defi nido procesos de diseño, se muestra el proceso creativo en la tabla 1-3. Este proceso creativo se puede impartir como un subconjunto del proceso de diseño y existir dentro de él. El paso de ideación e invención, por lo tanto, se puede dividir en cuatro subpasos. 

Generación de ideas 

Es el más difícil de estos pasos. Incluso las personas muy creativas tienen difi cultad para inventar “por pedido”. Se han sugerido muchas técnicas para mejorar la producción de ideas. La técnica más importante es aquella de juicio diferido, lo que signifi ca que su criticalidad deberá ser temporalmente suspendida. No trate de juzgar la calidad de sus ideas en esta etapa. Eso se hará más adelante, en la fase de análisis. El objetivo aquí es obtener una gran cantidad de diseños potenciales como sea posible. Incluso las sugerencias superfi cialmente ridículas deberán ser bienvenidas, ya que pueden generar ideas nuevas y sugerir otras soluciones más reales y prácticas.

EL PROCESO DE DISEÑO - Ideación e invención

Este paso está lleno tanto de diversión como de frustración. Esta fase es potencialmente la más satisfactoria para la mayoría de los diseñadores, pero también la más difícil. Se ha realizado una gran cantidad de investigación para explorar el fenómeno de “creatividad”. Ésta es, y la mayoría está de acuerdo, una cualidad humana. Ciertamente es una actividad exhibida en alto grado por todos los niños. La velocidad y grado de desarrollo que ocurre en el ser humano desde su nacimiento a lo largo de los primeros años de vida requiere algo de creatividad innata. Algunos han alegado que los métodos de la educación occidental tienden a asfi xiar la creatividad natural de los niños al promover la conformidad y restringir la individualidad. Desde “colorear dentro de líneas” en el jardín de niños hasta imitar los patrones de escritura de libros de texto en grados posteriores, se suprime la individualidad a favor de una conformidad socializante. Esto quizá sea necesario para evitar la anarquía, pero tiene el efecto de reducir la habilidad del individuo para pensar de manera creativa. Algunos afi rman que la creatividad puede ser enseñada, otros dicen que es heredada. No existen evidencias concretas de una u otra teoría. Probablemente es cierto que la creatividad que se pierde o suprime puede ser reavivada. Otros estudios sugieren que la mayoría subutiliza sus habilidades creativas potenciales. Se puede mejorar su creatividad mediante varias técnicas.

EL PROCESO DE DISEÑO - Especificaciones de desempeño

Cuando se entiende el antecedente y se plantea el objetivo con claridad, se está listo para formular un conjunto de especificaciones de desempeño (también llamado especificaciones de tareas). Éstas no deberán ser especificaciones de diseño. La diferencia es que las especifi caciones de desempeño definen lo que el sistema debe hacer, mientras que las especificaciones de diseño definen cómo debe hacerse. En esta etapa del proceso de diseño no es prudente intentar especificar cómo se tiene que lograr el objetivo. Esto se deja para la fase de ideación. El propósito de las especificaciones de desempeño es defi nir y limitar con cuidado el problema de modo que pueda ser resuelto y se puede mostrar lo que se resolvió después del hecho. En la tabla 1-2 se presenta un conjunto muestra de especificaciones de desempeño de nuestra “podadora de césped”.

Obsérvese que estas especifi caciones limitan el diseño sin restringir demasiado la libertad de diseño del ingeniero. Será inapropiado requerir un motor de gasolina conforme a la especificación 1, porque existen otras posibilidades que proporcionarán la movilidad deseada. Asimismo, demandar acero inoxidable para todos los componentes en la especificación 2 no sería prudente, puesto que se puede obtener resistencia a la corrosión mediante otros materiales menos onerosos. En suma, las especifi caciones de desempeño sirven para defi nir el problema de una manera tan completa y general como sea posible, y como una definición contractual de lo que se tiene que lograr. El diseño acabado puede ser probado en cuanto cumpla con las especificaciones.

EL PROCESO DE DISEÑO - Planteamiento de objetivos

 Una vez que se entiende por completo el antecedente del problema como originalmente se planteó, se estará listo para replantearlo en forma de enunciado de objetivos más coherentes. Este nuevo enunciado del problema deberá tener tres características. Deberá ser conciso, general e incoloro en cuanto a expresiones que predigan una solución. Deberá ser expresado en términos de visualización funcional, lo que signifi ca visualizar su función, en lugar de cualquier incorporación particular. Por ejemplo, si el enunciado original de la necesidad fue “Diseñar una mejor podadora de pasto” después de que por años se han investigado mil formas de cortar el pasto, el ingeniero docto podría replantear el objetivo como “Diseñar un medio de acortar el pasto”. El enunciado original del problema contiene una trampa incorporada en la forma de las palabras coloridas “podadora de césped”. Para la mayoría de las personas, esta frase les creará una visión de algo con aspas zumbantes y un motor ruidoso. Para que la fase de ideación sea más exitosa, es necesario evitar tales imágenes y plantear el problema general de manera clara y concisa. Como un ejercicio, mencione 10 maneras de cortar el césped. La mayoría de ellas no se le ocurrirían en caso de que le pidieran 10 diseños mejores de podadora de césped. ¡Debe utilizar visualización funcional para evitar la limitación innecesaria de su creatividad! 

EL PROCESO DE DISEÑO - Investigación preliminar

Ésta es la fase más importante del proceso, y desafortunadamente con mucha frecuencia la más ignorada. El término investigación, utilizado en este contexto, no debe conjurar visiones de científi cos de bata blanca mezclando sustancias en probetas. Más bien es una investigación más mundana, que reúne información de fondo sobre la física, química u otros aspectos pertinentes del problema. Además, es pertinente indagar si éste, o un problema similar, ya ha sido resuelto con anterioridad. No tiene caso reinventar la rueda. Si tiene suerte sufi ciente de encontrar en el mercado una solución ya obtenida, sin duda será más económica de adquirir que crear una solución propia. Es muy probable que éste no será el caso, pero puede aprender mucho sobre el problema investigando el “arte” existente asociado con tecnologías y productos similares. Muchas compañías adquieren, desarman y analizan los productos de sus competidores, un proceso en ocasiones conocido como “benchmarking”.

La literatura de patentes y las publicaciones técnicas en la materia son fuentes obvias de información y son vía accesible a la wide web. La U.S. Patent and Trademark Offi ce mantiene un sitio web en www.uspto.gov donde se pueden encontrar patentes por palabra clave, inventor, título, número de patente u otros datos. Se puede imprimir una copia de la patente desde el mismo sitio. Un sitio comercial en www.delphion.com también proporciona copias de patentes existentes, incluidas las publicadas en países europeos. Se requiere la sección de “revelación” o “especifi cación” de una patente para describir la invención con tal detalle que cualquier “versado en la materia” puede hacer la invención. A cambio de esta revelación total el gobierno otorga al inventor un monopolio durante 20 años sobre la invención. Una vez que ese plazo expira, cualquiera puede usarla. Es claro que, si se encuentra que existe la solución y está amparada por una patente en vigor, se tienen sólo algunas opciones éticas: adquirir la solución existente con el dueño de la patente, diseñar algo que no cree un confl icto con la patente, o desechar el proyecto.

Las publicaciones técnicas en ingeniería son numerosas y variadas y son provistas por un gran número de organizaciones profesionales. Para el objeto de este texto, la American Society of Mechanical Engineers (ASME), la cual ofrece membresías económicas para estudiantes, y la International Federation for the Theory of Machines and Mechanisms (IFToMM) poseen publicaciones pertinentes, el ASME Journal of Mechanical Design y el Mechanism and Machine Theory, respectivamente. Las bibliotecas escolares pueden estar suscritas a éstos, y es posible adquirir copias de artículos desde sus sitios web en www.asme.org/pubs/journals/ y www.elsevier.com/inca/publications, respectivamente.

La red mundial es un recurso increíblemente útil para el ingeniero o estudiante en busca de información sobre cualquier tema. Los muchos motores de búsqueda disponibles proporcionan un caudal de información en respuesta a las palabras clave seleccionadas. En la web es fácil encontrar fuentes de partes adquiridas tales como engranes, cojinetes y motores para diseñar máquinas. Además, mucha información de diseño de máquinas está disponible en la web. Varios sitios web útiles están catalogados en la bibliografía de este capítulo.

Es muy importante dedicar tiempo y energía sufi cientes en esta fase de investigación y preparación del proceso para evitar la turbación de encontrar una gran solución al problema equivocado. La mayoría de los ingenieros no experimentados (y algunos experimentados) prestan poca atención a esta fase y pasan con demasiada rapidez a la etapa de ideación e invención del proceso. ¡Esto debe evitarse! Hay que disciplinarse y no tratar de resolver el problema antes de estar perfectamente preparado para hacerlo.

EL PROCESO DE DISEÑO - Identificación de la necesidad

Este primer paso es realizado por alguien, jefe o cliente, al decir: “Lo que se necesita es…” Por lo general este enunciado será breve y sin detalles. Estará muy lejos de proporcionarle un planteamiento estructurado del problema. Por ejemplo, el enunciado del problema podría ser: “Se necesita una mejor podadora de pasto.”

EL PROCESO DE DISEÑO - Diseño, invención, creatividad

Éstos son términos conocidos pero tienen diferentes signifi cados para diferentes personas. Pueden englobar un sinnúmero de actividades: el diseño de la ropa más moderna, la creación de obras arquitectónicas impresionantes, o la ingeniería de una máquina para la fabricación de toallas faciales. El diseño de ingeniería, el que aquí concierne, comprende estas tres actividades y muchas otras. La palabra diseño se deriva del latín designare, que signifi ca “diseñar” o “marcar”. El diccionario Webster proporciona varias defi niciones, la más adecuada para el caso es “bosquejar, grafi car o planifi car, como acción o trabajo… concebir, inventar-idear”. El diseño de ingeniería se ha defi nido como “[…] el proceso de aplicar las diversas técnicas y principios científi cos con el proposito de defi nir un dispositivo, un proceso o un sistema con sufi cientes detalles que permitan su realización […] El diseño puede ser simple o muy complejo, fácil o difícil, matemático o no matemático; puede implicar un problema trivial o uno de gran importancia”. El diseño es un constituyente universal de la práctica de ingeniería. No obstante, la complejidad de la materia por lo general requiere que el estudiante disponga de un conjunto de problemas estructurados, paso a paso ideados para esclarecer un concepto o conceptos particulares relacionados con el tema particular. Los problemas de los libros de texto en general adoptan la forma de “dados A, B, C y D, encuentre E”. Desafortunadamente, los problemas de ingeniería en la vida real casi nunca están estructurados de esa manera. Con frecuencia, en la realidad adoptan la forma de: “Lo que se necesita es un artefacto para insertar este artifi cio en el orifi cio dentro del tiempo asignado para la transferencia de este otro cachivache.” El ingeniero novel buscará en vano en sus libros de texto una guía para resolver semejante problema. Este problema no estructurado por lo general conduce a lo que comúnmente se llama “síndrome de papel en blanco”. Con frecuencia los ingenieros se encuentran con el problema de la hoja de papel en blanco, cavilando sobre la manera de resolver un problema mal defi nido como ése.

Mucha de la educación de ingeniería se ocupa de temas de análisis, lo que signifi ca descomponer, desarmar, descomponer en sus partes constituyentes. Esto es muy necesario. El ingeniero debe saber cómo analizar sistemas de varios tipos, mecánicos, eléctricos, térmicos o fl uidos. El análisis requiere un completo conocimiento tanto de las técnicas matemáticas apropiadas, como de la física fundamental de la función del sistema. Pero, antes de que cualquier sistema pueda ser analizado, debe existir, y una hoja de papel en blanco proporciona poca sustancia para el análisis. Así, el primer paso en cualquier ejercicio de diseño de ingeniería es el de síntesis, que signifi ca conjuntar.

El ingeniero de diseño, en la práctica, sin importar la disciplina, continuamente enfrenta el reto de estructurar problemas no estructurados. De manera invariable, el problema tal como es planteado al ingeniero está mal defi nido e incompleto. Antes de que se intente analizar la situación primero se debe defi nir con cuidado el problema, mediante un método preliminar de ingeniería, para garantizar que cualquier solución propuesta resolverá correctamente el problema. Existen muchos ejemplos de excelentes soluciones de ingeniería que al fi nal fueron rechazadas porque resolvían el problema de manera incorrecta, es decir, no resolvían el problema que el cliente realmente tenía.

Se ha investigado ampliamente la defi nición de varios “procesos de diseño” tratando de proporcionar los medios para estructurar un problema no estructurado y obtener una solución viable. Algunos de estos procesos presentan docenas de pasos, otros sólo unos cuantos. El presentado en la tabla 1-1 contiene 10 pasos y, por la experiencia del autor, ha demostrado que da buenos resultados en más de 40 años de práctica en el diseño de ingeniería.

Iteración Antes de discutir cada uno de estos pasos a detalle es necesario señalar que éste no es un proceso en el que se procede del paso uno al diez de un modo lineal. En su lugar, por su naturaleza, es un proceso iterativo en el cual se avanza de manera vacilante, dos pasos hacia delante y uno atrás. Es inherentemente circular. Iterar signifi ca repetir, regresar a un estado previo. Si, por ejemplo, lo que parece ser gran idea, al analizarla, resulta que viola la segunda ley de la termodinámica, ¡se puede regresar al paso de ideación y buscar otra mejor! O, si es necesario, regresar a uno de los primeros pasos en el proceso, quizás a la investigación de fondo y aprender más sobre el problema. Con el entendimiento de que la ejecución real del proceso implica iteración, por simplicidad, ahora se analizará cada paso en el orden listado en la tabla 1-1.

APLICACIONES DE LA CINEMÁTICA

Una de las primeras tareas al resolver cualquier problema de diseño de máquinas es determinar la confi guración cinemática necesaria para producir los movimientos deseados. En general, los análisis de fuerzas y esfuerzos no pueden ser realizados hasta que los problemas cinemáticos hayan sido resueltos. Este texto aborda el diseño de dispositivos cinemáticos tales como eslabonamientos, levas y engranes. Cada uno de estos términos será defi nido a cabalidad en capítulos subsiguientes, pero puede ser útil mostrar algunos ejemplos de aplicaciones cinemáticas en este capítulo introductorio. Probablemente el lector ha utilizado muchos de estos sistemas sin pensar en su cinemática.

Virtualmente cualquier máquina o dispositivo que se mueve contiene uno o más elementos cinemáticos, tales como eslabonamientos, levas, engranes, bandas, cadenas. La bicicleta puede ser un ejemplo simple de un sistema cinemático que contiene una transmisión de cadena para generar la multiplicación del par de torsión, y eslabonamientos operados por cables simples para el frenado. Un automóvil contiene muchos más dispositivos cinemáticos. Su sistema de dirección, la suspensión de las llantas y el motor de pistones contienen eslabonamientos; las válvulas del motor son abiertas por levas, y la transmisión tiene muchos engranes. Incluso los limpiaparabrisas son operados por eslabonamientos. La fi gura 1-1a muestra un eslabonamiento espacial utilizado para controlar el movimiento de la rueda trasera de un automóvil moderno al pasar sobre baches.

Equipos de construcción como tractores, grúas y retroexcavadoras utilizan extensamente eslabonamientos en su diseño. La fi gura 1-1b muestra una pequeña retroexcavadora cuyo eslabonamiento es propulsado por cilindros hidráulicos. Otra aplicación que utiliza eslabonamientos es la del equipo ejercitador como el mostrado en la fi gura 1-1c. Los ejemplos de la fi gura 1-1 son todos bienes de consumo que se pueden encontrar a diario. Muchos otros ejemplos cinemáticos se dan en el dominio de los elementos de producción, máquinas utilizadas para fabricar los diversos bienes de consumo que se utilizan. Es menos probable encontrarlos fuera del ambiente industrial. Una vez asimilados los términos y principios de la cinemática, el lector ya no podrá mirar cualquier máquina o producto sin distinguir sus aspectos cinemáticos.

UNA BREVE HISTORIA DE LA CINEMÁTICA

Las máquinas y mecanismos fueron ideados desde el amanecer de la historia. Los antiguos egipcios idearon máquinas primitivas para la construcción de las pirámides y otros monumentos. Aunque los egipcios del Imperio antiguo no conocían la rueda y la polea (montadas en un eje), utilizaron la palanca, el plano inclinado (o cuña) y probablemente el rodador de troncos. La rueda y el eje definitivamente no eran conocidos. Su primera aparición quizás ocurrió en Mesopotamia alrededor de 3000 a 4000 a.C.

Desde los primeros tiempos se dedicaron grandes esfuerzos a resolver el problema de la medida o cómputo del tiempo, lo que dio como resultado relojes más complejos. Mucho del diseño primitivo de máquinas estuvo dirigido hacia aplicaciones militares (catapultas, aparatos para escalar muros, etc.). Más adelante fue acuñado el término ingeniería civil para diferenciar las aplicaciones civiles de las militares. La ingeniería mecánica tuvo sus principios en el diseño de máquinas, a medida que las invenciones de la Revolución Industrial requerían soluciones más complicadas en problemas de control de movimiento. James Watt (1736-1819) probablemente merece el título de primer cinematiciano por su síntesis de un eslabonamiento de línea recta (véase fi gura 3-29a) en la página 126 para guiar los pistones de carrera muy larga en las entonces nuevas máquinas de vapor. Puesto que aún no se inventaba el cepillo mecánico (1817), no había ningún medio para fabricar una guía larga y recta que funcionara como una cruceta en la máquina de vapor. Watt, ciertamente, fue el primero en reconocer el valor de los movimientos del eslabón acoplador en el eslabonamiento de cuatro barras. Oliver Evans (1755-1819) un inventor estadounidense, también diseñó un eslabonamiento en línea recta para un motor de vapor. Euler (1707-1783) fue contemporáneo de Watt, aun cuando aparentemente nunca se conocieron. Euler presentó un tratamiento analítico de mecanismos en su Mechanica sive Motus Scienta Analytice Exposita (1736-1742), en la que incluyó el concepto de que el movimiento plano consta de dos componentes independientes, a saber, la traslación de un punto y la rotación del cuerpo en torno a dicho punto. También sugirió la separación del problema de análisis dinámico en “geométrico” y “mecánico” para simplifi car la determinación de la dinámica del sistema. Dos de sus contemporáneos, d’Alembert y Kant, también propusieron ideas similares. Éste es el origen de nuestra división del tema en cinemática y cinética, como se describió en la página 3.

A principio de los años de 1800, L’Ecole Polythecnic, en París, Francia, era la institución depositaria de los conocimientos de ingeniería. Lagrange y Fourier formaron parte de su cuerpo de profesores. Uno de sus fundadores fue Gaspard Monge (1746-1818), inventor de la geometría descriptiva (la cual fue mantenida como secreto militar por el gobierno francés durante 30 años por su valor en la planifi cación de fortifi caciones). Monge creó un curso de elementos de máquinas y emprendió la tarea de clasifi car ¡todos los mecanismos y máquinas conocidos por la humanidad! Su colega, Hachette, completó el trabajo en 1806 y lo publicó como lo que probablemente fue el primer texto sobre mecanismos en 1811. Andre Marie Ampere (1775-1836), también profesor en el L’Ecole Polythecnic, emprendió la formidable tarea de clasifi car “todo el conocimiento humano”. En su Essai sur la Philosophie des Sciences, fue el primero en utilizar el término cinematique, derivado de la palabra griega para movimiento,* para describir el estudio del movimiento al omitir las fuerzas, y sugirió que “esta ciencia tiene que incluir todo lo que se puede decir con respecto al movimiento en sus diferentes clases, independientemente de las fuerzas mediante las cuales se produjo”. Más adelante su término fue incluido en los anglicismos como kinematics y en alemán como kinematik.

Robert Willis (1800-1875) escribió el texto Principles of Mechanisms, en 1841, mientras se desempeñaba como profesor de Filosofía Natural en la Universidad de Cambridge, Inglaterra. Intentó sistematizar la tarea de síntesis de mecanismos. Contó cinco formas de obtener movimiento relativo entre eslabones de entrada y salida: contacto rodante, contacto deslizante, eslabonamientos, conectores envolventes (bandas, cadenas) y polipastos (malacates de cuerda o cadena). Franz Reuleaux (1829-1905), publicó Theoretische Kinematik en 1875. Muchas de sus ideas todavía son actuales y útiles. Alexander Kennedy (1847-1928) tradujo a Reuleaux al inglés en 1876. ¡Este texto llegó a ser el fundamento de la cinemática moderna y se imprime actualmente! (Véase la bibliografía al fi nal del capítulo.) Él proporcionó el concepto de un par cinemático (junta), cuya forma e interacción defi nen el tipo de movimiento transmitido entre los elementos del mecanismo. Reuleaux defi nió seis componentes mecánicos básicos: el eslabón, la rueda, la leva, el tornillo, el trinquete y la banda. También defi nió los pares “superiores” e “inferiores”, los superiores tienen un contacto lineal o puntual (como en un cojinete de rodillos o bolas) y los inferiores tienen un contacto superfi cial (como en las juntas de pasador). Reuleaux en general es considerado como el padre de la cinemática moderna, y es responsable de la notación simbólica de eslabonamientos esqueléticos genéricos utilizados en todos los textos de cinemática modernos.

En el siglo xx, antes de la segunda guerra mundial, la mayor parte del trabajo teórico sobre cinemática se realizó en Europa, sobre todo en Alemania. Algunos resultados de esta investigación estuvieron disponibles en inglés. En Estados Unidos, la cinemática fue ampliamente ignorada hasta los años 40, cuando A.E.R. deJonge escribió “What Is Wrong with ‘Kinematics’ and ‘Mecanisms’”[2] lo que hizo que las instituciones de educación en ingeniería mecánica estadounidenses prestaran atención a los logros europeos en este campo. Desde entonces, se ha realizado mucho trabajo nuevo, especialmente en síntesis cinemática, por ingenieros e investigadores estadounidenses y europeos, tales como J. Denavit, A. Erdman, F. Freudenstein, A.S. Hall, R. Hartenberg, R. Kaufman, B. Roth, G. Sandor y A. Soni (todos estadounidenses) y K. Hain (de Alemania). Desde de la caída de la “Cortina de Hierro” mucho trabajo original realizado por cinematistas rusos soviéticos ha llegado a estar disponible en Estados Unidos, tales como el realizado por Artobolevsky.[3] Muchos investigadores estadounidenses utilizaron la computadora para resolver problemas previamente intratables, tanto de síntesis como de análisis, e hicieron un uso práctico de muchas de las teorías de sus predecesores.[4] Este texto hará un uso extenso de las computadoras para analizar y sintetizar con más efi ciencia soluciones a problemas de diseño de máquinas. Este libro incluye varios programas de computadora para su uso.

MECANISMOS Y MÁQUINAS

 Un mecanismo es un dispositivo que transforma el movimiento en un patrón deseable, y por lo general desarrolla fuerzas muy bajas y transmite poca potencia. Hunt[13] define un mecanismo como un medio de transmisión, control o restricción del movimiento relativo. Una máquina, en general, contiene mecanismos que están diseñados para producir y transmitir fuerzas significativas.[1] Algunos ejemplos comunes de mecanismos pueden ser un sacapuntas, un obturador de cámara fotográfica, un reloj análogo, una silla plegable, una lámpara de escritorio ajustable y un paraguas. Algunos ejemplos de máquinas que poseen movimientos similares a los mecanismos antes mencionados son un procesador de alimentos, la puerta de la bóveda de un banco, la transmisión de un automóvil, una niveladora, un robot y un juego mecánico de un parque de diversiones. No existe una clara línea divisoria entre mecanismos y máquinas. Difieren en su grado y no en su clase. Si las fuerzas o niveles de energía en el dispositivo son significativos, se considerará como una máquina; si no es así, será considerado como un mecanismo. Una definición útil de trabajo de un mecanismo es un sistema de elementos acomodados para transmitir movimiento de una forma predeterminada. Ésta puede ser convertida en una definición de una máquina si se le agregan las palabras y energía después de la palabra movimiento.

Los mecanismos, si se cargan en exceso y funcionan a bajas velocidades, en ocasiones se pueden tratar de manera estricta como dispositivos cinemáticos; es decir, se pueden analizar cinemáticamente sin considerar las fuerzas. Las máquinas (y mecanismos que funcionan a altas velocidades), por otra parte, primero deben tratarse como mecanismos, sus velocidades y aceleraciones analizadas cinemáticamente y, posteriormente, como sistemas dinámicos en los que sus fuerzas estáticas y dinámicas producidas por esas aceleraciones son analizadas mediante principios de cinética. La parte I de este texto se ocupa de la cinemática de mecanismos, y la parte II de la dinámica de maquinaria. Las técnicas de síntesis de mecanismos presentadas en la parte I son aplicables al diseño tanto de mecanismos como de máquinas, puesto que en cada caso se debe crear algún conjunto de miembros móviles para generar y controlar los movimientos y la geometría deseados.