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CO M P ÓS I T O S

Módulos Mundo de los MaterialesUn Programa Educacional de Ciencia y Tecnología basado en la Indagación

M Ó D U L O

AutoresMatthew Hsu, Northwestern UniversityLaura Walhof, Glenbrook High SchoolKen Turner, Escuela Superior de Schaumburg

Prueba de Campo

Douglass HalstedProfesor de QuímicaEvanston Township HighSchool Evanston, IL.

Julie Collins, Profesora de QuímicaGlenbrook North High SchoolNorthbrook, IL.

Ann Brandon, Profesora de FísicaRobert DeYoung, Profesor de QuímicaArt Glaser, Profesor de QuímicaDave Hooper, Profesor de QuímicaDebby Lojkezt, Profesora de FísicaJoliet West High SchoolJoliet, IL.

Preston Hayes, Profesor de QuímicaAndy Merutka, Profesor de QuímicaJohn Motzko, Profesor de QuímicaGlenbrook South High SchoolGlenview, IL.

Laszlo TothProfesor de Educación TécnicaNiles North High SchoolSkokie, IL.

Bill Lederhouse, Profesor de FísicaRon Williams, Profesor de QuímicaKrista Wright, Profesora de BiologíaSchaumburg High SchoolSchaumburg, IL.

Howard Fogel, Profesor de QuímicaNiles West High SchoolSkokie, IL.

Karen Lindebrekke, Profesora deBiología y de Ciencias del AmbienteSan Viator High SchoolArlington Heigths, IL.

Debby Kray, Profesora de QuímicaHoffman Estates High SchoolHoffman Estates, IL.

Tammy Shibayama, Profesora deQuímicaSullivan High School, Chicago, IL.

Charles Jones, Profesor de QuímicaBrian Zimmerman, Profesor deQuímicaHononegah High School, Rockton, IL.

Tom Young, Profesor de FísicaWaukesha High SchoolWaukesha, WI.

Programa MWM

DirectorProf. Robert P. H. ChangDesarrollo de los MódulosPatrice L. WashingtonDiseño de InstruccionesProf. Brian ReiserCoordinador del ProgramaRuth RozenApoyo al Desarrollo de los MaestrosEric BaumgartnerDifusión/Sitios de MultiplicaciónBarbara PellegriniConsultor en EducacionRichard GoodspeedRed de ComunicaciónLisa SinghContralorLinda Steward

Diseño del Producto

Diseño del ProductoEditor, Elizabeth KaplanDiseño de Gráficos, Maria MariottiniReproducción, Dale BedaProducción, Patricia Parra

Derecho de Autor © 1996, 1998Northwestern UniversityEste trabajo no puede reproducirse o transmitirseen ninguna forma o por ningún medio electrónicoo mecánico, incluyendo fotocopias o grabacioneso por ningún sistema de almacenamiento oreproducción sin la previa autorización escrita dela Universidad Northwestern, a menos que esareproducción esté permitida expresamente por laleyes federales del derecho de autor.

Este proyecto fue financiado en parte, por la

National Science FoundationLas opiniones expresadas en este documento son

propias de los autores y no necesariamente son las dela Fundación

Equipo de los Módulos Mundo de los Materiales

Programa Módulos Mundo de los Materiales

México

Traducción, Adaptación e Instrucción

Centro de Investigación en Materiales

Avanzados, S.C.

Coordinador Técnico

Luis Fuentes Cobas

Titular del Módulo de Compósitos

Adriana Ramos Palomino

Roberto Sánchez MartínezMaria Elena Montero Cabrera

Amando Zaragoza ContrerasAntonino Pérez HernándezFrancisco Espinosa MagañaJosé Martin Herrera RamirezSión Federico Olive Méndez

Edición del Módulo

Programa Financiado por la Secretaría de

Educación, Cultura y Deporte del Gobierno

del Estado de Chihuahua. Edición 2012-2013

Jorge Mario Quintana Silveyra

Secretario de Educación, Cultura y

Deporte

Director de Educación Media Superior

y Superior

Salomón Maloof Arzola

Secretario Técnico de la CEPPEMS

(Comisión Estatal para la Planeación y

Programación de la Educación Media Superior)

Victor Hugo López de Lara Chávez

Supervisor Operativo del Proyecto

Carlos González Herrerra

Ricardo Cervantes Sixtos

Subsecretario de Educación, Cultura y

Deporte

Centro de Investigación enMaterialesAvanzados, S.C.

Jesús González HernándezDirector General

Alfredo Aguilar ElguezabalDirector Académico

Gob i e r no de l E s t ado

Secretaría de EducaciónCultura y Deporte

ISBN: 978-607-8272-02-0Compositos, Manual del Alumno

INDICE

Introducción al Módulo Compósitos iv

ACTIVIDADES

Probando Diferentes Tipos de Hielo 1Expandiendo los Conceptos 3

Guía para Identificación de Compósitos. 4A Cazar Compósitos 6

Expandiendo los Conceptos 9

Probando los Materiales por su Resistencia y Rigidez 10Explorando la Diferencia Entre

Resistencia y Rigidez 12Expandiendo los Conceptos 15

Compósitos en Artículos Deportivos 16Probando la Resistencia y Rigidez de un

Compósito de Espuma 18Expandiendo los Conceptos 23

Investigando Compósitos 24

Proyectos de Diseño

Diseñando una Caña de Pescar 27

Diseñando un Nuevo Material 31

Glosario 35

1

2

3

4

5

1

2

Y luego, ¿Qué son?

¡Todo está hecho de algo!

Decimos que las cosas estánhechas de materiales.

El hombre ha experimentado con los materialesdesde tiempos prehistóricos.

Al principio, las herramientas se hacían depiedra, posteriormente el hombre conoció la minería y el forjado

de los metales para la fabricación de herramientasmás versátiles y durables.

Hoy en día, los científicos y los ingenieros dedican tiempo y esfuerzo al estudio y desarrollo denuevos y mejores materiales orientados a

diversos propósitos.

iv

Compósitos - sonmateriales hechos dedos o más sustanciasvisiblemente distintas - son los materiales

en los que se centrará nuestra atención eneste Módulo.

ONCEPTO

E l

detrás de los COMPOSITOS

C

¿Los Módulos del Mundo de los Materiales?

Actividades

Este módulo está diseñado para que te cuestiones yencuentres tus respuestas respecto a los compósitos.Dialoga con tus compañeros de clase, al respecto detus ideas y de cómo puedes explorar el tema. Usa lasactividades en el módulo para ayudarte a aprenderacerca de los compósitos.

Compósitos. ¿Qué son?¿Dónde los encontramos?¿Por qué son útiles?

Proyectos de Diseño

Una vez que hayas aprendido algo acerca de loscompósitos, diseñarás tu propio material compuesto.También lo probarás. ¿Es resistente?, ¿Funcionará bienpara el uso que tú quieres darle?

Tú eres el científico.Cuéntanos tus é[email protected]@nwu.edu

TTeenn ííaarraazzóónn,, ééss tt ee

eess ee ll rr íígg iiddoo..

SSeeddoobbllaa

ffáácciillmmeennttee,, sseerrááffuueerrttee??

UUhh--

oohh!! ssii ssee qquuiieebbrraa

eessttaarréé eenn

pprroobblleemmaass..

v

Ciencia es nada más que refinar el pensamiento cotidiano.Albert Einstein, científico estadounidense

A c t i v i d a d 1 P r o b a n d o D i f e r e n t e s T i p o s d e H i e l o 1

Procedimiento, Datos y Observaciones.

Pide al profesor las probetas de hielo.Intenta romper cada uno de los hielos con la mano y anota los resultados.Si es necesario, utiliza otros métodos para probar laresistencia de tus muestras.

Probando Diferentes Tipos de Hielo.Cuando caminas sobre el agua congelada en uncharco. ¿Qué pasa? ¡El hielo se quiebra! Almasticar un cubo de hielo, pasa lo mismo. ¿Quépodrías hacer si quisieras que el hielo fueramás resistente?

Prepara una tabla de datos, para registrar:

Descripción de las diferentes probetas de hielo.Predicción de menor a mayor resistencia de las probetas.Métodos elegidos para realizar las pruebas de resistenciade las probetas.Resultados de cada prueba para las diferentes probetas.Cualquier otra observación que consideres pertinente sobrelas probetas de hielo.

Conforme realizas la actividad

considera las siguientes

preguntas:

¿Cómo puedes probar la

resistencia de los diferentes

materiales?

¿Cómo es la resistencia del

hielo puro comparada con la

resistencia de un compósito de

hielo, o sea, de una mezcla de

agua con otros materiales?

¿Cuáles son las ventajas ydesventajas de los compósitos en comparación conlos materiales puros?

La actividad 1 te da una interesante introducción a los compósitos. AACCTTIIVVIIDDAADD

1

onexión con el DiseñoCC

Escucho crujirel hielo cuando lo

muerdo.Predicciones Tu maestro te entregará dosprobetas de hielo: una de hielo puro y otra

hecha de hielo con una mezcla de fibras delpapel. ¿Cuál probeta piensas que será la másresistente? Discute tu predicción con tus compañeros declase y registra una o más razones para tu predicción.

M ó d u l o C o m p ó s i t o s2

Un viejo dicho acerca delhielo:

Si cruje,

resiste;si se dobla, sequiebra.

autor desconocido.

Reflexiones

1. ¿Cómo son tus resultados comparados con tus

predicciones? ¿Encontraste algo sorprendente en las

diferentes probetas de hielo?

2. ¿Piensas que la razón que propusiste para tus

predicciones es válida? En ese caso, ¿qué observaciones

soportan tu idea? En caso negativo ¿Qué otras ideas tienes

y cómo apoyan tus observaciones?

En resumen:

3. ¿Qué aprendiste de la actividad con las probetas de

hielo?

4. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de agregar

materiales diferentes para reforzar el hielo? ¿Qué

aplicación práctica, puedes proponer para un hielo

compuesto como los que probaste?

Aplica lo aprendido sobre los

compósitos de hielo a otros materiales. Piensa en la

comparación de compósitos con respecto a los materiales

puros. ¿Cuáles serían sus ventajas? y ¿Cuáles podrían ser

las posibles desventajas de los compósitos?

Me pregunto

¿Qué nuevas preguntas tienes sobre los materiales puros y

compuestos? Anota por lo menos tres preguntas, de las

cuales te gustaría saber las respuestas y por qué te interesa

aprender estas cosas.


A c t i v i d a d 1 P r o b a n d o D i f e r e n t e s T i p o s d e H i e l o 3

El hielo por si solo, es débil yquebradizo. Así mismo, elpapel higiénico se hace tirasfácilmente y no soportamucho peso. Perocombinados en un compósitode hielo como el que seprobó se puede incrementarsu resistencia en formasorprendente.

Hablando en términosgenerales, la razón por lacual un material débil yfrágil, como el hielo puro, sehace más fuerte y másresistente con muy pequeñasadiciones de fibra es porquelas grietas que se forman enel hielo se despuntan con lasfibras. Como se muestra enla figura, las fibras detienenla propagación de la fracturaantes de que el hielo serompa completamente. Antesde que el compósito falle,todas las fibras de refuerzosse deben romper y/o losextremos de

la fractura tendrán queatravesar el hielo. Estasacciones requieren de energíasuplementaria. La energíasuplementaria para romper elcompósito de hielo setraduce como mayorresistencia del compósito quela resistencia del hielo puro.Sucede lo mismo cuando seañaden barras de acero alconcreto. El concreto es unmaterial frágil. Si se usarasin añadirle otro material enpuentes o en los cimientosde edificios, éste fallaríacatastróficamente bajo cargaspesadas o impactos.

Por ello, los constructoresañaden varillas de acero parareforzarlo. Estas varillasdetienen la propagación delas grietas en el hormigón oconcreto, de la misma formaque las fibras de papeldetienen el frente depropagación de las grietas enel compósito de hielo.

El hormigón o concretoarmado es solamente unejemplo de un materialcomún compuesto que haceposible nuestra vidamoderna.

¿Cómo puede el

papel sanitario

reforzar el

hielo? Compara

la siguiente explicación con la

que tú propones.

¿Es esta explicación tan buena

como la tuya? ¿Contiene

elementos que la tuya no incluye?

ONCEPTOSCEX PA N D I E N D O

los

Propagación de la Fractura

Punta dela Fractura

Fibras

FUERZA

FUERZA

Aunque la palabra compósito parece moderna,

estos materiales se remontan a las civilizaciones

más tempranas.

Los antiguos egipcios combinaron lino, cera y

aceites para envolver las momias. Mezclaban paja

y caña con el barro para hacer ladrillos que no se

quebraran fácilmente después de secarse al aire

libre (los ladrillos hechos exclusivamente de barro

se fracturan al ser expuestos al sol).

Por esta misma razón los incas y los mayas

utilizaron fibras vegetales en la alfarería para dar

rigidez y resistencia a la arcilla.

Un material compuesto ocompósito, se define comola mezcla o combinaciónde dos o más materialesvisiblemente distintos.

Las definiciones y clasificaciones científicas son importantes porqueayudan a organizar las ideas. Pero no son absolutas o eternas. Porejemplo, en esta época de florecimiento de la Nanotecnología, ladefinición de “compósito” posiblemente se amplíe de manera queincluya los “nano-compósitos”. Quizás la experiencia MWM de lugar aotros refinamientos para el concepto de “compósito”

Nota:

2

En un material compuesto, el material principal se llama matriz y el material o materiales

mezclados con la matriz se llaman materiales constituyentes.

Por ejemplo, en las mezclas para alfarería descritas en la página anterior, la arcilla es la

matriz y la paja es el material constituyente.

Los científicos, clasifican los compósitos por la manera en que los materiales constituyentes

están embebidos en la matriz: ya sea como partículas, láminas o fibras.

Se les denomina por tanto compósitos particulados a los materiales compuestos de

partículas. Los materiales compuestos constituidos en capas se llaman compósitos

laminados. Los materiales compuestos con fibras se llaman compósitos fibro-reforzados.

Los diagramas muestran las secciones transversales de estas tres categorías de compósitos.

Hay una diferencia importante entre un compósito y un objeto o una estructura.

Un material, ya sea puro o compósito, es la sustancia de la que está hecho un objeto o una

estructura. Así, por ejemplo, una casa es una estructura, no un compósito. Pero una casa

está construida con numerosos compósitos, incluyendo concreto, paneles de triplay, tabla-

roca, etc.

A c t i v i d a d 2 A C a z a r C o m p ó s i t o s 5

Compósito Particulado Compósito Laminado Compósito Fibro-reforzado

M ó d u l o C o m p ó s i t o s

AACCTTIIVVIIDDAADD

22 A Cazar Compósitos

Si observamos a nuestro alrededor, con un poco de atención y

curiosidad, notamos que estamos rodeados por compósitos.

Los compósitos se encuentran de manera natural o fabricados por el

hombre. Pueden estar hechos de componentes naturales o sintéticos

o de una combinación de los dos. ¿Cómo puedes afirmar si un

objeto está hecho de un material puro o es un compósito?

Conforme realizas la actividad, piensa en las siguientes preguntas:Cuando examino un objeto:¿qué necesito observar para poder afirmar si está hecho decompósitos?¿Cuáles son los objetos que veo o utilizo diariamente, hechos porcompósitos?

¿Qué razones escogerías para construiralgo utilizando compósitos?

Ni el ojo más

privilegiadopuede captarla esencia deun objeto

Thomas Carlyle,escritor británico


El nombre de veinte o más objetos.

Observaciones de cada objeto, sobre si está constituido de materialespuros o compuestos.

Identifica los materiales componentes del compósito (la matriz yagregados).

Desarrolla hipótesis con respecto al papel que juega cada materialcomponente.

Desarrolla hipótesis con respecto al propósito o ventaja que el compósitoofrece al objeto.


6

Procedimiento, Datos, y Observaciones

Busca y examina veinte objetos de uso diario que pienses que están hechosde compósitos. Observa las diferentes texturas en la superficie de los objetos.También, si es posible, observa una sección transversal del objeto. Anota tusobservaciones.

Decide si cada objeto está hecho de compósitos o de materiales puros. Unmaterial puro es uniforme a lo largo de su superficie y trans-versalmente, un compósito generalmente no lo es. Para cada objeto elegido, explica específicamente cómo concluyes si estaba compuesto de un material puro o un compósito.

Para cada compósito, identifica sus componentes (matrizy constituyentes). Piensa cuál es el propósito o ventaja decada uno de sus componentes.

Considerando el propósito de cada objeto de la lista,escribe tus conjeturas o razones por las que el objeto estáhecho del compósito en particular.

A c t i v i d a d 2 A C a z a r C o m p ó s i t o s

Podemosencontrar muchoscompósitos en este

desorden.

7


La sabiduría esproducto de laobservación, node la edad.

Publilius Syrus,dramaturgo romano

Interpretación de datos

1. De la lista de objetos hechos con compósitos, considerael propósito de su uso. Intenta deducir cuatro o másrazones para usar los compósitos en su manufactura.

Reflexiones

2. ¿Te encontraste con alguna sorpresa en tu cacería decompósitos? Explica.3. ¿Alguno de tus compañeros no estuvo de acuerdo sobresi un objeto particular estaba hecho con un compósito o conmaterial puro? Describe el objeto y di por qué tú no estásde acuerdo.

En resumen

4. ¿Qué aprendiste en esta búsqueda de compósitos?5. Generalmente, ¿cómo diferencias un compósito de unmaterial puro?6. ¿Cuál de las tres diferentes categorías de compósitosobservaste? Da ejemplos y explica cómo los identificaste.

¿Qué diferentes usos puedesconsiderar para alguno de los compósitos encontrados?¿Existe una ventaja adicional del compósito sobre losmateriales puros para los usos descritos? Explica.

Me Pregunto¿Qué nuevas preguntas tienes sobre la composición de losdiferentes objetos? ¿Qué nuevas preguntas tienes sobre losdiferentes tipos de materiales, incluyendo materiales puros ycompuestos? Escribe al menos tres preguntas y la razón porla cual te gustaría encontrar sus respuestas.


8

resistentes. Los compósitosreforzados con fibras quecombinan las buenascualidades de cadacomponente, resultan en unmuy ligero pero muyresistente y rígido materialque puede usarse ennumerosas maneras, no solopara artículos deportivos.Además de ser clasificadospor su manufactura, loscompósitos pueden sertambién clasificados por suuso: como compósitosestructurales o comocompósitos funcionales. Uncompósito estructural, talcomo el triplay, está diseñadopara producir propiedadesmecánicas mejoradas,usualmente resistencia origidez o ambas. Uncompósito funcional estádiseñado para un usoparticular especializado. En el caso de las llantasautomotrices reforzadas conacero, las cintas de aceroayudan a prevenirexplosiones por pinchadurasy el poliester les permite sermás flexibles.

Un compósito es un materialcomplejo en el cual dos o mássustancias diferentes secombinan para producir unmaterial nuevo conpropiedades no presentes encualquiera de loscomponentes individuales.

Los compósitos modernos amenudo presentan una matrizcerámica o polimérica yconstituyentes de metal, fibrade vidrio o carbón.

Los compósitos no sonhomogéneos, esto es fácil deobservar a simple vista, ya quees posible distinguir loscomponentes que constituyenel compósito.

Hay muchos ejemploscomunes de cualquiera de lastres categorías de compósitos:particulados, laminados yfibro-reforzados.

El concreto es un ejemplocomún de compósitoparticulado.

La matriz, el cemento, semezcla con arena y gravapara formar el concreto. Elconcreto es más fuerte y másbarato (por volumen) que elcemento mismo.

El triplay es una compósitolaminado muy familiar. Eneste material, las hojasdelgadas de madera secolocan una sobre otra y sepegan de tal manera que lasvenas de la madera están enángulo recto alternadas encada capa, como se muestraen la figura.

Los compósitos fibro-reforzados incluyen losmateriales usados parafabricar implementosdeportivos, como son losbastidores reforzados congrafito para raquetas detenis. Estos materiales incluyen eluso de una matriz depolímero (un tipo deplástico) el cuál es muyligero y fibras de grafito, lascuales son enormemente

¿En quése parecelasiguiente

descripción de los materialescompositos, con lo que túobservaste durante tubúsqueda.

OONNCCEEPPTTOOSSCEEXX PP AA NN DD II EE NN DD OO

los

A c t i v i d a d 2 A C a z a r C o m p ó s i t o s

Compósito Funcional: Llanta

Caucho

Cinturonesde Acero

Capas de PoliesterForro

Interior

Compósito Estructural: triplay

9


En la Actividad 2 se aprendió que los compósitos tienen una gran variedad de

usos. Estos usos se basan en propiedades específicas del compósito.INTRODUCCION

Probando los Materiales por

su Resistencia y Rigidez.

Una manera informal de probar la resistencia y la rigidezde un material, es tratar de doblar una probeta. Cuando laprobeta se dobla, un lado del material se jala o tensa y elotro lado se comprime, como se muestra en la figura. Lasfuerzas que jalan se conocen como fuerzas de tensión, en lafigura éstas actúan en la parte superior de la barra. Entanto que las fuerzas que empujan se conocen como fuerzascompresivas, en la figura éstas actúan en la parte inferiorde la muestra. Nota que en algún lugar próximo a la mitadde la muestra, existe una región donde las fuerzas detensión y compresión se balancean y no existe ningunafuerza neta aplicada.

En la actualidad, probar los materiales por su resistencia yrigidez es un paso clave en el diseño y construcción de casicualquier objeto manufacturado.

En un compósito, dos o másmateriales están combinados paraformar un material conpropiedades mejoradas sobreaquellas de la matriz y de los

materiales constituyentes. Entre las propiedadesque los científicos a menudo buscan mejorar estánla resistencia y la rigidez de un material.

3

Probeta antes de su flexión

Probeta después de su flexión

tensión

Compresión

ONCEPTOCEL

detrás de los

COMPÓSITOS

10

A c t i v i d a d 3 P r o b a n d o l o s M a t e r i a l e s p o r s u R e s i s t e n c i a y R i g i d e z

Pero hace menos de 100 años probar los materiales raras

veces se hacía. Esta carencia de pruebas algunas veces

conducía a trágicos resultados: puentes colapsados, desastres

en la aviación y barcos hundidos, debido a la debilidad o

fragilidad de los materiales usados en su construcción.

Un ejemplo funestamente famoso del fracaso de la ingeniería

fue el Titanic. En 1912, este lujoso coloso de acero se hundió

en su viaje inaugural, después de chocar con un gran iceberg.

Años después, el análisis del acero usado para su construcción

reveló que era realmente muy débil. Los científicos

encontraron altos niveles de azufre en el metal. Esta impureza

debilita el enlace entre los átomos de hierro en el acero.

Aunque el acero era lo suficientemente rígido para usarse en

la construcción del barco, no era lo suficientemente resistente

para soportar el tipo de fuerzas a las que se sometería en su

navegación por el Atlántico Norte. Y desafortunadamente

para los miles de pasajeros y para la tripulación a bordo del

Titanic, nadie sabía qué tan débil estaba el

coloso hasta el momento del choque lateral

con el témpano de hielo.

Este fragmento de placa deacero del Titanic tiene losbordes mellados, esoindica fragilidad.

El Titanic antes de su viajeinaugural

11


Explorando la Diferencia entre Resistencia y RigidezACTIVIDAD

¿Qué pasa si te sientas en una silla muy débil? Laspatas se quiebran bajo tu peso. Imagínate hundiéndote en un sofá muy suave,estarías descansando únicamente a unas pocaspulgadas sobre el piso. Resistencia y rigidez sondos propiedades distintas de los materiales, ambasson muy importantes, dependiendo de la aplicacióno uso de los materiales. ¿Bajo que circunstancias tegustaría un material resistente y rígido? ¿Bajo quecircunstancias te gustaría un material resistente yflexible?Conforme realizas la

actividad, ten presente lassiguientes preguntas:

¿Cómo se defineresistencia?

¿Cómo se define rigidez?

¿Cómo varían los materialesen resistencia y rigidez?

En

base a las propiedades

resistencia/debilidad y

rigidez/flexibilidad, ¿Qué

usos puedes imaginar para

los diferentes materiales?

Predicciones Cuando se realice la parte A de estaactividad, obtendrás muestras de diferentes materiales

para probarles su resistencia y rigidez. El maestroinicialmente podrá listar en el pizarrón los materiales queprobarás en clase. Para cada uno de los materiales de lalista, haz la predicción de si es débil o resistente y si es rígidoo flexible. Registra en una tabla tus predicciones sobre cadamaterial.


Materiales que probarás.Predicciones sobre la resistencia esperada de losmateriales.Predicciones sobre la rigidez esperada de los materiales.Cómo probaste su resistencia y rigidez.Clasificación de los materiales del más resistente almás débil.Clasificación de los materiales del más rígido al másflexible.Cualquier otra observación que tengas sobre losmateriales

3


12

LLaassppaattaass eessttáánnddeemmaassiiaaddoo

ddéébbiilleess..

A c t i v i d a d 3 P r o b a n d o l o s M a t e r i a l e s p o r s u R e s i s t e n c i a y R i g i d e z

Clasificando Materiales por su Resistencia y Rigidez.Trabaja en pareja para probar y clasificar cada muestra de material disponible.

Parte A

Procedimiento, Observaciones y Datos

Discute qué significa que un material sea: a) resistente y b) rígido. Durante la discusión,considera qué pasa cuando se aplica una carga a los materiales y cuando tratas dedoblarlos. Formula definiciones claras tanto de resistencia como de rigidez.

Prueba las probetas y clasifícalas cada una independientemente de acuerdo con suscaracterísticas en cuanto a resistencia y rigidez. Clasifica los materiales del más resistente almás débil y luego en forma separada, del más rígido al más flexible. Registra los resultadosen tu tabla.

ReflexionesCompara tus predicciones con los resultados de las pruebas. ¿Te sorprendieron?

Explica por .

Ubicando Materiales en una Gráfica de Resistencia/Rigidez.Discute tus resultados en la clase.

PARTE B

Discusión

Utiliza una gráfica como la que se muestra enseguidapara ubicar los diferentes materiales que probaste.

Por cada material probado, discute dónde lo colocarías enla gráfica de Resistencia/Rigidez. Si algunos compañeros declase no están de acuerdo en la ubicación, cada personadebe pensar las maneras de convencerlos acerca de por quése eligió esa ubicación. Continúa la discusión hasta que laclase esté de acuerdo en la colocación de cada uno de losmateriales probados.

Resi

sten

cia

Rigidez

13


El que

pregunta es untonto por cincominutos, pero el que no pregunta permanece tontopara siempre.

proverbio chino

Ahora, observa la gráfica que hiciste durante tubúsqueda de compósitos. Con tus compañeros de clase, hazuna gráfica por separado para clasificar los materialeslistados en esta tabla. Después de clasificar cada uno de loscompósitos en función de su resistencia y rigidez, observa enellos los materiales que lo constituyen. ¿Qué material le da alcompósito su resistencia? ¿Cuál consideras que le da surigidez o flexibilidad? Usa un color o símbolo para elcompósito y otro color o símbolo para cada componente delmaterial.

En resumen

1. ¿Qué aprendiste sobre la resistencia y rigidez de losdiferentes materiales?2. ¿Cómo puedes demostrar a alguien que resistencia yrigidez son propiedades independientes?3. ¿Qué aprendiste sobre la resistencia y rigidez de losmateriales compósitos comparados con la resistencia yrigidez de sus componentes?

En términos de resistencia y rigidez,¿cómo se relacionan las diferentes propiedades de losmateriales por su uso? Piensa en ejemplos específicosbasados en los diferentes usos para los materiales que sediscutieron en grupo.

Me pregunto¿Qué nuevas preguntas tienes sobre resistencia, rigidez ylas propiedades de los diferentes materiales? Escribe tres omás preguntas a las que te gustaría encontrar respuesta. Dila razón por la cual te gustaría encontrar las respuestas acada una de esas preguntas.


14

Resistencia es la medida de lafuerza requerida para romperalgo o causarle deformación uotro tipo de falla. Rigidez esuna medida de qué tantoun material se deformará,flexionará o se elongará cuandouna fuerza (o peso) se aplica ose cuelga del mismo. Cuandopruebas un material al doblarlocon la mano, empujas sobre él.A su vez, el material empuja deregreso hacia ti en sentidoinverso. Para visualizar esteproceso más completamente,piensa como si el material fueraun resorte. Comprimes el resortecon una cierta fuerza y el resorteempuja en sentido contrario conuna fuerza igual y opuesta.Ahora, toma esta analogía anivel microscópico. El resorteconceptual son los enlaces entrelos átomos o moléculas delmaterial. Tales enlacesinteratómicos -pueden serenlaces covalentes, enlacesiónicos, enlaces metálicos,puentes de hidrógeno, o fuerzasde Van der Waals- todosmuestran un cierto

muelleo elástico. La acción decompresión y tensión a la quesometemos un material se puede,por analogía, considerar queresulta en la deformación delmismo en respuesta a la acciónde empujar (compresión) o jalar(tensión) estos minúsculos"resortes".Técnicas avanzadas de imágenrevelan que en una pieza demetal bajo la acción de unesfuerzo, los átomos en el metalrealmente se muevenexactamente en la proporción dela cantidad en la cuál el metalcambia su forma debido alesfuerzo aplicado.

Pero los enlaces interatómicos, aligual que los resortes, puedenforzarse únicamente hasta antesde que fallen. A nivel moleculardescribir la falla del material esun aspecto complicado. En unsólido frágil, tal como el vidrio,el material puede fracturarsecuando se somete a estrés.

En este caso, dos capasadyacentes de átomos omoléculas se separancompletamente. Con otrosmateriales, tales como losmetales, los planos de átomos omoléculas se deslizan una sobrela otra y el metal se estiraextensivamente antes que ocurracualquier fractura.Todos los materiales están llenosde defectos: impurezas, roturas,cráteres y escoria. Estasimperfecciones tienen un efectoen detrimento de la resistenciadel material. Piénsalo de estamanera. Romper una hoja depapel jalándolo generalmenterequiere mucha fuerza.

Pero pensemos que el papeldesarrolla una pequeña roturaen su centro. Ahora, debido aeste defecto, es más fácil jalar lapieza de papel y romperlo. Losdefectos forman parte de talmanera del mundo de losmateriales que pocos materialesexhiben más del 10% de suresistencia teórica antes de quese rompan o fallen.

¿Cómodefinesresistenciay rigidez?Compara

tus definiciones con las que sete proporcionan. Puedesenriquecer la comprensión deestos conceptos leyendorespecto a lo que pasa a losmateriales a nivel atómico.

FuerzasCompresivas en

Átomos

Atomo sin Fuerzasde Tensión oCompresión Fuerzas de Tensión en

Átomos


los

15A c t i v i d a d 3 P r o b a n d o l o s M a t e r i a l e s p o r s u R e s i s t e n c i a y R i g i d e z


En la Actividad 3 se aprendió que algunos materiales son muy resistentes,

pero no muy rígidos, como la cuerda de nylon. Otros materiales son

rígidos, pero no muy fuertes, tales como el gis o el yeso.INTRODUCCION

Compósitos en Artículos Deportivos

Los filamentos de grafito y otros materiales se puedencombinar con polímeros para formar un compósito que sepuede utilizar para hacer una raqueta de tenis resistente,rígida y ligera.

Cualquier compósito hechopor el hombre estáespecíficamente diseñadopara tomar ventaja de losmejores atributos de cadauno de los materiales que locomponen. Los artículosdeportivos ilustran muy bieneste punto. Muchos de éstosse fabrican con compósitos defibras reforzadas, los cualesson resistentes, rígidos yligeros.En estos compósitos elmaterial que compone lamayor parte o matriz, es unplástico o es similar a éste,que llamaremos másapropiadamente "polímero".Los polímeros puros usados enartículos deportivos sonligeros, pero débiles. Sinembargo, presentan lahabilidad de podercombinarse con materialesmás resistentes, tales como lasfibras de grafito. Comoresultado, el compósito depolímero fibro-reforzado esmuchas veces más resistente yrígido que el polímero puro ymucho menos denso que los materiales puros, tales

Cuando un material resistente y flexiblese combina con un material rígido ydébil, el resultado puede ser uncompósito con las cualidades deseablesde ambos componentes: resistencia yrigidez.

4

ONCEPTOCEL

detrás de los

COMPÓSITOS

16

A c t i v i d a d 4 P r o b a n d o l a R e s i s t e n c i a y R i g i d e z d e u n C o m p ó s i t o d e E s p u m a

como la madera. En este compósito, la combinación de unpolímero débil pero ligero con las resistentes y rígidas fibras degrafito, forman un material que es ligero, resistente y rígido. Yperfecto para una raqueta de tenis.

Las raquetas de tenis modernas son una maravilla de laingeniería de loscompósitos. Comparadascon las anteriores quetenían una estructura demadera, las raquetashechas de compósitosson muy ligeras, rígidas yresistentes. Un núcleo deespuma de plástico formala estructura y el mangode la raqueta. Elmaterial es semejante a laprobeta de espuma deplástico de la próximaactividad que vas a hacer.Varias capas de polímerosreforzados con grafitocubren este núcleo,reforzando la estructurade la raqueta yhaciéndola rígida sin agregar mucho peso.

Las raquetas hechas de tales compósitos ayudan a mejorar eljuego de todos los jugadores de tenis, amateurs y profesionales.Al ser ligera en peso, la raqueta es más fácil de manejar ycontrolar; al ser resistente, la raqueta puede soportar el fuerteimpacto de la pelota; al ser rígida, la raqueta no se deformacuando la pelota le pega, así la mayor parte de la energíaaplicada en la raqueta contribuye a la respuesta del servicio.

Los polímeros reforzadoscon grafito se mezclan yse colocan en un moldepara que endurezcan.Después de 10 a 40minutos en un horno a300° F, el bastidor de laraqueta se separa delmolde.

17

Probando la Resistencia y Rigidez de un Compósito de EspumaACTIVIDAD

¿Crees que puedes quebrar una hoja de espuma depoliestireno (nieve seca) solo con tus manos? Por supuesto,sería ¡muy fácil! Pero supón que tiene algunas piezas depapel grueso. ¿Cómo podrías usar el papel y estos bloquesjuntos para hacer un material que es más resistente y rígidoque cada uno de los materiales por sí solos?

Piensa sobre estaspreguntas conformerealizas la siguienteactividad:¿Qué combinación debloque de espuma ypapel hace más resistentey rígido al materialcompósito?¿Cuáles son los factoresque pueden afectar laresistencia y rigidez delcompósito?

Después de que hasdiseñado un materialcompósito, por qué esimportante construirlocuidadosamente.

Probando los Compósitos ManualmenteLee la descripción de las probetas a probar.PARTE A

Predicciones Después de leer respecto alas probetas, predice cuál de las cuatro será la más

rígida. ¿Cuál piensas será la más flexible? ¿Cuál será la másresistente? ¿Cuál será la más débil? Clasifica todas lasprobetas considerando de la más rígida a la más flexible yluego de la más resistente a la más débil. Escribe tuspredicciones en una tabla de datos y discute las bases paracada una de ellas.

Núcleo de Espuma

Cara Superior

Núcleo de Espuma

PapelGrueso

Núcleo deEspuma

Carainferior

Adhesivo

Cara Superior

Papel Grueso

Núcleo deEspuma

Cara inferiorcon adhesivo

Desunión

A). Bloque de espuma depoliestireno (nieve seca).

B). Papel en una sola cara:Un bloque de espuma depoliestireno con un papel gruesopegado al fondo.

C). Papel en las dos caras: Unbloque de espuma de poliestirenocon papel grueso pegado al fondoy al tope.

D). Desunión: Un bloque deespuma de poliestireno con papelgrueso pegado al fondo y al tope;el papel pegado a la parte inferiortiene una desunión, como semuestra en la figura. Este defectose situará en la parte media delcompósito diseñado.

Adhesivo

Carainferior

4


18 M ó d u l o C o m p ó s i t o s


Reflexiones

1. Compara los resultados con tus predicciones. ¿Te sorprendieron algunos de ellos?

Explica.

2. ¿Qué tan convincentes piensas que son estas pruebas? ¿Piensas que alguien más te

creerá los resultados sin ver el desarrollo de las pruebas? ¿Por qué si y por qué no?

3. ¿Qué otras pruebas para resistencia y rigidez podrías hacer sobre las diferentes

probetas para obtener resultados más precisos y menos subjetivos?

Prepara una tabla de datos y registra:

• Descripción de cada uno de los compósitos diseñados.• Tu predicción de clasificación por rigidez• Tu predicción de clasificación por resistencia.• Clasificación por rigidez cuando doblas la probeta con

la mano.• Clasificación por resistencia cuando doblas la

probeta con la mano.• Clasificación por rigidez cuando haces la prueba

de la viga en voladizo.• Clasificación por resistencia cuando haces la prueba

de la viga en voladizo. • Cualquier otra observación que desees agregar.

Procedimiento, Datos y Observaciones

Construye un grupo de probetas de compósitos de poliestireno y papel como las descritas anteriormente o pídelas a tu maestro. Flexiona cada una de las probetas con la mano y clasifícalas: de la más rígida a la más flexible y de la másresistente a la más débil. Procura ser cuidadoso de no quebrarlas, pues harás más pruebas.

TTeennííaarraazzóónn,, ééssttee eess eell

rrííggiiddoo..

SSeeddoobbllaa ffáácciillmmeennttee,,

sseerráá ffuueerrttee??

UUhh--oohh!! ssii ssee qquuiieebbrraa

eessttaarréé eennpprroobblleemmaass..

19


Las mentes son

como los paracaídas.Funcionan únicamente cuandoestan abiertas.

Sir James Dewar, científico británico

La Prueba de la Viga en VoladizoPARTE B

¿Estuvieron todos de acuerdo sobre la clasificación de laresistencia y rigidez de los cuatro compósitos diseñados? Muyprobablemente en tu grupo, como es de esperarse, se presentaronalgunos desacuerdos al desarrollar las pruebas manualmente.Con la prueba de la viga en voladizo, puedes medir la resistenciay rigidez de las probetas de espuma con mayor precisión.

Predicciones Lee cuidadosamente elprocedimiento para la prueba de la viga en

voladizo. En esta prueba debes ser cuidadoso al colocar lacarga en el extremo de cada viga de compósito o espuma.Medirás cuánto se dobla la viga -o se distorsiona- conforme seincrementa la carga. Predice cómo se comportarán lasdiferentes vigas dibujando una gráfica de la deflexión enfunción de la carga aplicada a cada una de las cuatro vigas.


Descripción de las diferentes vigas.La masa de cada una de las cuatro cargas que elegistepara la prueba.La deflexión que cada viga experimenta por cada unade las diferentes masas.Cualquier otra observación que desees agregar.

Reúne los siguientes materiales:Probetas de viga-espuma de la parte A.Un sargento, como los que se utilizan en carpintería, detamaño adecuado.4 o más masas de 50 a 500 gr. 2 reglas graduadas hasta los milímetros.Resorte.TachuelasMarcadoresPapel para graficarPapel y lápiz

20


Procedimiento

Sujeta un extremo de la viga a una mesa, como se muestra enla figura, utilizando para ello el "sargento". Cuando pruebes la vigareforzada por una hoja de papel, coloca la cara reforzada haciaabajo de la viga; cuando pruebes la viga con el defecto de desunión,colocala en la parte inferior.

Selecciona masas de entre 50 a 500 gramos, para combinarcuatro o más cargas diferentes. Registra las cargas que decidas utilizaren la tabla de datos.

Cuelga al extremo libre de la viga la masa de menor peso,utiliza una tachuela para fijar el resorte.

Mide la deflexión de la viga provocada por la carga colocandouna regla a lo largo del borde superior de la viga, mide eldesplazamiento del extremo respecto a la posición sin carga, como semuestra en la figura. Registra la deflexión en la tabla de datos.

Repite la prueba y aumenta la carga tres veces más. Registrala deflexión. Haz la prueba de la viga en voladizo con las demásprobetas.

Datos yObservaciones

Registra lasobservaciones que tengas delas cuatro probetas conformefueron colocadas bajoincremento de cargas.

Grafica tus resultados.

21

PPrroobbeettaaDDeefflleexxiióónn

LLoonnggiittuuddLLiibbrree

PPiinnzzaa

MMeessaa ddee LLaabboorraattoorriioo

Peso


Un

descubrimiento consiste en ver lo que todos han visto pensando lo que nadie ha pensado.

Albet Szent-Gyorgyi, científico húngaro

Interpretación de los datos

1. ¿Cómo puedes decir cuál de las probetas es la másresistente?

2. ¿Cómo se relaciona la pendiente de tu gráfica con larigidez de las probetas?

Reflexiones

3. Al observar los resultados obtenidos, por la prueba dedoblado manual y con la de la viga en voladizo ¿cómo secomparan estos resultados?

4. ¿Cómo se compara la gráfica con la predicción querealizaste previamente al experimento, con la obtenida conla prueba de la viga en voladizo? ¿Te sorprendió algunode los resultados? Explica.

En resumen

5. ¿Por qué piensas que al pegar el papel a la viga de "nieveseca" cambió la resistencia y rigidez de la viga?

6. ¿Qué factores piensas fueron los más importantes paraincrementar la rigidez del compósito? Explica.

¿Cómo usarías la informaciónadquirida al hacer esta actividad, si desearas hacer un nuevocompósito compuesto de diferentes capas de materiales?

Me pregunto

¿Qué nuevas preguntas tienes sobre los compósitos?Escribe al menos tres preguntas de las que te gustaría saberlas respuestas y por qué quieres aprender estas cosas.


22


La espuma de poliestireno quese utilizó para formar las vigasde compósitos, que hastrabajando, se produce enenormes hojas que se usancomo aislante térmico en losedificios. Aún la más grandede estas es muy ligera, tantoque una persona la puedecargar. La razón: este materialestá lleno de burbujas de aire.Las burbujas de aire ayudan aexplicar por qué la espuma depoliestireno esdébil cuando ladoblas. Alflexionar seocasiona lafractura delas burbujas.Cuando muchas de éstas sequiebran en un área, laespuma cede. Así estaestructura formada porburbujas ayuda a explicar porqué la espuma es flexible y norígida.

Burbujas de aire enPoliestireno

La flexión requiere que la partesuperior del material se estire yla parte inferior se comprimacuando se aplica una fuerzahacia abajo a ambos lados delmaterial. Las burbujas de aireen la viga se pueden estirar ycomprimir en alta proporción,lo cuál permite a la espuma serflexible. El papel está hecho defibras de celulosa, tienepropiedades diferentes a las dela espuma. Como seguramentelo habrás experimentado,puedes romper una hojagruesa de papel fácilmente;también puedes doblarla, perono puedes estirarla ocomprimirla mucho. Estosignifica que el papel es enrealidad bastante resistente enla dirección longitudinal.Cuando se adhiere papel aambas caras de la viga deespuma, el compósito resultantese comporta en forma similar aotro compósito familiar: elcartón corrugado. Toma encuenta la siguiente explicacióny aplícala al compósito deespuma, para comprender porqué elcompósito esmás resistente yrígido que losmaterialesoriginales.

El cartón presenta unaestructura central de papelcorrugado la cual estáadherida a dos hojas lisas depapel en su parte superior einferior. Aunque por sí mismala base corrugada es bastanteflexible, su "piel" de papelpegada al núcleo no se estira.Estas cubiertas de papel limitanla flexibilidad de la basecorrugada. El papel reforzadotrabaja bien cuando estápegado firmemente a la basecorrugada. Sin embargo,cuando no se le aplica bien elpegamento y quedan espacioslibres de cualquier medida, elcartón resultante no es tanrígido. Así cuando el cartón sedobla, la cubierta de papel condefecto no puede soportar lasfuerzas compresivas aplicadasal cartón. El cartón se doblaen la separación y si se aplicasuficiente fuerza, se quebrará.

Corte transversal de cartóncorrugado

Utiliza ladescripcióndecompósitosde espuma

de poliestireno y papel, asícomo la explicación de por quéel cartón corrugado esresistente, para dar tu propiaexplicación de por qué las vigasde espuma reforzada secomportaron como lo hicieron.


los

23

PPaappeell lliissoo

PPaappeell lliissoo

DDeessuunniióónn

CCeennttrroo ccoorrrruuggaaddoo


¿Cómo se diseñan, prueban y producen los nuevoscompósitos? Realiza este proyecto de investigación paradarte cuenta.ACTIVIDAD

Investigando los Compósitos

El trasbordador Discoverydespegando de su base.

¿Sabías que la cubierta del trasbordador espacial estáhecha de un material compuesto principalmente dearcilla? Los compósitos hechos por el hombre se usan para unaamplia variedad de propósitos, y están constituidos apartir de un gran número de materiales. Piensa en algún compósito que te gustaría conocer unpoco más. La siguiente lista puede ayudarte aseleccionar un tópico:

Componentes de avionesPrótesisZapatos deportivosPlacas para bateríasArmazón de bicicletaCascos para ciclistasChalecos antibalasCubiertas para computadoraHerramientas de corteCañas de pescarPalos de golfCarros de carrerasPartes para cohetes

5

Vidrios de seguridadEsquíesLosetas para trasbordadorespacialComponentes para estaciónespacial.Bombardero imperceptibleLlantas para autos concinturón de aceroTablas para surfearRaquetas de tenisGarrochasPapalotes o cometas

24

A c t i v i d a d 5 I n v e s t i g a n d o C o m p ó s i t o s

Investigar es irse

por los callejones para ver si tienensalida.

Marston Bates,científico americano.

Escoge el compósito. Puedes ir a la biblioteca o usar los

recursos de internet para investigar cómo se desarrolló y

cómo se usa. Si tienes problemas para encontrar referencias,

podrías empezar buscando en la Revista del Consumidor.

Busca al menos tres artículos de revistas u otras fuentes de

información sobre tu tópico. Conforme localizas la

información, mantén una bibliografía completa de todas

las fuentes.

Después de leer tus artículos y tengas tu investigación

completa, escribe un reporte describiendo: el desarrollo, la

manufactura y el uso del compósito. El reporte debe incluir

introducción, cuerpo del reporte, conclusión y bibliografía. En

la introducción di de qué está hecho tu compósito y describe

el material sobre el cual estarás enfocado. En el cuerpo del

reporte indica cómo se desarrolló el compósito y como se

hace; también describe detalles de su uso; finalmente evalúa

las ventajas y desventajas principales de este material,

incorporando una evaluación de aspectos económicos y

ambientales de su manufactura y uso. En tu conclusión

postula comentarios personales de las aplicaciones futuras del

compósito o el posible desarrollo de materiales derivados.

Agrega la bibliografía completa a tu reporte, usando el siguiente estilo:

Para artículos de revista:Autor(es). "Título del Artículo". Nombre de la Revista, volumen, (fecha), páginas.

Para Libros:Autor. Título. Lugar de publicación: Editorial, edición, fecha, páginas.

Para Fuentes de InterNet: Autor. Título. Dirección de Internet.

25

Diseñando una Caña de Pescar

"Atrapa Más", que es una compañía proveedora de pescado, está promoviendo

una competencia para el diseño de una nueva caña de pescar. La caña de pescar

ganadora deberá hacerse de un material compósito. ¡Participa en la competencia y

toma el desafío de diseñarla!

A tu grupo se le dará un conjunto de popotes para que se usen como base para el

diseño del prototipo. Se formarán equipos de trabajo; con tu grupo diseñarás, cons-

truirás y probarás un conjunto de prototipos de cañas de pescar. Después de evaluar

tus diseños y de haber sido criticado por los otros equipos de trabajo, tu equipo

tendrá una oportunidad de rediseñar su caña de pescar sobre la base de lo que

aprendieron trabajando sobre su diseño original.

P r o y e c t o d e D i s e ñ o 1 D i s e ñ a n d o u n a C a ñ a d e P e s c a r

PROYECTODE

DISEÑO

1

ATRAPA MASpresenta

Competencia de Pesca DDeebbíírreeffoorrzzaarr mmii

ccaaññaa..¡¡HHeeyy!!EEssttaa ccaaññaa ssee ddoobbllaa mmuuyy bbiieenn,,ppuueeddoo ppeessccaarr ppeerrffeeccttaammeennttee..

NNoo

ppuueeddoo ssaabbeerr ssii eessttáá ppiiccaannddoo

uunn ppeezz,, llaa ccaaññaa eessttáá mmuuyy rrííggiiddaa..

27


Tu meta es diseñar una caña de pescar,hecha de un material compósito cuya base esun popote de plástico. La caña de pescarganadora deberá ser resistente, ligera y

tener máxima flexibilidad. Para competir exitosamente enesta competencia, tu grupo necesita completar los siguientespasos:

Sugiere una propuesta para un conjunto deprototipos de cañas de pescar.

Discute diferentes diseños para cañas de pescar y decide sobre unconjunto de prototipos de cañas de pescar, que se diferencíen entre síen un elemento de diseño sencillo. Los prototipos deben seguir lassiguientes restricciones:

1. El diseño debe incorporar los popotes proporcionados.2. Ninguna caña de pescar puede tener un diámetro más grande que

0.5 cm mayor al diámetro de un popote original.3. Ninguna caña de pescar puede ser más larga o más corta que el

popote original.4. Cada conjunto de prototipos debe incluir de tres a cinco cañas de

pescar en el cuál varía una característica por conjunto; al probarque cada conjunto de prototipos difiera en una variable sencilla, tugrupo podrá evaluar mejor la efectividad del diseño.

Predice cómo se desempeñarán los prototipos

Haz una predicción sobre cuál prototipo de caña de pescar, eneste primer conjunto de diseño, se desempeñará mejor yexplica la razón de tu predicción.

Desarrolla y sigue un procedimiento repetible paraconstruir y probar tus prototipos

Lista los pasos en la construcción de los prototipos y describecomo los probarás para evaluar su desempeño, de acuerdo conlos criterios de la competencia.

Conforme trabajas en tu

diseño, piensa en estas

preguntas:

¿Cuáles son algunas de las

características importantes de

una buena caña de pescar?

¿Cómo puedes medir cada

una de estas

características?

¿Cuáles son los beneficios y

desventajas de los compósitos

usados para tu prototipo de

caña de pescar?

DEL DISEÑO

RE L

ETO

28

P r o y e c t o d e D i s e ñ o 1 D i s e ñ a n d o u n a C a ñ a d e P e s c a r

Para inventar,

necesitasbuena imaginación yun montón dechatarra

Thomas Edison,inventor americano

Registra los datos de las pruebasConstruye una tabla para cada prueba, registra los datos, y

resume los resultados de cada prueba.Interpreta los datos de las pruebas

Construye gráficas de los datos registrados. Compara y

contrasta las gráficas. Luego, esboza tus conclusiones en base a

tu interpretación de los datos y explica las razones de tus

conclusiones.Reflexiona sobre tus predicciones originalesDiscute cómo los resultados de las pruebas de los prototipos

confirmaron o difirieron de las predicciones hechas. Analiza las

posibles fuentes de error experimental, defectos en el

mecanismo de prueba y/o medición, que originen o sugieran

posible incertidumbre.Presenta tus prototipos y los resultados de tuspruebasDescribe tus prototipos y cómo los hiciste. Explica cómo

aplicaste tu banco de pruebas y los resultados de tus pruebas

sobre los prototipos. Invita a tus compañeros a evaluar tus

prototipos y métodos de prueba y escribe los comentarios y

sugerencias que se desprendan.Analiza los prototipos de tus compañerosAnaliza cómo se construyeron los prototipos, cómo se probaron

e interpretaron los resultados. Sugiere maneras de mejorar

cualquiera de estos pasos.Rediseña tu caña de pescarSugiere un nuevo diseño de tu caña de pescar basado en lo

que aprendiste trabajando con tu primer conjunto de prototipos

y de lo que aprendiste de las críticas recibidas y de las hechas

a los prototipos de otros grupos. Repite el ciclo de diseño para

construir, probar y analizar tu segundo conjunto de prototipos.

29


El éxito nunca

es definitivo

Sir Winston Churchill, estadista inglés

Habla sobre los Resultados de la CompetenciaAnaliza los resultados de la competencia de diseño de la cañade pescar. Habla sobre cómo los ganadores siguieron los criteriosde la competencia. Celebra con tu clase el haber participado enel reto de diseño.

Escribe las Conclusiones que Aprendiste Duranteel Proceso del DiseñoExplica lo que aprendiste sobre los materiales compósitos y sobreel proceso de diseño, construcción y prueba del prototipo alparticipar en la competencia de la caña de pescar.

Haz un Registro del Diseño

Cada equipo debe mantener un registro mientras participa en eldesafío del diseño. Su maestro puede proporcionales hojas detrabajo para registrar las actividades conforme se diseñan,prueban y evalúan los prototipos. En este registro seguirán elproceso indicado anteriormente. Puedes utilizar tu cuadernopersonal. Asegúrate de registrar todas tus ideas, aún aquellasque decidas que no funcionarán por alguna razón. Pueden serútiles más tarde o darte una pista sobre algo que no entendisteantes.

Diseño GanadorEl prototipo ganador reunirá los siguientes criterios de

desempeño:Es lo suficientemente resistente como para soportar 200 g sinfallar.Es lo suficientemente flexible como para flexionarse al menos2 cm con una carga de 200 g.Es la caña de pescar más resistente para su peso. Esto serácalculado dividiendo la carga más grande que puede soportar sin fallar entre la masa de la caña:

carga máxima

masa de la caña

Coeficiente deresistencia

=

30

Diseñando un Nuevo Material

Eres un ingeniero que trabaja para "DISEÑO SIN LÍMITE", una compañía que diseñay construye prototipos de nuevos materiales compósitos y productos hechos de estosnuevos materiales. Te espera una excitante, pero demandante carrera en estacompañía.

Tu primera asignación es desarrollar un nuevo material compósito que se pueda usarpara crear un nuevo producto o mejorar uno ya existente. En este proceso construirásun conjunto de muestras de tus compósitos, las probarás y decidirás cuál muestra esla más exitosa acorde a los criterios de prueba que consideres necesarios.Posteriormente rediseñarás el material, en base a lo aprendido de las pruebas querealizaste en el primer conjunto de muestras. Como ingeniero profesional, trabajarásen equipo para fijar y alcanzar las metas. En colaboración con tu equipo, serásresponsable de mantener registros detallados de tu trabajo, a través de un reporteescrito, dando una presentación sobre tu compósito e incorporando retroalimentaciónde los otros equipos de diseño. ¡Buena suerte en tu nuevo trabajo!

P r o y e c t o d e D i s e ñ o 2 D i s e ñ a n d o u n N u e v o M a t e r i a l

PROYECTODE

DISEÑO

2

31

Tomamucho tiempo hacer

pelotas con ligas elásticas.

Parael experimento

todas las pelotasdeben caer desde la

misma altura.

¿Cuálpelota rebotará

mejor?¿La de canicao la de frijoles?

¿Ola del núcleo dearcilla? Pronto

sabremos.


Tu tarea es diseñar un nuevo compósito.Sigue estos pasos y ¿quién sabe?, ¡tú puedesser el Thomas Edison del Siglo XXI !

Sugiere una Propuesta para un Nuevo CompósitoReflexiona sobre las invenciones que pudieran ayudar a hacerla vida más fácil. Piensa sobre los objetos que has usado, queno funcionan tan bien como quisieras, ¿Podrían trabajar mejorcualquiera de éstos si se hicieran de nuevos compósitos?Puedes también pensar sobre nuevos compósitos que pudieranser útiles por sí mismos. Realiza en tu grupo una lluvia de ideaspara el desarrollo de un nuevo compósito, iniciando por laelección de un tema.

Al proponer los ejemplos, considera que el conjunto demuestras debe seguir las siguientes restricciones:

1. Las muestras deben hacerse de un material compósitoque no se produce comercialmente.

2. Cada conjunto de prototipos debe incluir de tres a cincovariantes en las cuáles se modifique un solo parámetro. Alcambiar una característica sencilla del material, el grupoevaluará mejor la efectividad de su material.

Decide los Criterios de Evaluación de tus Muestras Piensa sobre las características más importantes de tu

compósito. Haz una lista de las formas de evaluar cada

característica que debe cumplir el prototipo muestra. Usa esta

lista para discutir los criterios más importantes a evaluar.

Predice cómo se Comportarán los CompósitosHaz una predicción sobre cuáles muestras en tu primerconjunto de diseño se comportarán mejor y ofrece razonespara tu predicción.

Piensa sobre estas preguntasconforme trabajas con loscompósitos prototipo:

¿Cómo podrías mejoraralgo que usasocasionalmente o todos losdías al fabricar un nuevomaterial compuesto?

¿Qué nuevo tipo dematerial pudiera conducir aldesarrollo de nuevosproductos?

¿Cuáles son lascaracterísticas másimportantes de loscompósitos que estásdiseñando?

¿Cómo puedes medir oprobar estas características?

¿Cuáles son algunosbeneficios y desventajas dehacer y usar los compósitosque diseñas?

DEL DISEÑO

RE L

ETO

32

P r o y e c t o d e D i s e ñ o 2 D i s e ñ a n d o u n N u e v o M a t e r i a l

Genio es

1% inspiración y 99% transpiración.

Thomas Edisoninventor americano

Desarrolla y sigue un procedimiento repetiblepara construir y probar tus muestrasEnlista los pasos en la construcción de las muestras de loscompósitos y describe cómo probarás las muestras, paraevaluar su desempeño acorde al criterio que has seleccionado.

Registra e interpreta los datos de las pruebasHaz tablas de registro de datos de tus pruebas; registra,

resume e interpreta los datos. Luego, señala las conclusiones en

base a tus interpretaciones.

Reflexiona sobre tus predicciones originalesDiscute cómo los resultados de las pruebas a las muestras

confirmaron o difirieron de tus expectativas. Analiza las fuentes

de error experimental.

Presenta tus compósitos y los resultados de tuspruebasDescribe tu compósito y discute cómo planeas usarlo. Presenta

tus muestras y explica cómo las hiciste. Explica los resultados y

cómo interpretaste los datos de las pruebas. Invita a tus

compañeros a evaluar tus muestras, tus métodos de prueba y

los usos propuestos para tu material compuesto. Escribe en la

bitácora los comentarios y sugerencias.

Analiza los compósitos de tus compañerosDe forma similar evalúa los usos propuestos para los

compósitos hechos por tus compañeros. Analiza cómo se

construyeron y probaron las muestras y cómo se interpretaron

los resultados. Sugiere maneras de mejorar cualquiera de

estos pasos.

33


n inventorsabe cómo pedir prestadoy todos somosodeberíamos ser inventores.

Ralph Waldo Emersonfilósofo americano

Rediseña tu material compuestoSugiere un nuevo diseño mejorado para tu compósito, en base

a lo aprendido trabajando con tu primer conjunto de muestras;

así mismo, de las experiencias y propuestas hechas por otros

equipos de trabajo. Repite el ciclo de diseño para la cons-

trucción, prueba y análisis de un segundo conjunto de

muestras.

Prepara un reporte final sobre tu material compuestoEscribe un reporte que incluya: introducción, descripción de la

construcción y proceso de prueba y una recomendación final

sobre tu material. Discute quién estaría interesado en este

material y evalúa si sería útil manufacturarlo.

Resume las conclusiones sobre lo que aprendistedel proceso de diseñoExplica lo que aprendiste sobre el proceso de diseño, cons-trucción y prueba de tus compósitos prototipo. Reflexiona sobrelo aprendido de los compósitos. ¿Si disfrutaste este procesoconsideras posible continuar una carrera en la ciencia demateriales o en ingeniería?

Mantén un Registro del Diseño

Cada equipo debe mantener un registro mientras participa enel desafío del diseño. Su maestro puede proporcionarles hojasde trabajo para registrar las actividades conforme se diseñan,prueban y evalúan los prototipos. En este registro seguiránel proceso indicado anteriormente. Puedes utilizar tu cuadernopersonal. Asegúrate de registrar todas tus ideas, aún las quedecidas que no funcionarán por alguna razón. Pueden serútiles más tarde o darte una pista sobre algo que no entendisteantes.

34

U

Glosario

Aplicación: Uso específico para algo.

Átomo: La unidad más pequeña de un elemento.

Carga: Fuerza total a la que una estructura está sujeta cuando soporta una masa.

Ciencia de Materiales: Estudio de las características de los materiales y su posible aplicación

en ciencia, tecnología e industria.

Componente: Una de las substancias individuales que forma un material compuesto.

Compósito: Material hecho de dos o más substancias visiblemente distintas; se diseña para

combinar las características deseables de las substancias que lo forman.

Compósito Estructural: Compósito diseñado para soportar peso; el triplay y el concreto son

ejemplos de compósitos estructurales.

Compósito funcional: Compósito diseñado para desempeñar una función especializada tal

como conducir electricidad, calor o luz. Por ejemplo: un capacitor es un compósito

funcional, ya que está compuesto de capas alternas de materiales conductores y aislantes.

Compósito fibro-reforzado: Material compósito hecho de constituyentes de fibra embebidos

en una matriz.

Compósito laminar: Material compuesto consistente de capas (láminas) de dos o más

materiales sólidos unidos.

Compósito particulado: Material que contiene partículas de uno o más materiales

suspendidos en una matriz de material diferente.

Crítica: Observar algo cuidadosamente y dar una opinión constructiva sobre el mismo.

Defecto: Falla o imperfección en un material.

Deflexión. Condición de doblar o ser doblado.

Desunión: Región separada entre dos materiales, de otra manera unidos.

Enlace Covalente: Enlace químico formado cuando dos átomos comparten un par de

electrones.

Enlace interatómico: Enlace químico entre átomos, iones o moléculas. Los enlaces covalentes,

enlaces iónicos, enlaces metálicos y las fuerzas de Van der Waals son ejemplos de enlaces

interatómicos.

Enlace Iónico: Enlace químico entre iones positivos y negativos los cuales son átomos que

han ganado o perdido electrones y de esta manera están cargados eléctricamente.

Enlace metálico: Enlace químico entre los átomos metálicos débilmente unidos, se

caracteriza por compartir electrones.

G l o s a r i o 35


Error experimental: Circunstancias que provocan variabilidad de medida o error en el

cálculo de un experimento.

Estructura: Algo hecho de un número de partes sostenidas o armadas en una forma

particular, para un propósito específico.

Evaluar: Examinar y juzgar algo cuidadosamente.

Fuerza compresiva: Fuerza o tensión que compacta o aprieta un material.

Fuerza de tensión: Fuerza o tensión que estira o jala un material.

Fuerza de Van del Waals: Fuerzas débiles atractivas entre todos los átomos o moléculas,

presentes en los fluidos.

Grafito: Forma de carbón suave de color oscuro que se puede hilar en forma de fibras y

usar para hacer más resistentes, rígidos y ligeros los compósitos reforzados con fibra; “la

punta” (mina) de un lápiz es realmente grafito.

Material: Sustancia con la cual se puede hacer algo. Algunos materiales comunes incluyen

vidrio, plásticos, cerámicos, metales y compósitos hechos de una combinación de estos y

otros materiales.

Material Constituyente: Material, como las partículas, fibras u hojas delgadas que se

mezcla o enlaza con un material principal llamado matriz, para formar un compósito.

Matriz: Material principal que conforma al compósito reforzado por partículas, fibras u

hojas delgadas de otros materiales que se mezclan o enlazan con la matriz.

Molécula: Partícula más pequeña en que se puede dividir un compuesto, conservando las

propiedades químicas o físicas del compuesto o elemento.

Observación: Algo visto o identificado.

Polímero: Sustancia compuesta de grandes moléculas hechas de muchas unidades idénticas

repetitivas, comúnmente identificados como plásticos y hules. El poliestireno, usado como

hojas de espuma en la Actividad 4, es un ejemplo.

Predicción: Pensar algo anticipado a su ocurrencia, decir que podría suceder.

Prototipo: Forma preliminar, sirve como modelo para desarrollo de algo en una etapa

posterior.

Puente de Hidrógeno: Enlace químico en el cual un ión hidrógeno es compartido entre dos

moléculas.

Resistencia: Propiedad de los materiales relacionada a la cantidad de fuerza que un

material puede soportar antes de distorsionarse o quebrarse.

Rigidez: Propiedad de los materiales relacionada con la oposición del material a ser

36

doblado.

Sintético: Relacionado con el material hecho por el hombre.

Tensión: Fuerza aplicada.

Variable: En un experimento científico, es la característica que varía cuando todas las otras

características se mantienen igual.

Viga en voladizo: Estructura proyectada, sujeta únicamente por uno de sus extremos.

G l o s a r i o 37


La idea del compósito de hielo fueuna contribución del profesorD. Lynn Jonson, del departamentode Ciencia de Materiales eIngeniería de NorthwesternUniversity en Evanston, Illinois. Elusó el compósito de hielo parademostrar el aumento en laresistencia y dureza después dereforzar con fibras un compósito.

El uso de una desunión en uncompósito de espuma paraenseñar la importancia delpegado en la fabricación de com-pósitos se demostró por primeravez por L. Roy Bunnell, del PacificNorthwest Laboratory de Portland,Oregon durante el Taller Nacionalde Educadores en Gaithersburg,Maryland en 1990.

Reconocimientos

Créditos de las fotografíasp. iv arriba Copyright © 1959Edwin Tunis, Copyright revisado ©1979 en el Maryland NationalBank, Executor and Trustee bajo lavoluntad de Edwin Tunis.p. iv NASAp. 4 Michael Holford, Loughtonp.11 arriba, colección de pinturasde la Biblioteca Pública de NuevaYorkp.11 abajo, Fotografía de John B.Carnettp. 16-17 Fotografías cortesía dela compañía Wilson SportingGoodsp. 24 NASA

Créditos Artísticos

Andrew DeVigal, dibujos técnicosde las pp. 3, 5, 9, 10, 15, 18, 21y 23

Patti Green, logotipos de las pp. v,1, 2, 7, 8, 12, 13, 14, 18, 19,20, 22, 30 y 34

Víctor Kennedy, caricaturas de laspp. v, 1, 7, 12, 19, 27 y 31

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