51 20 16285 https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20752/Ingenierias_2005_Vol_8_No_29_Octubre-Diciembre.pdf 635b3111570e6c60c6d8c46a929e9094 PDF Text Text �29 Contenido Octubre-Diciembre de 2005, Vol.VIII, No. 29 2 3 Directorio Editorial El año internacional de la física: una oportunidad J. Rubén Morones Ibarra 7 Determinación de las propiedades eléctricas en tejido sanguíneo Francisco Hernández Cabrera, Carlos Alberto Guerrero Salazar, José de Jesús Bernal Alvarado 14 Método de derivación e integración de orden arbitrario en el modelado mecánico y dieléctrico de materiales poliméricos Martín Edgar Reyes Melo, Carlos Alberto Guerrero Salazar 23 De exámenes doctorales José Antonio Márquez González 27 Toma de decisiones en la vida diaria bajo dos criterios cuantificables Miguel Ángel Urbano Vázquez, Mauricio Cabrera Ríos 34 Aportación al maquinado de los plásticos reforzados Francisco Mata Cabrera 40 Propiedades y características de una aleación de colada de aluminio Jaime Esparza López, Rafael Colás Ortíz, Rubén Torres González, Eulogio Velasco Santes, J. Salvador García-Luna M. 44 Hidráulico Gabriel Zaid 47 Síntesis y caracterización de nanocompósitos magnéticos Patricia Yareni Lara Rodríguez, Marleth Mena Montoya, Sugeheidy Yaneth Carranza Bernal, Marco Antonio Garza Navarro, Moisés Hinojosa Rivera, Virgilio González González 52 Boom Cars Fernando Javier Elizondo Garza 59 Un enfoque de inventarios para planear capacidad en redes de telecomunicaciones Carlos Alberto Álvarez Herrera, Mauricio Cabrera Ríos 66 Eventos y reconocimientos 70 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 71 Acuse de Recibo 73 Colaboradores 76 Información para Colaboradores Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 1 �Editorial: El año internacional de la física: una oportunidad J. Rubén Morones Ibarra Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, UANL rmorones@fcfm.uanl.mx En el período de 1905 a 1906 Einstein publicó una serie de seis artículos que provocaron una verdadera revolución en la física. Para conmemorar el centenario de esta hazaña científica, la Sociedad Internacional de Física Pura y Aplicada propuso a la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) realizar una celebración mundial. La UNESCO aceptó la propuesta y el 10 de junio de 2004 fue aprobada la resolución de declarar el año 2005 como el World Year Of Physics, iniciándose la celebración oficialmente el 19 de enero en París. La celebración pretende promover el interés por la física en los estudiantes y el público en general y destacar la importancia de esta rama de la ciencia en la tecnología y en la vida moderna. En México el programa de actividades de celebración del Año Internacional de la Física (AIF), que es el nombre oficial adoptado por México, se ha realizado con éxito en todo el país, según lo muestra el Boletín de la Sociedad Mexicana de Física de Abril-Junio de 2005, en su reseña de eventos. Ciclos de conferencias, teleconferencias, talleres, mesas redondas, proyecciones de películas, obras de teatro, exposiciones, conciertos y presentaciones de libros, son algunos de los eventos del festejo. El Servicio Postal Mexicano se ha unido a las celebraciones emitiendo una estampilla conmemorativa donde aparecen, como fondo, el mapa de México y la Biblioteca Central de la UNAM, y en el primer plano una fotografía de Einstein montando una bicicleta. Ojala que el recuento de las actividades de celebración sea satisfactorio y repercuta en el futuro en un mayor apoyo por parte de autoridades gubernamentales y de la sociedad misma al quehacer de los físicos. CIENCIA Y SOCIEDAD El Año Internacional de la Física representa una oportunidad para tocar el tema de la ciencia, su impacto en la sociedad y las posibilidades que brinda para construir un futuro con un elevado grado de bienestar. La repercusión del conocimiento científico en la sociedad tiene múltiples aspectos, en primera instancia es parte importante de la cultura actual; tener idea de como funciona la televisión, el automóvil, la computadora, etc. debe ser una inquietud natural de cualquier persona que viva en el siglo XXI. Por otra parte, los resultados de la investigación científica y su influencia en nuestra vida están a la vista, en los desarrollos tecnológicos, en los avances en medicina, en biología, etc. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 3 �Editorial / J. Rubén Morones Ibarra La historia reciente de varios países que han logrado desarrollar economías fuertes ha mostrado que el futuro de un país no se mide ya por sus recursos naturales sino por el conocimiento de sus científicos, por los apoyos otorgados a éstos, a los tecnólogos y a sus centros de investigación. Una sociedad que no entiende o no acepta que la ciencia juega un papel fundamental en el crecimiento y el progreso económico está condenada a vivir en el atraso y en la dependencia tecnológica. En México es verdaderamente lamentable que la falta de apoyo a la ciencia haya conducido a la fuga de cerebros, encontrándonos a científicos mexicanos aportando su talento a la ciencia y la tecnología de otros países. Es necesario realizar una labor informativa entre los políticos, y la sociedad en general para hacerles ver la importancia que tiene la investigación en ciencia básica. La ciencia como el motor del progreso debe ocupar un lugar especial en la sociedad; si no se le da este lugar junto al humanismo, caemos en riesgo de un serio estancamiento, lo que equivale, en términos comparativos, a un retroceso. Las grandes perspectivas que abren para la humanidad los conocimientos de las leyes de la naturaleza y el control de sus fenómenos debe ser el acicate para impulsar la ciencia. Nuevos descubrimientos científicos harán nuestra vida más interesante y digna de vivirla, y abrirán caminos hacia nuevas y más excitantes aplicaciones tecnológicas, las cuales repercutirán en un mejoramiento en la calidad de nuestra vida. Timbre conmemorativo del Año Internacional de la Física emitido por el Servicio Postal Mexicano. COMBATE A LA CHARLATANERÍA Por otra parte, es verdaderamente asombroso que después de todo el desarrollo cultural, científico y tecnológico que ha alcanzado la civilización contemporánea, haya lugar para la pseudociencia. Estamos presenciando, principalmente en los países no desarrollados, la aparición de una avalancha de mensajes, anuncios y comerciales que pretenden vendernos todo tipo de productos milagrosos. El interés por los horóscopos, las ciencias ocultas, el espiritismo, los platillos voladores, los adivinadores, los curanderos y los vendedores de alimentos y medicamentos mágicos, probablemente sea el resultado de un rechazo a la ciencia que puede tener su orígen en nuestro sistema educativo. El valor que tienen los conocimientos científicos y tecnológicos, los maravillosos inventos de la televisión, de las computadoras, de los aviones, los avances en la medicina, la biología, etc. no parecen ser suficientes para motivar a la gente y despertar su inquietud por la ciencia ¿Cómo se pueden explotar estas conquistas de la inteligencia humana para atraer la atención de la población y formar en ella una cultura científica? ¿Cómo se puede construir una sociedad cultivada y blindada contra la patraña y la superstición?. La estrategia debe estar dirigida hacia los maestros de las escuelas elementales. El maestro debe ser el primer eslabón de la cadena de actividades que persigan el propósito de lograr una cultura científica en la sociedad. Uno de los objetivos de la enseñanza debe ser el de desarrollar en el niño la curiosidad por la ciencia y la tecnología y lograr que los jóvenes de enseñanza básica o media aspiren a la cultura y tengan interés por el conocimiento. Fomentar la inquietud por comprender el mundo donde viven y convertirse, en síntesis, en hombres de su tiempo con mentalidad analítica, no susceptibles de ser engañados tan fácilmente. 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Editorial / J. Rubén Morones Ibarra Einstein a los 17 años. Que el joven egresado de secundaria o preparatoria asuma una actitud crítica y con un espíritu de aprender y saber más, de intentar comprender por lo menos en su forma más básica algunos de los descubrimientos científicos más relevantes, esa debe ser una de las metas de la educación elemental. Lograr que la población, entienda y acepte que la actividad que realizan los científicos tiene que ver con el bienestar y el progreso de la sociedad será verdaderamente un paso muy importante para quitarle fuerza a la pseudociencia. Con un programa popular de educación e información científica se simplificará y hará más fácil lograr apoyos para el desarrollo de la ciencia. Si la población no comprende la importancia de la ciencia, no se puede conseguir su apoyo y menos que acepte que se destinen e incrementen los recursos financieros para impulsarla y fortalecerla. Promover la cultura científica en la sociedad es por lo tanto un asunto de primera importancia para sentar las bases de un futuro desarrollo. La divulgación de la ciencia y sus aplicaciones es un compromiso que debemos asumir quienes participamos en estas actividades. La ciencia y la tecnología son los elementos fundamentales del progreso y para que una sociedad alcance niveles elevados de bienestar se requiere la difusión de los conocimientos científicos y tecnológicos para tener una población bien informada en estas áreas. Se debe buscar que los miembros de esta sociedad asuman actitudes científicas, que aprendan a alimentarse, a cuidar su salud, a tomar decisiones responsables para evitar ser engañados y manipulados por charlatanes. LA CIENCIA Y EL DESARROLLO ECONÓMICO Los desafíos del mundo globalizado deben impulsar el desarrollo de una política científica y tecnológica en nuestro país. La formación de recursos humanos en ciencias e ingeniería es de vital importancia para lograr el progreso, acompañado de desarrollo moral, intelectual y material. Parece que esto lo ha entendido el Estado de Nuevo León, al impulsar sus programas de creación de un parque de investigación e innovación tecnológica y promover el proyecto de la Ciudad del Conocimiento. La formación de recursos humanos de alto nivel en ciencias, requiere de inversión de recursos económicos. La experiencia de otros países como Corea, Japón y los países desarrollados en general, nos enseña que la inversión reditúa, que vale la pena realizarla. La inversión que se realice hoy en ciencia y tecnología se convertirá en desarrollo y exportación de productos de mejor calidad y por lo tanto más competitivos en el mercado internacional. Es importante hacer notar que la inversión en ciencias no da, usualmente, resultados a corto plazo, sino que estos se verán a mediano y a largo plazo. Los avances científico-tecnológicos se notarán dentro de 15 o veinte años. Debemos desechar por completo la idea de tener resultados inmediatos. Se debe tener claro también que estas acciones solo pueden ser realizadas a nivel gubernamental, con el apoyo de la sociedad en general e involucrando al sector productivo, cuya participación es imprescindible. El primer paso es la inversión en recursos humanos y mejorar la educación en todos los niveles. Los países desarrollados se distinguen del resto de los otros Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 5 �Editorial / J. Rubén Morones Ibarra países en que ellos han entendido la importancia de la inversión en educación y en investigación científica y tecnológica. En los países del llamado tercer mundo se ha querido apoyar solo proyectos de corto plazo que resuelvan problemas inmediatos pero no se ha buscado la identificación de los grandes problemas que requieren una planeación a mediano y largo plazo para su solución. El secreto del desarrollo industrial, con innovación tecnológica y avance científico, se basa en que el sistema de educación superior fomente y estimule el estudio de las carreras científicas y de ingeniería. Sabemos que las carreras del área de humanidades son importantes y deben ser consideradas como fundamentales, sin embargo la creación de riqueza proviene de las áreas técnicas. Los valores humanos y sociales deben ser parte esencial de la formación del individuo, pero en los niveles superiores de la educación se debe tener acentuación en las ingenierías y las ciencias. Un sistema educativo que refuerce las disciplinas científicas llevará al mejoramiento tecnológico. Políticas estatales adecuadas para desarrollar alta tecnología y apoyar también a la ciencia básica, así como la creación de parques de investigación e innovación donde se promueva la comunicación y la interacción entre académicos y los trabajadores de las industrias son las estrategias que se requieren para fortalecer nuestro avance tecnológico. La comunicación entre científicos e ingenieros es un elemento esencial para fomentar el talento innovador y la creatividad en las empresas y debe ser una de las estrategias del gobierno para alcanzar niveles elevados de desarrollo. UNA OPORTUNIDAD Este año de celebraciones del AIF terminará, pero deberá ser el detonante para iniciar programas que lleven la física y la ciencia al gran público. La divulgación de la ciencia adquiere hoy, más que nunca, el carácter de una necesidad social. Una sociedad con cultura, formada por individuos interesados en los avances de la ciencia y de los desarrollos tecnológicos, que son los que han transformado a la sociedad y la han llevado a sus niveles actuales de bienestar, es una sociedad con posibilidades de progreso, en camino hacia el mejoramiento en todos los órdenes. El compromiso es difundir la ciencia y la cultura y a la vez luchar contra la superstición. La responsabilidad social del científico es informar a la sociedad sobre su quehacer y el de sus colegas, combatir la ignorancia en materia de ciencias e impedir el uso indebido de los logros de la ciencia poniéndose del lado de las mejores causas de la humanidad. Debido a su actividad creadora, el científico está ligado íntimamente con la sociedad pudiendo, con su produccion científica, influir en la economía, la política, la moral y la historia. No es casual entonces, que en los países desarrollados los hombres de ciencia sean vistos con respeto. 6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Determinación de las propiedades eléctricas en tejido sanguíneo Francisco Hernández Cabrera, Carlos Alberto Guerrero Salazar Universidad Autónoma de Nuevo León, Pedro de Alba s/n,66450 San Nicolás de los Garza, N. L., México. fcabrera007@yahoo.com.mx José de Jesús Bernal Alvarado Instituto de Física de la Universidad de Guanajuato, Apartado Postal E-143, 37150 León, Gto., México. RESUMEN Utilizando tiras reactivas de glucómetro Bayer® como contenedor para muestras de sangre humana se obtuvieron los correspondientes espectros de impedancia eléctrica. Los resultados fueron ajustados utilizando el modelo de elemento distribuido de Cole-Cole para determinar los parámetros eléctricos del circuito equivalente. Los valores de los parámetros eléctricos reportados indican que son característicos en la sangre entera, plasma, eritrocitos y leucocitos para las muestras de una población de personas saludables, aptas para donación proporcionadas por el Centro de Transfusiones del Estado de Guanajuato, México. PALABRAS CLAVE Impedancia Eléctrica, diferencia de potencial, circuito eléctrico equivalente, proteínas inmunológicas, modelo Cole-Cole. Proyecto galardonado con el Premio de Investigación UANL 2004, en la categoría de Ingeniería y Tecnología, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL el 14 de Septiembre de 2005. ABSTRACT Using reactive strips of the Bayer´s portable glucometer as a container, the electric impedance spectrum of human blood was obtained. The results were fitted using the distributed element of the Cole-Cole model and the corresponding parameters were obtained. Several samples were studied and the result for the electric parameters of the equivalent circuit, are reported. The samples were obtained from donors at the Guanajuato State Transfusion Center, in México; people were adult individuals in an aleatory sampling from healthy donors, they were free of hepatitis and other diseases. KEYWORDS Electrical impedance, potential difference, electrical equivalent circuit, immunological proteins, Cole-Cole model. INTRODUCCIÓN El estudio de los materiales biológicos posee la característica de incidir a corto plazo en la calidad de vida del ser humano, ya que este tipo de investigación Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 7 �Determinación de las propiedades eléctricas en... / Francisco Hernández Cabrera, et al tiene una amplia variedad de aplicaciones en el ámbito clínico, farmacológico y terapéutico. Se ha determinado que las propiedades físicas de los tejidos biológicos dependen de su estructura1-3 y estado funcional,4-6 por lo que en la caracterización de estas propiedades en los tejidos de origen humano y animal se han hecho grandes aportaciones,1,7,11-13,16,17 en gran parte porque los parámetros medidos pueden utilizarse como un indicador de diagnóstico8-10,14,15 o para fines terapéuticos1. Por otra parte, en el campo de las ciencias básicas, los modelos matemáticos que describen la evolución de los sistemas biológicos asumen el conocimiento numérico de las propiedades físicas del objeto de estudio. Dentro de los métodos para caracterización, la espectroscopía de impedancia se ha aplicado regularmente al estudio de los materiales biológicos desde principios del siglo pasado, estableciendo un avance importante en la década de los años 40´s, cuando se propuso el modelo de Cole-Cole como vía de caracterización cuantitativa, en base a la representación mediante circuitos eléctricos equivalentes, de la respuesta a la frecuencia de este tipo de materiales. Actualmente los avances tecnológicos permiten desarrollar mediciones de parámetros eléctricos más precisos que incluso hace veinte años. El objetivo de esta investigación, se enfoca a la medición y estudio de las propiedades eléctricas del tejido sanguíneo mediante la espectroscopía de impedancia eléctrica, aportando información numérica concisa, obtenida bajo metodologías modernas y rigurosas. Se espera contribuir a un conocimiento más preciso de este importante fluido Principales componentes del fluido sanguíneo 8 y, basados en una estricta colaboración con médicos especialistas, deseamos enfocar nuestra línea de investigación hacia el monitoreo y diagnóstico de patologías de carácter e importancia pública, tales como las leucemias. METODOLOGÍA Al inicio, todas las muestras de sangre fueron analizadas clínicamente, siguiendo las normas de seguridad e higiene que rigen los centros de transfusión sanguínea en el país. Los potenciales donadores de sangre fueron evaluados a fin de seleccionar sólo aquellos libres de VIH, Hepatitis, Brucelosis y Enfermedad de Chagas. Una vez seleccionadas las muestras de sangre se utilizaron tiras reactivas para glucómetro Bayer® como contenedores de los fluidos sanguíneos. Estas tiras tienen un par de electrodos de plata en su cavidad y un volumen útil de 2µL. Se utilizó una tira de glucómetro comercial marca Bayer® como contenedor con capacidad de 2µl de fluido. Para determinar las propiedades eléctricas del tejido sanguíneo se utilizó la técnica de espectroscopía de impedancia eléctrica, la cual consiste en aplicar una diferencia de potencial alterna en los electrodos de manera que pase una corriente alterna de baja potencia a través de la muestra; esta entrada se tomará como referencia para compararla con las mediciones de corriente y el voltaje a la salida. Utilizando una representación en el plano complejo de la Ley de Ohm, se puede obtener el valor para la impedancia eléctrica en la amplitud y fase. Finalmente, un barrido en frecuencia da como resultado el espectro característico de la muestra. Los espectros obtenidos son caracterizados mediante modelos de circuito eléctrico equivalente que reflejan el comportamiento de las muestras a un estímulo eléctrico. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Determinación de las propiedades eléctricas en... / Francisco Hernández Cabrera, et al ZC = 1 ( jω ) P C T (1) Donde j = − 1 es la unidad imaginaria y ω es la frecuencia angular de la corriente alterna utilizada como excitación. El parámetro CT está estrechamente relacionado con la capacitancia de la muestra, mientras que la potencia P tiene una interpretación basada en la existencia de múltiples caminos eléctricos entre los electrodos. Uno de los circuitos equivalentes más simples y que se usa regularmente en el estudio de tejidos biológicos, está formado por una resistencia (RP) unida a un capacitor(C) en paralelo y éstos a su vez con una resistencia en serie, RS,. Esta última refleja la resistencia eléctrica de la interfase muestra-electrodo. Este trabajo utiliza la representación algebraica correspondiente al mencionado circuito en el ajuste a los espectros de impedancia con la modificación para el modelo ColeCole y con una impedancia total expresada como: Z = Rs + RP 1 + R P CT ( jω ) P -200000 FitResult -150000 Rs (CPE-Rp) Rs = 498.3 (±15.092) CPE-T = 2.7065E-8 (±3.3419E-10) CPE-P = 0.96297 (±0.0015306) Rp = 161810 (±684.12) -100000 -50000 0 0 50000 100000 150000 200000 Z' Fig. 1. Espectro de impedancia característico de la sangre humana y ajuste al modelo Cole-Cole. (2) Equipo de espectroscopía de impedancia eléctrica (Solartron 1260) analizando una muestra. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 RESULTADOS El espectro de impedancia característico de la sangre entera es graficado en el plano complejo (figura 1) con el valor característico de cada uno de los parámetros eléctricos obtenidos de acuerdo a la ecucación 2. Por otra parte, se observa que los espectros correspondientes a cada uno de los principales componentes de la sangre (eritrocitos, leucocitos y plasma) se encuentran perfectamente desacoplados (figura 2). Lo cual indica que existen diferencias Z'' El equipo utilizado fue un espectrómetro de impedancia marca Solartron Modelo 1260. Las muestras se analizaron espectroscópicamente en un rango de frecuencias de 1Hz a 32MHz, aplicando una diferencia de potencial regulada menor a 20mV. Se usó el modelo Cole-Cole para el ajuste de los espectros medidos, este modelo se basa en la modificación de la fórmula para la reactancia capacitiva, Z C la cual se escribe como: Fig. 2. Espectros de impedancia de los componentes principales de la sangre. 9 �Determinación de las propiedades eléctricas en... / Francisco Hernández Cabrera, et al mensurables en sus parámetros eléctricos que de acuerdo al modelo de circuito equivalente propuesto permiten su caracterización eléctrica. Asimismo, se obtuvieron los histogramas que describen el comportamiento estadístico de los parámetros eléctricos en una población de 58 personas saludables. Las gráficas de las figuras 3, 4 y 5 presentan las distribuciones de frecuencia para RP, CT y P. Al tenerse los valores de los parámetros eléctricos de muestras sanas se analizaron dos muestras de casos clínicos de leucemia para ver las posibles anormalidades. Estos resultados se comparan con los valores normales en las gráficas de la figura 6. 35 30 25 20 15 10 5 0 50K 100K 150K 200K 250K 300K 350K Fig. 3. Histograma para RP. 25 20 15 10 5 0 2e-08 2.5e-08 3e-08 3.5e-08 4e-08 Fig. 4. Histograma para el parámetro CT. 10 4.5e-08 5e-08 14 12 10 8 6 4 2 0 0.94 0.945 0.95 0.955 0.96 0.965 0.97 0.975 0.98 Fig. 5. Histograma de la potencia del término imaginario. DISCUSIÓN Para las propiedades eléctricas se realizaron experimentos previos demostrando que el uso de las tiras reactivas Bayer® usadas no afectan los espectros de impedancia. Estas tiras tienen un tiempo de reacción de aproximadamente 8 minutos para actuar con la glucosa contenida en la sangre, por otro lado, es un contenedor estandarizado y desechable sumamente práctico para estudios poblacionales. En general los tejidos biológicos tienen características de variabilidad dieléctrica, tales variaciones son naturales y pueden atribuirse a procesos fisiológicos o a otros requisitos funcionales de cada individuo. Por esta razón, en los histogramas de los parámetros eléctricos existe cierto sesgo de la distribución y se aprecia una dispersión moderada en los resultados, este efecto dispersivo también aparece al momento de medir clínicamente poblaciones celulares de muestras sanguíneas por métodos convencionales, reflejando diferencias en la concentración de electrolitos, proteínas, hematocrito, volumen corpuscular medio de eritrocitos, etc. Los resultados en sangre entera pueden presentar semejanza con algún parámetro eléctrico de un componente específico (plasma, eritrocitos, leucocitos), pero si comparamos todos sus parámetros encontramos una diferencia significativa. Esto nos proporciona un estado característico del sistema analizado, fundamentado en tres factores: primero, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Determinación de las propiedades eléctricas en... / Francisco Hernández Cabrera, et al cada componente posee diferentes frecuencias de excitación, segundo, la impedancia total de la muestra depende del acomodo de los elementos microscópicos y de las propiedades de contacto entre ellos, lo que significa que la mezcla es más complicada que la suma algebraica de los componentes, y tercero, los glóbulos rojos poseen carga eléctrica en su membrana que incluye un factor adicional en la energía eléctrica por unidad de volumen. Sin embargo no se cumple el principio de superposición en los espectros de impedancia. En la figura 7a se muestra que los valores de impedancia en sangre entera normal se diferencian claramente de sangre entera para un caso clinico de leucemia y en la figura 7b se aprecia que la impedancia a bajas frecuencias es más alta para leucocitos, que para eritrocitos, quedando el plasma en una impedancia intermedia, esto representa una característica importante que los identifica. Para altas frecuencias la impedancia de cada componente tiende a ser a cero. También se observó que a bajas frecuencias se presentan ligeras perturbaciones para leucocitos y plasma. Esto puede deberse a que el sistema expuesto en los primeros instantes a un campo eléctrico tiende a un reacomodo de carga para minimizar los caminos de transferencia entre los electrodos. En relación a la leucemia histolítica aguda caracterizada por un aumento en la cantidad de leucocitos, conteo bajo de eritrocitos, bajo porcentaje de hematocrito y conteo bajo de plaquetas. Se tiene que estas características son reflejadas en la gráfica comparativa (figura 7b) de las curvas de impedancia. Fig. 6. Gráficas comparativas de los parámetros eléctricos del modelo de Cole-Cole. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 CONCLUSIONES El análisis de los datos permite plantear que la resistencia en paralelo del modelo eléctrico resulta un factor importante en la representación de la conductividad dentro del fluido, ya que con este dato se puede diferenciar claramente los glóbulos rojos de cualquiera de los componentes de la sangre, así como la relación de este parámetro respecto al número de células presentes. En las gráficas de plasma y glóbulos blancos se observa que las barras de error son relativamente estrechas pero se diferencian en un pequeño 11 �Determinación de las propiedades eléctricas en... / Francisco Hernández Cabrera, et al (a) (b) Fig. 7. Comparación de las curvas de impedancia en sangre normal y un caso de leucemia (a) sangre entera, (b) componentes principales. margen de resistividad, así que requiere otro parámetro que caracterice claramente entre sí a estos componentes. La resistividad en serie del modelo eléctrico es provocada por la estructura presente y su interacción en la interfase electrodo-muestra, así que con este parámetro es posible diferenciar claramente el plasma de los glóbulos blancos, y éstos a su vez de los eritrocitos. Las barras de error de cada uno no se traslapan con el siguiente, lo que indica que es un 12 buen parámetro para hacer la caracterización. La comparación del parámetro Cp muestra que las barras de error están traslapándose y de esta forma no es posible tomar la medida de Cp como parámetro confiable en la caracterización de los componentes de la sangre. El valor de la potencia en el modelo eléctrico podría utilizarse en conjunto con la resistencia en serie, la resistencia en paralelo o bien con ambas para comprobar el estado del componente analizado. Porque si bien se aprecia definidamente la variación en la potencia con relación a los componentes de la sangre hay un pequeño traslape de las barras de error que hace disminuir el intervalo de confianza para hacer un juicio objetivo del estado de la muestra. Con base en lo anterior es posible diferenciar los componentes básicos de la sangre en pacientes aptos para donación siempre que se tengan todos los parámetros. Los leucocitos son las células más grandes dentro del fluido biológico en cuestión, presentan núcleo grande y con poco citoplasma, a diferencia de los eritrocitos que poseen una estructura en disco y propiedades que les confieren un carácter de fluido no newtoniano. Por otro lado, el plasma formado principalmente por iones y moléculas proteicas en solución acuosa tiene la apariencia de un electrolito con partículas en suspensión. Por todo lo anterior los valores de los parámetros eléctricos encontrados corresponden a las características estructurales de cada componente, por ejemplo se esperaba que los leucocitos presentaran mayor resistencia en paralelo, también se esperaba una mejor respuesta capacitiva en base a su estructura cuasi-esférica, y se observa como sus barras de error son pequeñas denotando la confiabilidad en el valor de un Cp característico. Los eritrocitos tienen mayor conductividad (menor resistencia en paralelo) y tienen mayor dispersión en el valor del parámetro Cp. El estudio realizado a muestras de casos clínicos con alguna patología (leucemia) en el fluido sanguíneo, permitió establecer una comparación entre los parámetros eléctricos determinados para sangre entera así como de sus componentes principales (plasma, eritrocitos, leucocitos) y los valores característicos correspondientes a personas sanas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Determinación de las propiedades eléctricas en... / Francisco Hernández Cabrera, et al Aunque sólo se compararon dos casos se observó que los parámetros fuera de rango muy posiblemente estén en relación directa con la afección. La espectroscopía de impedancia eléctrica utilizada en esta investigación proporciona resultados confiables aún en muestras relativamente pequeñas del fluido hemático, lo que nos motiva a proponer una técnica de diagnóstico preliminar para algunas patologías caracterizadas rigurosamente mediante este método, utilizando para ello tan solo una gota de sangre. 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ASME, 99, 148-154, (1977). 13 �Método de derivación e integración de orden arbitrario en el modelado mecánico y dieléctrico de materiales poliméricos Martín Edgar Reyes Melo, Carlos Alberto Guerrero Salazar Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL Pedro de Alba S/N, San Nicolás de los Garza, 66451, N.L., México. e-mail RESUMEN En este trabajo se presenta el desarrollo de un Modelo Fraccional Mecánico y un Modelo Fraccional Dieléctrico, con la finalidad de describir las manifestaciones mecánicas y dieléctricas de la viscolesticidad de un polímero semicristalino (PEN) que presenta 3 fenómenos de relajación. La comparación entre los resultados teóricos y los experimentales nos muestran que los órdenes fraccionarios de los modelos desarrollados están relacionados con la movilidad molecular. PALABRAS CLAVE Cálculo fraccional, viscoelasticidad, PEN. ABSTRACT We developed a Mechanical Fractional Model and a Dielectric Fractional Model with the purpose of describing the mechanical and dielectric manifestations of the viscolesticity behavior of a semicrystalline polymer (PEN) which displays 3 phenomena of relaxation. The comparison between the theoretical and experimental results shows that the fractional orders of these Fractional Models are related to molecular mobility of PEN. KEYWORDS Fractional calculus, viscoelasticity, PEN. En las diferentes disciplinas de la ciencia así como en las diversas áreas del sector industrial, el método científico de previsión toma la forma de un modelo físico o fenomenológico. Estos modelos son descripciones matemáticas en las que se hacen algunas suposiciones y se consideran algunas simplificaciones de la realidad. Por lo general las ecuaciones presentan operadores diferenciales e integrales de orden entero (cálculo tradicional) y no pueden describir de manera precisa ciertos fenómenos físicos con propiedades de escalamiento;1-4 como por ejemplo, los fenómenos de relajación no exponenciales que se presentan en los materiales poliméricos y que son consecuencia del comportamiento viscoelástico 14 Proyecto galardonado con el Premio de Investigación UANL 2004, en la categoría de Ciencias Exactas, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL el 14 de Septiembre de 2005. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Método de derivación e integración de orden arbitrario en... / Martín Edgar Reyes Melo, et al de su compleja estructura semicristalina (ver figura 1).5-22 Es evidente entonces, la problemática de predecir la viscoelásticidad de los polímeros en una gran gama de temperaturas o de frecuencias (tiempo). Existe suficiente evidencia experimental que muestra que la estructura semicristalina de los polímeros (responsable de la viscoelasticidad) presenta un sinnúmero de irregularidades estructurales a diferentes escalas.1-4 La dinámica de esta morfología es difícil de describir con operadores diferenciales e integrales de orden entero (cálculo tradicional), y en este sentido los operadores diferenciales o integrales de orden arbitrario (cálculo fraccional), son una alternativa para describir los fenómenos de relajación que se presentan en estos materiales. Un fenómeno de relajación es un proceso de ajuste de una propiedad macroscópica a nuevas condiciones de equilibrio cuando una variable exterior ha sido modificada. A nivel molecular un fenómeno de relajación está asociado a movimientos moleculares de las cadenas poliméricas. Dichos movimientos son función de la estructura y morfología y tienen lugar con una rapidez que se incrementa con la temperatura. En los polímeros la movilidad molecular se lleva a cabo buscando maximizar la entropía del sistema (segunda ley de la termodinámica), lo que corresponde en la mayoría de los casos a una estructura conformacional de las cadenas con un nivel energético menor (disipación de energía). Entonces, los fenómenos de relajación son una manifestación de la disipación parcial de energía cuando a dichos materiales se les aplica un esfuerzo, y para su estudio, una alternativa es realizar mediciones experimentales en forma dinámica de alguna propiedad macroscópica. Las pruebas dinámicas consisten en aplicar un estímulo periódico de tipo sinusoidal que puede ser mecánico o eléctrico. Para el caso de un estímulo mecánico (análisis mecánico dinámico) la propiedad macroscópica a analizar es el módulo elástico complejo, E * = E '+ iE ' ' , y cuando el estímulo es de tipo eléctrico (análisis dieléctrico dinámico) es la permitividad relativa compleja, ε r * = ε r '−iε r ' ' . Las partes reales de E* y de er* se relacionan con el almacenamiento parcial de energía y las partes imaginarias E’’ y er’’ están asociadas a la energía que se disipa. Para el análisis cuantitativo de E* y de er* se requiere de modelos capaces de describir las curvas experimentales de E* y de er*, lo cual es difícil de obtener utilizando como herramientas de base al cálculo tradicional. Bajo este contexto, el objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de modelos matemáticos para la descripción tanto del E* como de εr*. Teniendo como hipótesis de base, que con los operadores diferenciales o integrales de orden fraccionario es posible representar el comportamiento mecánico intermediario entre un sólido elástico perfecto y el de un líquido viscoso ideal; así como también el comportamiento eléctrico intermediario que se presenta entre un capacitor y una resistencia eléctrica. Ambos comportamientos intermediarios son consecuencia de la viscoelasticidad de los materiales poliméricos. Los espectros de E* son una manifestación mecánica de la viscoelasticidad y los espectros de εr* son la manifestación dieléctrica. Fig. 1. Estructura semiscristalina de los polímeros. Se observa el crecimiento radial de las estructuras laminares que conforman a las esferulitas. LOS MODELOS CLÁSICOS DEL COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO Los modelos que tradicionalmente se utilizan como una primera aproximación tanto para el análisis de E* como para el análisis de la εr* son ecuaciones con operadores diferenciales e integrales de orden entero.10,12,23,24 La figura 2 es un esquema del modelo clásico de Zener, con el cual se obtiene una descripción aproximada del módulo elástico de materiales poliméricos en el estado “sólido”. Este modelo es un arreglo en paralelo del modelo de Maxwell (recuadro superior en la figura 2) con un resorte. En la misma figura se muestran los espectros E’(T) y E’’(T) calculados a partir de dicho Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 15 �Método de derivación e integración de orden arbitrario en... / Martín Edgar Reyes Melo, et al en ambos modelos clásicos son de orden entero. En la siguiente sección se presentan los conceptos de base utilizados en este trabajo, así como también los modelos fraccionarios desarrollados. Fig. 2. El modelo clásico de Zener modelo. Estos espectros son típicos de un fenómeno de relajación y no corresponden a la forma de las curvas experimentales que presentan los polímeros semicristalinos, caracterizados por al menos 3 fenómenos de relajación. Para la descripción de la manifestación dieléctrica de la viscoelasticidad el modelo clásico que más se utiliza para el análisis de la εr*, es el modelo de Debye, ver figura 3. En la misma figura se muestran los espectros εr’(T) y εr’’(T) que describe el modelo de Debye y que corresponden también a un solo fenómeno de relajación. El hecho de que los modelos clásicos de Zener y de Debye no puedan describir de manera precisa los espectros de E∗ y de εr* de los sistemas poliméricos, se debe en parte a que los operadores diferenciales Fig. 3. El modelo de Debye para la descripción de la εr*. 16 MODELADO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO Y D I E L É C T R I C O D E L O S M AT E R I A L E S POLIMÉRICOS Los operadores diferenciales e integrales de orden arbitrario describen de una manera más apropiada el comportamiento mecánico y dieléctrico de los polímeros. En este trabajo se utilizó como herramienta de base el operador de Riemann-Liouville, que es una generalización de la fórmula de Cauchy para las integrales múltiples:25-37 (t − y)n−1 x(y)dy Γ (n) c t c Dt− n x(t ) = ∫ (1) En la ecuación anterior Γ es la función Gamma, la cual se define de la siguiente manera: ∞ Γ(m) = ∫ e −uu m−1du, en donde m > 0 (2) A partir de la integral de Riemann-Liouville se puede definir la derivada de orden fraccionario entre 0 y 1. t (t − y)− n x(y )dy n ∈ (0,1) D n x(t ) = DD n −1 (x(t )) = D ∫ 0 Γ(1 − n ) (3) En este trabajo también utilizaremos la transformada de Fourier para un operador fraccionario, Dtn x(t ), la cual se define como el n producto de (iω ) por la transformada de Fourier de la función x(t ). Utilizando la ecuación 3 se pueden establecer ecuaciones constitutivas que describan el comportamiento mecánico intermediario entre un sólido elástico perfecto y un líquido viscoso puro, así como también el comportamiento eléctrico intermediario entre un capacitor y una resistencia eléctrica, ver figura 4. En el “spring-pot” y en el “cap-resistor”, τ es un tiempo característico denominado “tiempo de relajación”, el cual puede ser asociado al tiempo requerido por los segmentos de cadena en movimiento en algún fenómeno de relajación. Note que para un “spring-pot” cuando b=0 se obtiene la ley de Hooke y cuando b=1 se obtiene la ley de Newton. Por otra parte en un “cap-resistor” cuando α=1 se obtiene el comportamiento eléctrico de una resistencia, 0 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Método de derivación e integración de orden arbitrario en... / Martín Edgar Reyes Melo, et al Fig. 4. Elementos fraccionarios obtenidos utilizando el cálculo fraccional. y cuando α=0 se obtiene el de un capacitor. Utilizando los elementos fraccionarios de la figura 4 se desarrollaron, un Modelo Fraccional Mecánico (MFM) y un Modelo Fraccional Dieléctrico (MFD) para la descripción de los 3 fenómenos de relajación que caracterizan a los polímeros semicristalinos. En este caso se seleccionó como material polimérico modelo, al Poli(naftalato de etilen glicol) o PEN. El PEN es un polímero que se caracteriza por presentar al menos 3 fenómenos de relajación.19 En la figura 5 se presenta el MFM y en la figura 6 se presenta el MFD. Los primeros elementos tanto en el MFM como en el MFD están asociados principalmente con la relajación α del PEN. Los segundos elementos se relacionan con la relajación β*, y finalmente los elementos número 3 se relacionan con la relajación β. Fig. 6. Modelo Fraccional Dieléctrico (MFD) En un análisis dinámico, debido a que el polímero es sometido a un esfuerzo de tipo sinusoidal que puede ser de tipo mecánico o eléctrico, la respuesta que se obtiene puede expresarse como un número complejo. La parte real corresponde a la respuesta “inmediata” al estímulo aplicado, y la imaginaria se encuentra en desfase y corresponde a la disipación parcial de energía. Cuando el estímulo aplicado es mecánico se calcula el módulo complejo (E*), y para el caso de un estímulo eléctrico es la permitividad relativa compleja (εr*), ambas propiedades fueron calculadas a partir de las ecuaciones diferenciales de cada modelo fraccionario. En la tabla I se presentan las ecuaciones diferenciales del MFM y en la tabla 2 las ecuaciones del MFD. En ambos casos los parámetros τ están relacionados con los tiempos de relajación de los movimientos moleculares de cada fenómeno de relajación. Tabla I. Ecuaciones diferenciales de los 3 elementos del MFM Ecuaciones diferenciales 1 (E1U −E10 )s1(t) =[σ 1(t)−E10 s1(t)]+τa−aDt−a[σ 1 (t) −E10s1(t)]+τ −bbDt−b[σ 1(t)−E 10 s1 2 σ 2(t )+ τ cc Dtc σ 2(t ) = E 2 0 s2(t )+ E 2U τ cc Dtc s2(t ) 3 σ 3(t )+ τ dd D td σ 3(t ) = E 3 0 s3(t )+ E 3U τ dd Dtd s3(t ) Fig. 5. Modelo Fraccional Mecánico (MFM) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 17 �Método de derivación e integración de orden arbitrario en... / Martín Edgar Reyes Melo, et al Tabla II. Ecuaciones diferenciales de los 3 elementos del MFD. Ecuaciones diferenciales ⎡ Q1 − C1∞V 1⎞ Q1 − C1∞ V1⎞⎤ ⎛ ⎛ ⎟ + τ −f f Dt− f ⎜⎜V1 − ⎟⎥ Q1 = C1∞ V 1+ (C 1S − C1∞ )⎢τ e−e Dt−e ⎜⎜V1 − C1S − C 1∞ ⎟⎠ C1S − C 1∞ ⎟⎠⎦ ⎝ ⎝ ⎣ 1 2 V2 = τ gg Q 2 − C2 ∞V 2 + Dtg (Q 2 − C 2 ∞ V 2 ) C 2 S − C 2∞ C 2 S − C 2∞ V3 = 3 Q3 − C3∞ V 3 τ hh + Dth (Q 3 − C 3∞ V 3 ) C 3 S − C 3∞ C 3 S − C 3∞ 0 Aplicando la transformación de Fourier a las ecuaciones de las tablas I y II, se obtuvieron expresiones matemáticas tanto para E* como para εr*. E* = E1* + E2 * +E3 * ( E1U + E10 (iωτa )− a + (iωτ b )− b E* = 1 + (iωτa ) + (iωτ b ) −a −b )+ E2 0 + E 2U (iωτ c )c 1 + (iωτ c ) c + E3 0 + E3U (iωτ d )d 1 + (iωτ d ) d (4) ε r * = ε1 r * +ε 2 r * +ε 3 r * εr * = ( ε1 r∞ + ε1rs (iωτ e ) + (i ωτ f −e 1 + (iωτ e ) + (iωτ f −e ) ) ) − f − f + ε 2 rs + ε 2 r ∞ (iωτ g ) g 1 + (iωτ g ) g ε 3 rs + ε 3 r ∞ (iωτ h ) h + 1 + (iωτ h ) h (5) A partir de las ecuaciones 4 y 5 se obtuvieron la dependencia en temperatura de las partes real e imaginaria tanto para E* como para εr*. Sin embargo, primero fue necesario definir la dependencia en temperatura de los tiempos de relajación para el MFM y para el MFD, la cual depende de la naturaleza cooperativa o no cooperativa de los movimientos moleculares correspondientes en cada fenómeno de relajación. La movilidad cooperativa implica movimientos simultáneos y coordinados de segmentos de cadena. Mientras que los no cooperativos se llevan a cabo de una manera muy localizada. Para el caso del PEN, los movimientos moleculares relacionados con α son cooperativos, los movimientos moleculares relacionados con β* son parcialmente cooperativos y la movilidad en β es de tipo no cooperativo. Los tiempos de relajación para la movilidad molecular no cooperativa (relajación β) siguen un comportamiento de tipo Arrhenius: ⎛ Ea ⎞ (6) ⎟⎟ τ (T ) = τ 0 exp ⎜⎜ ⎝ k BT ⎠ En donde Ea es la energía de activación aparente, kB es la constante de Boltzman, T es la temperatura absoluta y το es un factor pre-exponencial que se 18 encuentra en el intervalo 10 −16 s ≤ τ 0 ≤ 10 −13 s , cuyos valores más pequeños corresponden a la vibración atómica y los valores de mayor magnitud están relacionados con una contribución adicional de la entropía. Para los movimientos cooperativos a y los parcialmente cooperativos β*, la expresión analítica sigue una ley de la potencia (ecuación 7), en donde la energía de activación depende del número de entidades elementales (Z*) que se mueven de una manera cooperativa.16,21 Z* ⎡ ⎛ ∆µ ⎞⎤ ⎛ Z * (∆µ )⎞ (7) ⎟ ⎟ = τ exp⎜ τ = τ exp⎜ ⎜ ⎝ k BT ⎟ ⎠ 0 ⎢ ⎣ ⎜ k T ⎟⎥ ⎝ B ⎠⎦ En donde ∆µ es la energía de activación individual de los movimientos de base que constituyen la movilidad cooperativa y Z * (∆µ ) representa la energía de activación del conjunto de movimientos cooperativos. El parámetro Z* depende de la estructura del polímero y para su cálculo se utilizó la siguiente relación:16,21 T T * −T0 (8) Z* ≈ T * T − T0 La temperatura T* para el caso de polímeros con un estado semi-cristalino saturado (máximo grado de cristalinidad que puede alcanzar un polímero) es equivalente a la temperatura de fusión16. T0 es la temperatura por debajo de la cual el tiempo de relajación tiende a infinito, para el caso de la relajación α muchos polímeros16,21 presentan un valor de T0 ≈ Tg − 50°C . Para poder verificar el comportamiento en temperatura (comportamiento isócrono) de los modelos MFM y MFD, se procedió a variar sistemáticamente el orden fraccionario de los “spring pots” y también el de los “cap-resitors”, recordemos que dichos parámetros solamente pueden tomar valores entre 0 y 1. En la figura 7 se presenta un ejemplo de espectros isócronos obtenidos a partir del MFM (ecuación 4) en el que se le asignaron valores diferentes a b, mientras que los parámetros a, c y d permanecieron constantes. En la figura 8 se muestran los espectros isócronos de εr* obtenidos a partir del MFD, en este caso se le asignaron valores diferentes al parámetro f, mientras que e, g, y h permanecieron constantes. Tanto en la figura 7 como en la 8 se consideró que la movilidad molecular en α es cooperativa, mientras que en β* son parcialmente cooperativos los movimientos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Método de derivación e integración de orden arbitrario en... / Martín Edgar Reyes Melo, et al Fig. 7. Comportamiento en temperatura de E’ y de E’ obtenidos para el MFM. Fig. 8. Comportamiento en temperatura de E’ y de E’ obtenidos para el MFM moleculares, finalmente la movilidad molecular en β es de tipo no cooperativa. Cada fenómeno de relajación se manifiesta por un incremento de εr’ y una disminución de E’ cuando la temperatura aumenta. Estos comportamientos están asociados a tres máximos en los diagramas de E’’ y de εr’’. El pico que se presenta a bajas temperaturas corresponde a la relajación β, el segundo pico es el de β* y el máximo que se presenta a altas temperaturas corresponde a la relajación α. En cuanto a la figura 7 se observa que b y a definen la forma de las curvas en el intervalo de temperaturas donde se manifiesta α, c define la forma de las curvas en la región de β* y d se relaciona con la forma de las curvas en la región de temperaturas donde se manifiesta mecánicamente β. Por otra parte un comportamiento similar se observa en la figura 8, en este caso e y f afectan a la manifestación dieléctrica de α, g define la forma de las curvas en la región de β*, y finalmente h afecta la forma de las curvas en la región de β. En la siguiente sección se comparan los espectros teóricos con resultados experimentales obtenidos para muestras de PEN. En el análisis mecánico dinámico se utilizaron películas semicristalinas con un espesor de 70µm, las mediciones de E* fueron hechas utilizando un equipo DMAA2980-TA. Para el caso de las mediciones dieléctricas se utilizaron muestras de PEN con un espesor de 45µm, en este caso fue necesario un proceso de metalización al oro en ambas caras de la película de PEN, con la finalidad de mejorar el contacto con los electrodos del analizador dieléctrico utilizado: DEAA2970-TA. COMPARACIÓN ENTRE LOS RESULTADOS TEÓRICOS Y LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES La figura 9 muestra como el MFM describe de una manera precisa los resultados experimentales de las partes: real e imaginaria del E* para una muestra de PEN que fue sometida a un tratamiento térmico de 170ºC durante 180 minutos, lo que le confirió un estado semicristalino saturado. La figura 10 muestra como nuestro MFD representa de una manera precisa los resultados experimentales del PEN estudiado, a excepción de la contribución de la conductividad19,38,39, que se presenta a temperaturas superiores a 160°C y que se manifiesta por un incremento de εr’’ cuando T aumenta. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 Fig. 9. Comparación de las predicciones teóricas y resultados experimentales de E’(T) y de E’’(T) a una frecuencia de 10Hz. Para una muestra de PEN con un estado semicristalino saturado. 19 �Método de derivación e integración de orden arbitrario en... / Martín Edgar Reyes Melo, et al Los parámetros del MFM y del MFD que fueron utilizados para reproducir los espectros experimentales mostrados en las figuras 9 y 10 se muestran en la tabla III. Con respecto al MFM los órdenes fraccionarios presentan la siguiente relación: b>a>c>d. El valor más pequeño d, corresponde a la relajación β que se presenta a muy bajas temperaturas (por debajo de –50°C), mientras que el valor más alto b, está asociado a los movimientos moleculares cooperativos de la relajación α, a temperaturas ligeramente superiores a 150°C. El parámetro c corresponde a la relajación β*. En la figura 9 puede constatarse que para la curva E’’(T) el mínimo localizado entre β* y α está asociado a los parámetros c y a. Por otra parte el mínimo localizado entre β* y β, está asociado a los parámetros c y d. Se ha demostrado para polímeros amorfos que el mínimo entre la relajación principal α y una relajación secundaria es muy sensible al proceso de envejecimiento físico que sufren dichos materiales32. En lo referente a la manifestación dieléctrica de la viscoelasticidad. Los órdenes fraccionarios presentan la siguiente relación: f >e>g>h. El valor más pequeño h, corresponde a la relajación β que se presenta a muy bajas temperaturas (por debajo de –60°C), mientras que el valor más alto f, está asociado a los movimientos moleculares de la relajación α, a Fig. 10. Comparación de las predicciones teóricas y resultados experimentales de εr’(T) y de εr’’(T) a una frecuencia de 10 Hz. Para una muestra de PEN con un estado semicristalino saturado 20 Tabla III. Parámetros del MFM y del MFD. Relajación MFM DFM a=0.17 e=0.24 b=0.27 f=0.41 α E1UE10=1.96x109Pa ε1rs-ε1r∞=0.58 Movimientos cooperativos τ0=1x10-18s τ0=1x10-14s ∆µ=0.66eV ∆µ=0.47eV T*=267°C T*=267°C T0=77°C T0=76°C c=0.142 g=0.19 E2UE20=1.64x109Pa ε2rs-ε2r∞=0.25 τ0=1x10-34s τ0=1x10-14s ∆µ=2.04eV ∆µ=0.56eV T*=267°C T*=267°C T0=-238°C T0=-83°C d=0.13 h=0.17 E3UE30=1.35x109Pa ε3rs-ε3r∞=0.24 τ0=1x10-18s τ0=1x10-14s Ea=0.715eV Ea=0.5ev β∗ Movimientos parcialmente cooperativos β Movimientos no cooperativos temperaturas ligeramente superiores a 120°C. El parámetro g corresponde a la relajación β*. Con respecto a los parámetros cinéticos que definen los tiempos de relajación tanto para el caso de la manifestación dieléctrica como la mecánica, se observa que para la relajación α, hemos podido constatar que T oα≈Tg-50°C y T*≈T m del PEN, estos valores concuerdan con los reportados para muchos polímeros semicristalinos16. Con respecto a la relajación β* la dependencia en temperatura de las energía de activación es menos pronunciada, en este caso T*≈Tm y Toβ*<Tg-50°C. En el caso de la relajación β la energía de activación es constante y de una magnitud tal que pueden asociarse a movimientos moleculares muy localizados, es decir movimientos moleculares no cooperativos. Cabe recalcar que las energías de activación para las relajaciones mecánicas y las dieléctricas presentan magnitudes diferentes, esto se debe a que son aspectos diferentes del mismo fenómeno. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Método de derivación e integración de orden arbitrario en... / Martín Edgar Reyes Melo, et al CONCLUSIONES Los operadores diferenciales e integrales de orden arbitrario nos han permitido desarrollar modelos que describen el comportamiento mecánico y dieléctrico de materiales poliméricos como el PEN caracterizados por al menos 3 fenómenos de relajación. La forma de las curvas teóricas de los espectros mecánicos y dieléctricos puede modificarse haciendo variar los órdenes fraccionarios de los “spring-pots” y de los “cap-resitors” que constituyen al MFM y al MFD. La comparación entre los resultados experimentales y las predicciones teóricas muestran que los resultados experimentales de los espectros mecánicos y dieléctricos son reproducidos respectivamente por el MFM y por el MFD. Lo anterior nos ha permitido relacionar cuantitativamente los espectros mecánicos y dieléctricos con la movilidad molecular del PEN, ya que los órdenes fraccionarios pueden considerarse como una medida relativa de la movilidad molecular asociada a cada fenómeno de relajación. REFERENCIAS 1. Reyes Melo, M.E., “Autoafinidad de superficies de fractura en materiales plásticos”, Tesis de Maestría 1999, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. 2. 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Reyes-Melo, E., Martínez-Vega, J., GuerreroSalazar, C., Ortiz-Méndez, U.; “On the modelling of the dynamic-elastic modulus in polymer materials under isochronal conditions”, Journal of Applied Polymer Science, 2004, Vol.94, pp.657-670. 37. Reyes-Melo, M.E., Martínez-Vega, J.J., GuerreroSalazar, C.A., Ortiz-Méndez, U.; “Modelling of relaxation phenomena in organic dielectric materials. Application of differential and integral operators of fractional order”, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 2004, Vol.6, No.3, pp.1037-143.. 38. Hardy, L., Stevenson, I., Fritz, A., Boiteux, G., Seytre, G., Schönhals, A. ; “Dielectric and dynamic mechanical relaxation behaviour of poly(ethylene 2,6-naphthalene dicarboxylate). II.Semicrystalline oriented films”, Polymer, 2003, Vol.44, pp.4311-4323. 39. Mayoux, C., Martínez-Vega, J.J., Guastavino, J., Laurent, C.; “Towards a better knowledge of insulating polymers under stress”, IEEE Transactions on dielectrics and electrical insulation, 2001, Vol.8, No.1, pp.58-71. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �De exámenes doctorales José Antonio Márquez González Universidad Veracruzana notaria2marquez@prodigy.net.mx RESUMEN Además de ser un nivel de estudios especializado, el doctorado constituye toda una tradición histórica. Ser recuerdan aquí algunas de las curiosas ceremonias y costumbres que acompañaban a la obtención de este grado durante la Colonia. PALABRAS CLAVE Examen, doctorado, grado, México, leyes de indias. Primera piedra de la Real y Pontificia Universidad de México. ABSTRACT Besides being a highly specialized type of academy degree, a PhD has a deep historial in adition. Some of its unusual customs and ceremonies, performed when the degree was obtained in the times of the Colonia, are described in this article. KEYWORDS Exam, PhD, degree, Mexico, colonial laws. Las reales y pontificias universidades de Lima (1548) y México (1551) fueron las primeras en ser creadas en América. Por cierto, a semejanza de la universidad de Salamanca, es decir, con todos sus derechos y prerrogativas. Las facultades que iniciaron estas universidades pioneras fueron teología, cánones, leyes, medicina y artes. He aquí el texto de la ley que autoriza la fundación de ambas: Ley I. Fundación de las Vniverfidades de Lima, y México. Artículo publicado en la revista Ciencia No. 3, Vol. 56, Jul-Sep 2005, de la Academia Mexicana de Ciencias. Para servir á Dios nueftro Señor, y bien publico de nueftros Reynos conviene, que nueftros vaffallos, fubditos y naturales tengan en ellos Vniverfidades y Eftudios generales donde fean inftruidos y graduados en todas ciencias y facultades, y por el mucho amor y voluntad, que tenemos de honrar y favorecer á los de nueftras Indias, y defterrar de ellas las tinieblas de la ignorancia, criamos, fundamos y conftituimos en la Ciudad de Lima de los Reynos de el Perú, y en la Ciudad México de la Nueva Efpaña Vniverfidades y Eftudios generales, y tenemos por bien y concedemos á todas las perfonas, que en las dichas dos Vniverfidades fueren graduados, que gozen en nueftras Indias y Tierrafirme del Mar Occeano, de las libertades y franquezas de que gozan en eftos Reynos los que fe graduan en la Vniverfidad y Eftudios de Salamanca, afsi en el no pechar, como en todo lo demás; y en quanto á la jurifdicion fe guarde la Ley 12 de efte título.1 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 23 �De exámenes doctorales / José Antonio Márquez Gonzlález Es curioso consignar que una ley especial de 1618 prescribía que los rectores de esas universidades podían tener a su servicio dos negros esclavos armados con espada, a manera de guardaespaldas: Ley viij. Que los Rectores de las Vniverfidades de Lima y México puedan traer dos Negros lacayos con efpadas. Damos Licencia y facultad á los Rectores de las Vniverfidades Lima y México, para que por el tiempo que lo fueren pueda cada vno traer dos Negros lacayos con efpadas, y nueftras Iufticias no les pongan embargo, ni impedimento alguno, que afsi es nueftra voluntad.2 En los exámenes de grado, las universidades del Nuevo Mundo guardaban la misma solemnidad que su similar de Salamanca. Recibían también el calificativo de “mayores”, según la Recopilación de Leyes de los Reynos de las Indias: Ley xiiij. Que los que recivieren grados mayores, hagan la profefsion de la Fè. Conforme A lo difpuefto por el Santo Concilio de Trento y Bula de la Santidad de Pio Quarto de felice recordacion, los que en las Vniverfidades de nueftras Indias recivieren grados de Licenciados, Doetores y Maeftros en todas facultades, fean obligados á hazer la profefsion de nueftra Santa Fé Catolica, que predica y enfeña la Santa Madre Iglefia de Roma: y afsimifmo nos han de jurar obediencia y lealtad, y á nueftros Virreyes y Audiencias Reales en nueftro nombre, y á los Reetores de la tal Vniverfidad, conforme á los Eftatutos de ella.3 La colación del grado de doctor representaba uno de los mayores espectáculos académicos. Se arreglaba especialmente como sede el paraninfo de la catedral (R. I., 1, 22, 16). El ceremonial comenzaba con el vistoso desfile de una reducida comisión universitaria que acudía a recoger al aspirante a su propia casa. Acto seguido, en unión de familiares, amigos, vecinos y padrino, se encaminaban todos al lugar del examen. Algunos iban a caballo. Cerraba el desfile una banda musical al son de tambores y trompetas. En la catedral se exponía lo que se llamaba la cuestión doctoral, es decir, la lectura del trabajo de investigación. A continuación, el rector o los catedráticos tenían el derecho de criticar o de refutar lo expuesto. 24 Primera casa de la Real y Pontificia Universidad de México. Se disponía de reglas muy detalladas para el desarrollo de la prueba, si bien referidas a los exámenes de licenciados y catedráticos. El número de jurados era normalmente de cuatro, todos doctores del claustro, y debían guardarse entre sí la antigüedad del grado. El secreto de la votación se guardaba celosamente, ya que no podían mostrarse las “A” o las “R” del resultado. El voto, en efecto, se depositaba en jarras de plata colocadas en una mesa apartada, de modo que cada uno debía levantarse para depositarlo y de esta manera se ocultaba de las miradas de los demás. Sabemos que se tomaban en cuenta la reputación y el aspecto personal de los examinados: Discipulo deue ante ser el Escolar, que quiera uer honrra de Maestro. E desque ouiesse bien aprendido, deue venir ante los Mayorales de los Estudios, que han poder de les otorgar la licencia para esto. E deuen catar en poridad ante que lo otorguen, si aquel que la demanda es ome de buena fama, o de buenas maneras... e desembargada lengua para mostrarla; e si responde bien a las questiones, e a las preguntas, que le fizieren, deuenle después otorgar públicamente honrra, para ser Maestro; tomando jura del, que demuestre bien e lealmente la su sciencia, e que nin dio, nin prometio a dar ninguna cosa a aquellos que le otorgaron la licencia, nin a otro por ellos, porque le otorgasen poder de ser Maestro.4 Se calificaban también aspectos como la reputación y aspecto personal. Hasta aquí llegaba el acto meramente académico. Lo que seguía a continuación era la exposición Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �De exámenes doctorales / José Antonio Márquez Gonzlález humorística del propio aspirante, a cargo de uno de los doctores de la propia facultad. Según sabemos, en esta exposición, conocida con el nombre de vejamen, se retrataba y ridiculizaba físicamente al estudiante. Este discurso satírico y festivo buscaba así situar al solicitante en su verdadero lugar, recordando que la inminente imposición del grado podía no significar gran cosa al final. Según sabemos, este vejamen se encontraba a cargo del doctor más reciente de la facultad. Una vez terminada esta graciosa digresión, el doctorando solicitaba formalmente la imposición del grado. La máxima autoridad de la universidad accedía formalmente a la petición. Con el solicitante ya togado, se procedía ahora a imponerle la muceta, el birrete, el anillo, el libro y el título, en este orden. Para recibir el birrete, el nuevo doctor debía arrodillarse en símbolo de humildad. Por cierto que la ceremonia era muy semejante a la investidura de un caballero, donde igualmente se velaban las armas toda la noche y se oía misa por la mañana. Una vez enjaezado con espuelas y espada, el aspirante rendía formal juramento de lealtad. Las Siete Partidas dicen graciosamente lo siguiente, con referencia a la pescozada que sufría el investido: E desque el espada le ouieren ceñido, deuenla sacar de la vayna, e ponergela en la mano diestra, e fazerle jurar estas tres cosas. La primera, que non recele de morir por su Ley, si fuere menester. La segunda, por su Señor natural. La tercera por su tierra. E quando esto ouiere jurado, deuele dar vna pescoçada, porque estas cosas sobredichas le vengan en miente, diziendo, que Dios le guie al su seruicio.5 lo hizo en el titulo, que del grado fe defpachare; y fi fucediere haver alguno, lo qual Dios nueftro Señor no permita, que revfare hazer el juramento, le ferá por el mifmo cafo denegado el grado, y el que fe atreviere á darfele, incurra por el mifmo cafo en pena de cien ducados de Caftilla para la Caxa de la Vniverfidad: y en privacion de oficio el Secretario de la Vniverfidad, que no lo denunciare ante el Reetor. Y fiamos tanto de la devocion de todos para con la Madre de Dios, que nunca fucederá el cafo de obligar á la execucion de eftas penas.6 Terminado el acto académico, se acompañaba al nuevo doctor otra vez al son de la música y con señales de regocijo de la población entera. No resultaba infrecuente que a continuación el recién graduado ofreciera una fiesta con abundancia de víveres. A veces, hasta patrocinaba corridas de toros en la plaza pública, para lo cual era necesario juntarse con otros doctorandos, puesto que los gastos eran muy grandes y era costumbre empeñar incluso los útiles escolares. En ocasiones, los gastos de la ceremonia doctoral eran tales que muchos estudiantes debían esperar forzosamente alguna situación infausta o de duelo para obtener el grado y de esta forma prescindir justificadamente del júbilo académico. Como puede verse, la colación del grado significaba un gran evento académico que Alcanzada esta culminación ceremonial, el recién doctorado debía hacer, según lo exigían las leyes, la profesión de la santa fe católica. Subía pues a la cátedra y entonces de rodillas juraba solemnemente. ... ninguno pueda recevir grado mayor de Licenciado, Maeftro, ni Doetor en facultad alguna, ni aun el de Bachiller en Teologia, fi no hiziere primero juramento en vn Libro Miffal delante del que le ha de dar el grado, y los demás, que afsiftieren, de que fiempre tendrá, creerá y enfeñará de palabra y por efcrito haver fido la fiempre Vigen Maria Madre de Dios y Señora nueftra concebida fin pecado original en el primer inftante de fu fer natural, el qual juramento fe pondrá, como Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 25 �De exámenes doctorales / José Antonio Márquez Gonzlález involucraba a la población en general. Para el propio doctor, el conferimiento del grado representaba también un ascenso repentino en su estatus académico, social y económico, puesto que no resultaba infrecuente la concesión de cargos importantes a partir de la obtención del grado. Es claro que el grado de doctor mantenía entonces –y mantuvo en los siglos posteriores– un prestigio que ahora se ha visto disminuido. Las Leyes de Indias decían que los doctores se equiparaban a los nobles. Con tan privilegiado estatus social, el académico no podía tampoco ser aprisionado por deudas civiles y se les reservaba un lugar especial en los actos públicos y solemnes, así como en las Audiencias reales. Sor Juana Inés de la Cruz supo reflejar este grandioso drama académico en sus versos. Reproduzco dos fragmentos aquí: “Dando el parabién a un doctorado” y “Que celebra a un graduado de doctor”: 7 ... Hoy, que Doctoral insignia tu dichosa frente ciñe, y que de la amarga siembra gustosos frutos percibes, goza el laurel, goza el premio que tu Fama te apercibe: puro blasón que te adorne, cándido honor que te anime. Goza el tan debido premio; y ese candor que te viste, si no corona tu ciencia, por lo menos la publique. Gózate excepción del tiempo; y porque el mundo te admire, vive tanto como sabes, goza tanto como vives. Vista tus hombros el verdor lozano, joven, con que tu ciencia te laurea; y puesto en ellos, dignamente, sea índice de tus méritos ufano. No obstante todo ello, la propia tradición académica en la universidad de Salamanca rezaba con sarcasmo: “QVOD NATVRA NON DAT, SALMANTICA NON PRAESTAT”. 26 Sor Juana Inés de la Cruz A su vez, la sabiduría popular llegaba a aconsejar, por si las dudas, aquel adagio medieval que afirmaba elocuentemente: “de que un hombre tenga ciencia, no se sigue que tenga juicio”. REFERENCIAS 1. Recop. de Indias, 1, 22, 1 (escribo siempre las palabras con la ortografía de la época). 2. Recop. de Indias, 1, 22, 8. 3. Recop. de Indias, 1, 22, 14. 4. Siete Partidas, 2, 31, 9. 5. Siete Partidas, 2, 21, 14. 6. Recop. de Indias, 1, 22, 15. 7. “Romances” y “Sonetos”, en Obras completas, 8ª edición, Porrúa, México, 1992, pp. 62 y 160. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo dos criterios cuantificables Miguel Ángel Urbano Vázquez, Mauricio Cabrera Ríos FIME-UANL skmiguel@yalma.fime.uanl.mx, mauricio@yalma.fime.uanl.mx RESUMEN En la vida diaria existen situaciones en las que tomar una decisión se complica debido a la presencia de conflicto entre múltiples criterios de desempeño. La metodología que se presenta en este trabajo integra técnicas gráficas de optimización bicriterio y herramientas estadísticas y se utiliza para encontrar soluciones para situaciones con dos criterios cuantificables. La metodología se demuestra aquí con un caso de estudio. PALABRAS CLAVE Diseño de experimentos, optimización bicriterio. ABSTRACT The presence of conflict between multiple criteria complicates decisionmaking in many everyday life situations. The method here presented involves graphical bicriteria optimization techniques as well as statistical tools and is headed towards finding solutions in cases with two quantifiable criteria. The method is demonstrated here through a case study. KEYWORDS Design of experiments, bicriteria optimization. INTRODUCCIÓN En la vida cotidiana debemos tomar decisiones de todo tipo. No todas las decisiones son críticas, pero tomarlas es inevitable. Si ponemos atención a estas decisiones, críticas o no, podemos encontrar información muy interesante y potencialmente valiosa. Algunos casos especialmente interesantes son aquellos en los que se requiere tomar una decisión para “minimizar” costos y al mismo tiempo “maximizar” los beneficios. Es claro que tenemos un problema con dos criterios: costo y beneficio. En muchos de estos casos, estos criterios estarán en conflicto y requerirán ser analizados adecuadamente para llegar a una decisión. Otros ejemplos comunes en los que el conflicto está presente incluyen la elección de la ruta más rápida para llegar a un cierto destino contra la ruta más escénica o la ruta más segura; o bien el elegir del menú del día la comida más nutritiva contra la más sabrosa o la más barata. Como se puede observar, todas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 27 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al son decisiones muy comunes en la vida diaria; y aunque en la mayoría de los casos la decisión se hace únicamente tomando en cuenta una medida de desempeño, si existe conflicto, vale la pena determinar cuál sería una decisión balanceada entre varios criterios posibles. Un ejemplo a nivel empresa puede ser la adquisición de maquinaria. En general, podemos hablar de que una selección ideal para muchas aplicaciones es una máquina que minimice el tiempo de ciclo de proceso y que al mismo tiempo maximice la calidad del producto medida de alguna manera cuantitativa. Un conflicto entre estos dos criterios es altamente probable. Es precisamente en este tipo de casos con dos criterios donde la metodología que aquí se demuestra en un caso cotidiano se puede convertir en una herramienta eficaz para la toma de decisiones. En este trabajo, se aplica una metodología con bases cuantitativas para elegir entre tres diferentes marcas de clips bajo dos criterios de desempeño: costo y durabilidad (o vida útil). El análisis es objetivo, pues no se predetermina una preferencia entre los criterios. La metodología propuesta integra herramientas estadísticas y un método gráfico de optimización bicriterio. Un número de criterios mayor que dos no permitiría el uso de un método gráfico, por lo cual se acota aquí el análisis a casos bicriterio. METODOLOGIA EMPLEADA La metodología se presenta esquemáticamente en la figura 1. Fig. 1. Metodología Empleada. 28 Representación del sistema físico En esta parte de la metodología se identifican las variables controlables que son los factores que podemos variar a discreción dentro del sistema. Se definen también las variables no controlables, que son las que no están bajo nuestro control. También en esta fase se deben identificar las medidas de desempeño que se desean mejorar. El conocimiento previo y la intuición ingenieril pueden ayudar en esta fase para elevar la probabilidad de que las medidas de desempeño se encuentren en función de las variables controlables.1 El diseño de experimentos El diseño de experimentos es una colección de técnicas estadísticas que prescribe la planeación, ejecución y el análisis de pruebas planeadas donde se introducen cambios controlados en un proceso o un sistema con el objetivo de analizar la variación inducida por estos cambios en una medida de desempeño. La utilización adecuada de estas técnicas es indispensable para garantizar resultados experimentales estadísticamente confiables. En el contexto de la metodología que aquí se propone, el diseño de experimentos se divide en tres partes: seleccionar el diseño experimental, realizar un análisis de varianza y realizar un análisis de residuos. Selección del diseño experimental Existen muchos tipos de diseños de los cuales se puede escoger. Dentro de los más populares se puede encontrar al diseño factorial que, esencialmente, explora todas las combinaciones posibles entre los valores de las variables involucradas. Por ejemplo, un factor muestreado en tres valores (llamados niveles) y un segundo factor muestreado en cuatro niveles generarán un total de 3 x 4 = 12 combinaciones experimentales. Existen catálogos publicados de diseños experimentales, por ejemplo varios diseños se pueden encontrar en la referencia;2 también se puede hacer uso de paquetes computacionales estadísticos con módulos de diseño de experimentos como el Minitab. Es importante seleccionar un diseño adecuado, pues las conclusiones estadísticas válidas dependen altamente de esta selección. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al El análisis de varianza Esta técnica ayuda a explicar la variabilidad en las observaciones contenidas en un diseño experimental. A través de su utilización se puede cuantificar el grado de influencia de los factores controlables en las medidas de desempeño analizadas, así como estimar el error experimental para experimentos con varias réplicas. El análisis de residuos Este análisis permite rectificar la validez de las conclusiones obtenidas a partir del análisis de varianza. Se debe verificar que los residuos cumplan los supuestos de independencia estadística, desviación estándar constante y distribución normal. Una práctica común es llevar a cabo este análisis con ayuda de gráficas. Diseño de gráficas para la toma de decisiones En esta fase se construye una serie de gráficas que ayuden a la toma de decisiones basada en los puntos anteriores. Existen muchos tipos de gráficas que pueden ser útiles, así que es necesario seleccionar algunas que sean adecuadas para el caso bajo análisis. CASO DE ESTUDIO En este caso de estudio se aplicó la metodología descrita anteriormente para evaluar tres tipos de Clips, “BACO”, “PELIKAN” y “BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO”. El objetivo es elegir la mejor opción, si existe alguna, en base a dos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 criterios: vida útil y costo. Siguiendo la metodología, se llevó a cabo un diseño de experimentos para caracterizar la vida útil del clip. Dos factores que potencialmente afectarán la vida útil del clip fueron identificados: el ángulo de apertura del clip para mantener diferentes cantidades de papel y el tiempo en que el clip sujeta el papel. El Diseño Experimental Factorial consistió en variar ambos factores a tres niveles cada uno. Los factores se identifican aquí como ÁNGULO, relacionado con la apertura necesaria para que el clip sujete diferentes cantidades de papel; y TIEMPO, que representa el tiempo bajo el cual el clip permanece deformado. Utilizar tres niveles sirvió para poder caracterizar curvatura de la vida útil con respecto de las variables controlables. La medida de desempeño que se decidió investigar fue la cantidad de veces que un clip se puede utilizar hasta que se rompa. Al analizar la selección de esta medida de desempeño, se puede intuir que llevar a cabo un experimento en espera de que un clip se rompa bajo condiciones normales de uso no es práctico en términos del tiempo requerido. Por esta razón se decidió hacer una “prueba acelerada”, la cual consistió en abrir el clip un cierto ángulo como si estuviera sosteniendo una cantidad de papel específica y mantenerlo así por tiempos cortos. De esta manera pudimos obtener un estimado de la vida útil de los clips ante diversas condiciones de uso, determinadas por los niveles a los que se decidió muestrear las variables. Estos niveles se listan en la tabla I. Cabe aquí cuestionar la inclusión de un ángulo de 89 grados. La razón para incluirlo fue simplemente para investigar un valor extremo y poder tener una idea de qué pasa con la variación en ese caso extremo. En el diseño experimental, que consta de 9 combinaciones, en cada combinación experimental Tabla I: Factores controlables y los niveles a los que se variaron. ANGULO (grados) TIEMPO (segundos.) 45 1 60 4 89 8 29 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al se tomaron 5 réplicas, lo cual permitió estimar el error experimental e incrementar la precisión del experimento. Adicionalmente, el mismo diseño experimental se utilizó para evaluar los tres tipos diferentes de clips: BACO, PELIKAN y BACO C/PLÁSTICO. Después de ejecutar el experimento, se obtuvieron los datos mostrados en las tablas II a la IV. Se pueden hacer muchas observaciones sobre el comportamiento de los datos a partir de las tablas antes mencionadas, así como tratar de explicar por qué sucedieron de esta manera en nuestro experimento desde un punto de vista fenomenológico, sin embargo, esto cae más allá del objetivo de este estudio y de la demostración del método que aquí se describe. Se da paso entonces al análisis estadístico de los experimentos. La siguiente fase en este estudio incluye el análisis de varianza (ANOVA) correspondiente a cada experimento, esto se hizo mediante el uso del paquete computacional estadístico MINITAB. Las tablas V a la VII muestran las salidas de MINITAB. Con el objetivo de interpretar los resultados de las tablas V a la VII, se debe dar atención a las últimas columnas de las tablas ANOVA. El valor p que se muestra para cada fuente de variación identificada en la primera columna se interpreta de la siguiente manera: Si el valor p < α para determinada fuente de variación, entonces se concluye que esta fuente de variación afecta significativamente a la medida de desempeño al nivel especificado α. El valor α en este caso se refiere a la probabilidad de equivocarse Tabla II. Tabla de experimentos clips Baco. TABLA DE EXPERIMENTOS CLIP’S BACO ANGULO 45 60 89 96 20 10 1 128 39 12 TIEMPO SEGUNDO 94 105 45 42 13 15 90 40 25 58 16 13 4 SEGUNDOS 49 63 48 24 28 30 32 22 15 43 25 23 30 10 12 38 15 10 8 SEGUNDOS 36 32 14 20 15 14 27 18 11 125 91 40 8 SEGUNDOS 130 123 83 75 37 42 117 77 39 Tabla III. Tabla de experimentos Clips Pelikan. TABLA DE EXPERIMENTOS CLIP’S PELIKAN ANGULO 45 60 89 89 67 41 1 120 59 67 TIEMPO SEGUNDO 95 97 65 70 62 58 110 64 60 245 77 45 4 SEGUNDOS 236 241 190 80 65 71 50 47 59 220 69 53 115 80 30 Tabla IV. Tabla de experimentos Clips Baco con cubierta de plástico. TABLA DE EXPERIMENTOS CLIP’S PELIKAN ANGULO 45 60 89 106 87 45 Factor ANGULO TIEMPO 1 107 82 38 TIEMPO SEGUNDO 97 102 88 92 45 35 95 78 37 288 75 45 4 SEGUNDOS 297 300 291 80 72 83 57 51 64 271 77 53 171 88 45 167 91 41 8 SEGUNDOS 179 158 95 87 38 51 Tabla V. ANOVA clips Baco General Linear Model: VECES UTILIZADO versus AUNGULO, TIEMPO Type Levels Values Fixed 3 45, 60, 89 Fixed 3 1, 4, 8 Analysis of Variance for VECES UTILIZADO, using adjusted ss for Tests Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F ANGULO 2 17941.4 17941.4 8970.7 145.76 TIEMPO 2 7532.8 7532.8 3766.4 61.20 ANGULO*TIEMPO 4 6900.0 6900.0 1725.0 28.03 ERROR 36 2215.6 2215.6 61.5 TOTAL 44 34589.8 S = 7.84503 30 183 92 50 R-Sq = 93.59% P 0.00 0.00 0.00 R-Sq(adj) = 92.17% Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al Tabla VI. ANOVA clips Pelikan. Factor ANGULO TIEMPO General Linear Model: VECES UTILIZADO versus AUNGULO, TIEMPO Type Levels Values Fixed 3 45, 60, 89 Fixed 3 1, 4, 8 Analysis of Variance for VECES UTILIZADO, using adjusted ss for Tests Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P ANGULO 2 84376 84376 42188 403.80 0.00 TIEMPO 2 15371 15371 7686 73.56 0.00 ANGULO*TIEMPO 4 30849 30849 7712 73.8 0.00 ERROR 36 3761 3761 104 TOTAL 44 134357 S = 10.2214 R-Sq = 97.20% R-Sq(adj) = 96.58% Factor ANGULO TIEMPO Tabla VII. ANOVA clips Baco con cubierta de plástico. General Linear Model: VECES UTILIZADO versus AUNGULO, TIEMPO Type Levels Values Fixed 3 45, 60, 89 Fixed 3 1, 4, 8 Analysis of Variance for VECES UTILIZADO, using adjusted ss for Tests Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F ANGULO 2 159909 159909 79954 1728.54 TIEMPO 2 31670 31670 15835 342.33 ANGULO*TIEMPO 4 59524 59524 14881 321.71 ERROR 36 1665 1665 46 TOTAL 44 252768 S = 6.80114 en concluir que ha ocurrido un cambio en la medida de desempeño cuando en realidad no ha ocurrido. Típicamente se utiliza un valor de α de 0.05, esto es de 5%.3 El valor p es el mínimo valor de α bajo el que aún concluiríamos que determinada fuente de variación tiene un efecto significativo. Siguiendo las reglas anteriores se concluye entonces para los tres experimentos que el factor “ANGULO”, el factor “TIEMPO” y la interacción de ambos factores tienen un efecto estadísticamente significativo sobre la medida de desempeño analizada al nivel α de 5%. Además se pudo obtener un coeficiente de determinación ajustado R-sq de 92.17% para el primer experimento; de 96.58% para el segundo experimento, y un de 99.19% para el tercer experimento. Este coeficiente nos dice aproximadamente qué porcentaje de la variación total de nuestros datos podemos explicar con las fuentes de variación que identificamos y su alto valor da mayor soporte a nuestras conclusiones estadísticas. Para verificar que las conclusiones a las que se llegaron a partir de la ANOVA fueran confiables, se realizó un análisis de residuos (entiéndanse los Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 R-Sq = 99.34% P 0.00 0.00 0.00 R-Sq(adj) = 99.19% residuos como errores de aproximación de los datos experimentales), el cual a través de una serie de gráficas ayuda a verificar que éstos cumplan con los supuestos de independencia estadística, desviación estándar constante y una distribución normal. En la figura 2a se muestran los Residuos vs. Orden de Experimentación, en donde se busca determinar que no exista un patrón reconocible para los residuos. Fig. 2. Gráficas de residuos. 31 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al Se busca un comportamiento aleatorio alrededor de 0 para así comprobar su independencia. La figura 2b muestra los Residuos vs. Tiempo, que ayuda a verificar que los residuos tengan una desviación estándar aproximadamente constante alrededor de 0. La figura 2c muestra los Residuos vs. Predicción, con la cual se verifica que los residuos no se encuentren correlacionados con la magnitud de las predicciones, pues eso violaría el supuesto de independencia. Por último la grafica 2d muestra un gráfico de probabilidad normal. En este último gráfico, si se aprecia un patrón rectilíneo, se interpreta como una indicación de normalidad. En estos gráficos se puede notar la existencia de algunos valores anormales. Se repitieron todas las ANOVAS sin ellos para comprobar que su presencia no cambiaran las conclusiones estadísticas. Las gráficas del Análisis de Residuos de los tres experimentos mostraron que los residuos cumplieron suficientemente con los supuestos de independencia, desviación estándar constante y una distribución normal. Adicionalmente fue posible obtener para cada experimento una gráfica de efectos principales y una gráfica de interacción las cuales ayudaron a confirmar las conclusiones del análisis de varianza. Éstas se muestran en la figura 3 y figura 4 respectivamente. Para el experimento de clips BACO se puede observar en la figura 3 que cuando el factor Ángulo y el factor Tiempo se encuentran en sus niveles más bajos la medida de desempeño (veces utilizado) se incrementa. En la figura 4 se puede observar que en los datos comprendidos entre los niveles 1 y 4 del factor tiempo se muestra una gran interacción, y en los datos comprendidos entre los niveles 4 y 8 la interacción fue casi nula. Se puede observar en la figura 4 que haber incluido un valor extremo de ángulo acusa una mayor interacción. Se analizaron nuevamente los resultados sin tomar en cuenta este valor extremo para verificar si las condiciones serían las mismas. En efecto, las conclusiones permanecieron iguales en todos los casos. Para resumir, podemos concluir en esta fase que el ÁNGULO y el TIEMPO tienen efectos significativos en la vida útil de los clips tanto por separado como en interacción, y que por tanto, probamos la durabilidad de los clips en condiciones de uso que sí la afectan. 32 Fig. 3. Gráfica de efectos principales. Fig. 4. Gráfica de interacción. De ahí que la variación de estas condiciones nos deba ayudar a comparar entre diferentes marcas de clips ante un espectro muy amplio de utilización. DISEÑO DE GRÁFICAS PARA LA TOMA DE DECISIONES Con el objetivo de seleccionar un tipo de clips, se optó por considerar las medias generales resultantes de la experimentación y los costos asociados a cada tipo de clip. De esta manera se conjugan ambas medidas de desempeño: el precio y la vida útil de cada tipo de clip. Esta información se puede apreciar en la figura 5. En esta figura el eje “x” corresponde al costo por pieza, el cual deseamos que sea lo menor posible, y el eje “y” corresponde a la vida útil promedio, la cual deseamos que sea lo más alta posible. Si la elección de un clip se basa solamente en el costo por pieza (eje “x”) la marca de clips elegida sería “PELIKAN” pues tuvo un costo de $0.025 por clip, a comparación de la marca “BACO” que costó Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al Fig. 5. Media general Vs. costo/pieza. $0.045 por clip y la marca “BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO” con un $0.144 por clip. Por otro lado, si únicamente se basa en la vida útil (eje “y”) la marca elegida sería “BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO” pues obtuvo una media de 106.0 deformaciones antes de ruptura, a comparación de la marca “BACO” que obtuvo un 34.7 deformaciones y la marca “PELIKAN” con 90.5 deformaciones. Es fácil ver hacia dónde apuntaría una optimización que pusiera toda la importancia en el costo o bien toda la importancia en vida útil. Es importante también notar que hay una opción que no hubiera sido favorecida en ningún caso: los clips “BACO”. En términos de una optimización bicriterio, podemos decir que los puntos determinados para las opciones “PELIKAN” y “BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO”, dominan a la opción “BACO”, la cual puede ser descartada de toda selección. Podemos además notar que pasar de la opción “PELIKAN” a “BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO” o viceversa, implica ganar en una medida de desempeño a costa de perder en la otra. Matemáticamente, este comportamiento aunado a estar en el contorno deseable de nuestro conjunto de datos, las convierte en soluciones “eficientes” del problema bicriterio. En el caso aquí descrito, estas dos soluciones eficientes conforman la “frontera eficiente” de nuestro conjunto de datos. En general, los problemas de optimización de criterios múltiples se abocan a encontrar la frontera eficiente para así determinar una serie de soluciones (eficientes) que representan los mejores balances entre todas las medidas de desempeño. En este caso, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 la visualización gráfica con la que podemos contar al considerar solamente dos medidas de desempeño provee una manera muy conveniente de llevar a cabo este análisis. En un caso con más de dos medidas de desempeño se deberá considerar una técnica de optimización multicriterio adecuada. Aún quedaría, sin embargo, escoger una marca de clips de las dos opciones eficientes que encontramos: PELIKAN o BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO. La elección en este caso dependería si nos inclinamos por el precio o por la vida útil. Es importante notar que es solamente hasta el final de este análisis donde debemos expresar una preferencia por uno o por otro y no al inicio del análisis, pues esto le quitaría objetividad al proceso. Un punto a favor de los clips PELIKAN es que para considerar la otra opción eficiente se deberá pagar varias veces el precio por clip teniendo solamente una mejora marginal en la vida útil. CONCLUSIONES En este trabajo se utilizó una metodología basada en estadística y en optimización bicriterio por el método gráfico para tomar decisiones con bases cuantitativas en problemas cotidianos. Se demostró la metodología por medio de un caso de selección de una marca de clips entre tres opciones considerando costo y vida útil. La metodología es lo suficientemente general para atacar problemas bicriterio de pertinencia mayor, tales como la selección de equipo de manufactura en la industria. REFERENCIAS 1. Castro, C.E., Cabrera-Ríos, M., Lilly,B., Castro, J.M. y Mount-Campbell, C.A. 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El objetivo es evaluar la maquinabilidad de estos materiales considerando la presión específica de corte y el acabado de la pieza (rugosidad), en función del tipo de herramienta utilizado. Se propone además un nuevo índice de maquinabilidad para estos materiales. PALABRAS CLAVE Maquinabilidad, torneado, plásticos reforzados, fibra de vidrio. ABSTRACT This paper presents an experimental study about the machinability processes of glass fiber reinforced plastics using polycrystalline diamond cutting tools (PCD) and cemented carbide tools (K15). The objective is to evaluate the lathe machinability of these materials considering specific cutting pressure and surface roughness according to the cutting tool type. Besides, new machinability index is being proposed. KEYWORDS Machinability, Turning, Glass Fiber, Reinforced Plastics. MATERIALES PLÁSTICOS REFORZADOS Un plástico reforzado está constituido por una matriz de resina polimérica combinada con algún agente de refuerzo. La matriz polimérica permite la conformación del material, dándole cohesión, y las fibras de refuerzo confieren propiedades mecánicas como resistencia y rigidez. Las fibras de refuerzo más utilizadas en aplicaciones para ingeniería son las de vidrio y las de carbono, pudiendo recurrir para aplicaciones muy concretas a las fibras de boro o aramida.1 Habitualmente, el material compuesto está formado por la matriz polimérica y un solo tipo de fibras, de diferente tamaño (cortas, continuas) y disposición (unidireccional, trenzada), siendo menos común la combinación de fibras de distinta naturaleza (vidrio y carbono). La utilización de los materiales compuestos se ha incrementado en diversos campos de la ciencia y de la tecnología debido a su elevada rigidez y 34 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Aportación al maquinado de los plásticos reforzados / Francisco Mata Cabrera resistencia específica, bajo peso, buena resistencia al desgaste y a la corrosión, estabilidad dimensional, excelente relación resistencia a fatiga/peso y propiedades direccionales, ofreciendo claras ventajas frente a los materiales convencionales como componentes resistentes o estructurales en un gran número de aplicaciones en los sectores de aeronáutica, automoción, construcción de máquinas y biomecánica. La mayor funcionalidad y la menor necesidad de mantenimiento son también dos razones adicionales para el desarrollo de estos materiales. Las fibras de vidrio constituyen el refuerzo utilizado de forma mayoritaria porque reducen la tasa de expansión, incrementan el módulo de elasticidad, tienen características buenas como su alta rigidez, durabilidad y resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, y por su bajo precio. Los materiales compuestos de matriz polimérica se utilizan ampliamente en diversas estructuras, como aeronaves, robots, máquinas y prótesis. Estas aplicaciones requieren de una alta calidad superficial, incluyendo la exactitud y la integridad superficial, utilizando para ello las herramientas y los parámetros de corte apropiados. MAQUINADO EN TORNO La utilización de los materiales compuestos de matriz polimérica requiere el desarrollo de adecuados procesos de fabricación para obtener componentes mecánicos con características dimensionales rigurosas. Los procesos de conformación primarios utilizados son numerosos (inyección, extrusión, bobinado...) y dependen tanto de la naturaleza termoplástica o termoestable del material como de la propia aplicación concreta (forma de la pieza, prestaciones deseadas, imperativos de producción, etc.). Por procesos de conformación secundarios entendemos las diferentes operaciones de maquinado (torneado, fresado, taladrado, etc.). El maquinado es un proceso de fabricación en el cual se utiliza una herramienta de corte para eliminar el exceso de material hasta conseguir la forma y dimensiones deseadas. En los últimos años, ha crecido el interés por el maquinado de los materiales compuestos mediante técnicas convencionales y los esfuerzos han ido encaminados a predecir las fuerzas de corte Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 observando los modos de fractura que causan la separación de la viruta. El torneado es una de las operaciones de maquinado más utilizadas en la industria para producir una gran variedad de componentes de acuerdo con especificaciones estrictas de diseño. Las superficies de los acoplamientos mecánicos para diversas aplicaciones tribológicas se consiguen en la actualidad mediante operaciones de torneado. El proceso de torneado de los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras es diferente al de los metales y el cuerpo de conocimientos teórico y experimental de los metales no es aplicable directamente. Los materiales compuestos contienen dos fases, con propiedades mecánicas y térmicas muy diferenciadas, que se traducen en interacciones complejas entre la matriz y el refuerzo durante el proceso de arranque de material, de forma que condicionan la maquinabilidad de estos materiales, en relación con los materiales constituidos por una sola fase, como los metales.2, 3, 4 Las propiedades físicas y térmicas del material compuesto dependen del tipo, porcentaje y orientación de la fibra, de las propiedades de la matriz polimérica así como de la variabilidad de la propia matriz. Esta circunstancia tiene una gran influencia en el comportamiento tribológico de estos materiales. Los plásticos reforzados se comportan de forma extremadamente abrasiva cuando se someten a procesos de conformación por arranque de viruta. La elevada resistencia mecánica de las fibras puede originar un desgaste excesivo de la herramienta de corte y un gran daño en la matriz polimérica, ya que las fibras son arracadas de la matriz. El corte de los materiales plásticos reforzados con fibras se hace difícil debido a la delaminación del material compuesto y a la corta vida de la herramienta, de modo Herramienta utilizada en los ensayos de FRP 35 �Aportación al maquinado de los plásticos reforzados / Francisco Mata Cabrera que es preciso recurrir a herramientas elaboradas con materiales de alta resistencia al desgaste (carburos cementados y diamante policristalino). Es necesario, pues, establecer nuevas directrices para garantizar resultados satisfactorios del proceso de maquinado; en particular, relaciones experimentales que permitan asociar los parámetros funcionales del proceso de corte con las características dimensionales finales, ya que constituye un centro de especial interés para la industria.5, 6 Se han realizado diferentes estudios sobre los parámetros de corte adecuados en la operación de torneado, de los que se puede concluir que no existe una referencia universal; antes bien, cada material, según el tipo y porcentaje de fibras de refuerzo, presenta unos valores de velocidad de corte y de velocidad de avance más apropiados para conseguir un acabado superficial óptimo y minimizar el desgaste de la herramienta. Las propiedades del material tienen una influencia significativa en el desarrollo de las operaciones de maquinado y, junto con otras características del proceso, se incluyen genéricamente en el término “maquinabilidad”, el cual hace referencia a la relativa facilidad con la que el material puede ser trabajado, utilizando las herramientas y los parámetros funcionales de corte apropiados. Se conocen diferentes criterios para evaluar la maquinabilidad; sin embargo, no existe un índice de maquinabilidad válido para todos los materiales, en particular en el caso de los materiales compuestos.7, 8, 9 La rugosidad y la presión específica de corte son dos criterios importantes para evaluar la maquinabilidad de un material compuesto. La rugosidad se utiliza ampliamente como índice de calidad del producto y en muchos casos como requerimiento técnico de los componentes mecánicos. La presión específica de corte proporciona una indicación de la eficiencia del proceso.10, 11, 12 PLAN EXPERIMENTAL Materiales y métodos Para alcanzar el objetivo de este trabajo, se utilizaron en los ensayos tubos de plásticos reforzados con fibras de vidrio, concretamente matriz de poliéster reforzada con 65% de fibras de vidrio (Viapal VUP 9731). Los experimentos se llevaron a cabo en tubos de 113 mm de diámetro y 6 mm de 36 espesor, procesados según la técnica hand lay-up (fibras dispuestas longitudinalmente). El conjunto de ensayos de maquinado se efectuó sin refrigeración y contemplando las 12 combinaciones entre 3 valores de la velocidad de corte y 4 valores de avance, de acuerdo con la tabla I. Se utilizó una profundidad de corte constante de 0.5 mm. Tabla I. Parámetros de corte utilizados en los ensayos f (mm/rev) Vc (m/min) 0.05 100 0.1 100 0.15 100 0.2 100 0.05 200 0.1 200 0.15 200 0.2 200 0.05 400 0.1 400 0.15 400 0.2 400 Vc: Velocidad de corte f: Avance (Feed rate) Ensayo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Los ensayos de torneado se llevaron a cabo con un torno CNC (MHP KINGSBURY) de 18.7 kW de potencia y velocidad máxima de 4500 rpm, utilizando herramientas de diamante policristalino (TPUN 16 03 04-D-CD10-PCD) y herramientas de carburos cementados (TPGN 16 03 04 H13A). Para fijar convenientemente las piezas tubulares durante el proceso de maquinado y evitar vibraciones, se diseñó un sistema específico de fijación consistente en una pieza maciza de aluminio a la que se une el Fig. 1. Sistema de fijación de los tubos de plástico reforzado (FRP) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Aportación al maquinado de los plásticos reforzados / Francisco Mata Cabrera tubo en ensayo mediante 3 tornillos distribuidos a 120º en cada extremo. Esto permitió fijar el conjunto formado por la barra-tubo (conjunto rígido) entre la mordaza y el contrapunto, tal y como se puede ver en la figura 1. La geometría de las herramientas es la siguiente: ángulo de ataque 6º, ángulo de posición 11º, ángulo de la arista de corte 91º y ángulo de inclinación 0º. Se utilizó un portaherramientas tipo TGPL 20 20 K16 (ISO). Se empleó un dinamómetro piezoeléctrico Kistler® 9121 con interface RS-232 y software Dynoware Kistler® para la adquisición y monitorización de las fuerzas de corte (figura 2). La rugosidad se evaluó (de acuerdo con la norma ISO 4287/1) con un rugosímetro Hommeltester T1000. Sobre cada pista maquinada se realizaron 5 medidas y utilizó, finalmente, el valor medio en los análisis posteriores (figura 3). Índice de Maquinabilidad Con el fin de analizar la maquinabilidad de estos materiales, se calculó la presión específica de corte (Ks) (N/mm2) a partir de la fuerza de corte (Fc) utilizando la siguiente ecuación, recogida en la bibliografía:4, 9 Fc Fc (1) Ks = S = f •p Siendo, Fc la fuerza de corte en N, f el avance en mm/rev y p la profundidad de corte en mm. La rugosidad se caracteriza normalmente por el parámetro Ra (rugosidad media aritmética) y será el valor utilizado en este trabajo. Pues bien, se puede definir un nuevo índice de Fig. 2. Ejemplo de evolución de las fuerzas de corte Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 Fig. 3. Medida de la rugosidad maquinabilidad (MI) a partir de la presión específica de corte y de la rugosidad mediante la siguiente ecuación: ⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞ •α ⎟ • ⎜ • β ⎟ x10 3 MI = ⎜ ⎝ Ks ⎠ ⎝ Ra ⎠ (2) Expresando Ks en N/mm , Ra en mm, y siendo α y β unos coeficientes de peso. Los valores de α y β se obtienen de modo que Ks y Ra tengan una contribución similar en el índice de maquinabilidad. La relación entre el valor medio de la presión específica de corte (Ks*) y el valor medio de las rugosidades (Ra*) permite determinar los valores de α y β para los resultados de este estudio, de modo que: α = 130 β=1 En futuros trabajos se ampliará este índice de maquinabilidad, contemplando también otros parámetros como la potencia de corte o el desgaste de la herramienta. 2 RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN Análisis experimental La evolución de la rugosidad en función del avance, para diferentes velocidades de corte, se puede observar en la figura 4. Como se puede apreciar, el valor de Ra aumenta con el avance y disminuye con la velocidad de corte. Se observa también que la utilización de la herramienta de diamante policristalino (PCD) conduce a valores 37 �Aportación al maquinado de los plásticos reforzados / Francisco Mata Cabrera (a) 4 0,3 3 Vc=100 m/min Vc=100 m/min Vc=200 m/min 2 MI Ra (um) (a) 0,4 Vc=200 m/min 0,2 Vc=400 m/min Vc=400 m/min 0,1 1 0 0 0,05 0,1 0,15 0,05 0,2 (b) 4 0,15 0,2 (b) 0,4 0,3 3 Vc=100 m/min Vc=100 m/min Vc=200 m/min 2 MI Ra (um) 0,1 Feed (mm/rev) Feed (mm/rev) 0,2 Vc=200 m/min Vc=400 m/min Vc=400 m/min 0,1 1 0 0 0,05 0,1 0,15 0,05 0,2 0,1 0,15 0,2 Feed (mm/rev) Feed (mm/rev) Fig. 4. Evolución de la rugosidad (Ra) en función del avance, para diferentes velocidades de cortes a) PCD, b) K15. Fig. 6. Índice de maquinabilidad en función de los parámetros de corte: a) PCD, b) K15. 0,4 (a) 500 MI Ks (N/mm2) 400 0,3 PCD 0,2 K15 Vc=100 m/min 300 Vc=200 m/min 200 0,1 Vc=400 m/min 0 100 0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Feed (mm/rev) (b) 500 Ks (N/mm2) 400 Vc=100 m/min 300 Vc=200 m/min 200 Vc=400 m/min 100 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Feed (mm/rev) Fig. 5. Evolución de la presión específica de corte (Ks) con los parámetros de corte: a) PCD, b) K15. 38 0,1 0,15 0,2 Feed (mm/rev) Fig. 7. Comparación de MI para las herramientas PCD y K15 en función del avance para una velocidad de corte, Vc=400 m/min. menores de rugosidad, particularmente para valores altos de avance. La figura 5 muestra la evolución de la presión específica de corte (Ks) con los parámetros funcionales de corte. Se evidencia que Ks disminuye con el avance, para las diferentes velocidades de corte, y el efecto de la velocidad de corte es prácticamente insignificante. Además, se obtienen valores menores de Ks con la herramienta de diamante policristalino (PCD) que con la herramienta de carburo cementado (K15). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Aportación al maquinado de los plásticos reforzados / Francisco Mata Cabrera Análisis de la maquinabilidad La evolución del índice de maquinabilidad (MI) en funcion de los parámetros funcionales de corte se puede apreciar en la figura 6. Se observa que MI crece con la velocidad de corte, para los diferentes avances utilizados, y presenta un máximo para 0.1 mm/rev. La figura 7 presenta una comparación del índice de maquinabilidad para los dos tipos de herramienta estudiados. Se aprecia como la herramienta de diamante policristalino (PCD) proporciona un mayor índice de maquinabilidad MI (valor medio de MI* = 0.28) en comparación con la herramienta de carburo cementado (K15) (valor medio de MI* = 0.23). En consecuencia, la herramienta de diamante policristalino mejora la maquinabilidad de los plásticos reforzados. CONCLUSIONES A partir de los resultados de este estudio, se pueden extraer las siguientes conclusiones: 1) La utilización de la herramienta de diamante policristalino permite obtener valores menores de rugosidad y de presión específica de corte 2) La herramienta de diamante policristalino proporciona un índice de maquinabilidad mayor, lo que se traduce en una ventaja técnica importante, frente a la herramienta de carburo cementado 3) Se ha obtenido un valor máximo del índice de maquinabilidad (MI) para la pareja óptima de parámetros de corte (Vc=400 m/min, f= 0.1 mm/rev). AGRADECIMIENTO Este trabajo de investigación se ha desarrollado en los laboratorios del Departamento de Engenharia Mecanica de la Universidade de Aveiro (Portugal) y fue presentado en el XVI Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, celebrado en diciembre de 2004 en León (España), incluyendose en las Actas: “Anales de Ingeniería Mecánica, V.4” REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Krishan, K., “Composite materials. Science and engineering”, Springer, pp. 133-163, (1998). 2. El-Sonbaty, U.A. Khashaba, T. Machaly, “Factors affecting the machinability of GFR/epoxy Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 composites”, Composite structures, Vol. 63, pp. 329-338, (2004). 3. Krishnamurthy, R., Santhanakrishnan, G., Malhotra, S.K., “Machining of Polymeric composites”, Proceedings of the Machining of Composite Materials Symposium, ASM Materials Week, Chicago, Illinois, pp. 139-148, (1992). 4. M. P. 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Nemak, S.A. de C.V., Libramiento Arco Vial Km 3.8, 66221 García, N.L. evelasco@nemak.com RESUMEN Se diseñó una serie de experimentos para estudiar la variación de las propiedades mecánicas en una aleación Al-Si-Cu, tipo A319, en base a variaciones en composición química, cinética de solidificación y tratamiento térmico. Los resultados preliminares indican una fuerte dependencia de las propiedades mecánicas con respecto a la refinación microestructural, producto de la tasa de solidificación. Se obtuvo una mejora en las propiedades mecánicas de la aleación al reducir el tiempo y la temperatura de envejecimiento. PALABRAS CLAVE Aluminio, fundición, propiedades mecánicas, solidificación. ABSTRACT A serie of experimental trials were designed to study the variation in mechanical properties in an Al-Si-Cu, type A319, as a function of chemical composition, solidification kinetics and heat treatment. Preliminary results indicate a strong dependency of the mechanical properties with respect to microstructural refining, promoted by the solidification rate. An improvement of mechanical properties is found when the aging time and temperature are reduced. KEYWORDS Aluminium, casting, mechanical properties, solidification. INTRODUCCIÓN La industria automotriz ha impulsado el desarrollo de nuevas y mejores técnicas y prácticas de producción al requerir de nuevas y mejores piezas, capaces de asegurar el cumplimiento de estrictos requisitos de seguridad, al tiempo que permiten reducir el peso de las unidades y, con ello, el incremento en el desempeño del automóvil y el ahorro en combustible. Uno de los casos más exitosos ha sido la sustitución del hierro gris en la manufactura de motores de combustión. 40 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Propiedades y características de una aleación... / Jaime Esparza López, et al La sustitución no se ha limitado a las cabezas de pistones, sino que se ha extendido al cuerpo del motor y se estudia la posibilidad de eliminar las camisas de las cámaras de combustión. Las aleaciones empleadas en la industria automotriz deben asegurar buenas propiedades mecánicas. Es normal referir una cierta dureza, resistencia y ductilidad, sin embargo, hoy en día se pide un índice de calidad (Q) expresado en términos de la resistencia mecánica y la elongación a la fractura determinada en un ensayo de tensión:1-3 Q = σ f + d log(ε f ) (1) donde σ f y ε f representan el esfuerzo y la deformación a la fractura y d un parámetro empírico que, en el caso de aleaciones de colada Al-Si, toma el valor de 150 MPa, cuando el valor del esfuerzo se expresa en MPa y la deformación a la fractura en porcentaje. El objetivo del presente trabajo consiste en presentar los resultados preliminares de un estudio realizado para determinar el efecto que diversos parámetros de proceso ejercen sobre las propiedades mecánicas de una aleación vaciada Al-Si-Cu. Entre los parámetros principales se estudia la variación en composición química, tratamiento térmico y la tasa de solidificación. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se llevaron a cabo una serie de pruebas de vaciado en una aleación de Al-Si-Cu, tipo A319. Se decidió establecer el contenido de cobre de la aleación en dos niveles, el del hierro en tres niveles y el uso o no de Sr como modificador del agregado eutéctico Al-Si. Se dejaron fijos el contenido de Si y el uso de Ti como refinador del tamaño de grano. Las aleaciones se prepararon en hornos de 250 kg de capacidad y se vaciaron en lingotes colocados sobre templaderas de aluminio. El diseño de los lingotes permitió la obtención de probetas de tensión a cuatro niveles de altura diferente. La cinética de solidificación de la aleación se registró mediante la inserción de termopares tipo K (crómel-alúmel), las distancias de referencia fueron de 1.5, 4.5, 7.5 y 10.5 cm a partir de la templadera. La lectura de los termopares se llevó a cabo en un sistema diseñado para el caso.4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 Las piezas usadas para maquinar las probetas de tensión se trataron térmicamente, se usaron dos diferentes temperaturas de solubilización (480 y 490°C) por un periodo de cuatro horas y dos temperaturas de envejecido (210 y 230°C) a dos tiempos diferentes (2 y 4 hrs). Los valores de la resistencia mecánica y deformación a la fractura se obtuvieron a partir de las pruebas de tensión, con estos datos se calculó el valor de Q con la ecuación 1. El estudio se complementa con el registro de diversos parámetros microestructurales como son el espaciado dendrítico secundario (EDS), el grado de modificación de la aleación y el tamaño de grano. Se destinaron varios lingotes para evaluar el envejecimiento por medio de mediciones de dureza en la escala Brinell. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En este trabajo se presentan y discuten únicamente los resultados encontrados al analizar sólo una de las condiciones de vaciado que consistió en el uso del alto nivel de cobre, el nivel más bajo de hierro y sin ningún tipo de elemento modificador. La composición química de la aleación vaciada se muestra en la tabla I. La temperatura de vaciado de los lingotes fue de 815°C. Las curvas de enfriamiento correspondientes a las cuatro posiciones indicadas en la sección anterior se presentan en la figura 1. Fig. 1. Curvas de enfriamiento registradas en las posiciones a 1.5 (a), 4.5 (b), 7.5 (c) y 10.5 (d) cm a partir de la templadera. 41 �Propiedades y características de una aleación... / Jaime Esparza López, et al Tabla I. Composición química del vaciado en porcentaje en peso. Si Cu Fe Mn Mg Zn Ti 7.25 3.27 0.183 0.228 0.316 0.025 0.156 Tabla II. Características mecánicas de la posición inferior (a) del vaciado. Temperatura (ºC) Solución Envejecido En la figura 2 se presentan las microestructuras observadas en las posiciones correspondientes a las condiciones de enfriamiento que se muestran en la figura 1. - 210 480 230 210 490 230 Tiempo (hrs) σf (MPa) εf (%) Q - 229.1 1.64 261.3 2 340.4 0.75 321.7 4 327.3 0.70 304.1 2 297.8 0.77 280.7 4 284.1 1.10 290.3 2 4 2 349.0 336.4 291.2 0.64 0.68 0.75 319.9 311.2 272.4 4 240.9 0.47 191.7 Tabla III. Características mecánicas de la posición superior (d) del vaciado. Temperatura (ºC) Tiempo Solución Envejecido (hrs) Fig. 2. Microestructuras correspondientes a las condiciones de enfriamiento de la fig. 1. Es claramente apreciable como el EDS se reduce de 29.3, 45.4, 86.7 y 100 µm según la distancia a partir de la templadera se incrementa en 1.5, 4.5, 7.5 y 10.5 cm respectivamente. La refinación en el EDS conduce a un incremento en propiedades mecánicas tanto en la condición de vaciado, como al ejecutar los tratamientos térmicos, figura 3 y tablas II y III. - 210 480 230 210 490 230 Fig. 3. Curvas esfuerzo-deformación para el material solubilizado a 480°C por cuatro horas y envejecido a 210°C por cuatro horas. 42 σf (MPa) εf (%) Q - 151.1 0.61 118.9 2 191.5 0.30 113.1 4 199.5 0.30 121.1 2 200.2 0.36 133.7 4 191.3 0.37 126.6 2 218.0 0.37 153.2 4 222.2 0.38 159.2 2 215.5 0.42 159.0 4 192.7 0.35 124.3 Los valores de Q presentados en estas dos tablas se calcularon a partir de la ecuación 1. En las curvas de tensión, figura 3, se aprecian una serie de escalones a valores cercanos a 100 y 200 MPa que se atribuyen a fallas en el extensómetro empleado durante las pruebas, que no tienen que ver con el comportamiento intrínseco del material. El primer renglón en cada tabla indica los valores obtenidos en los ensayos con el material en su condición de vaciado. En las tablas II y III se aprecia el incremento en el esfuerzo a la fractura, a costa de la ductilidad, con Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Propiedades y características de una aleación... / Jaime Esparza López, et al el tratamiento térmico al comparar las propiedades en la condición de vaciado. La variación del esfuerzo y de la deformación a la fractura, así como el índice de calidad en función de las condiciones de vaciado y de tratamiento térmico se presentan respectivamente en las figuras 4 a 6. En ellas se puede apreciar claramente como el índice de calidad (Q) y las propiedades mecánicas se incrementan conforme se refina la estructura, debido al aumento en la velocidad de enfriamiento. Las mejores condiciones se encuentran, en esta condición particular, cuando el material se somete al envejecimiento por dos horas a 210°C, la temperatura de solubilización parece tener un efecto secundario. Fig. 6. Variación del índice de calidad (Q) en función de las condiciones de vaciado y de tratamiento térmico. CONCLUSIONES Los resultados encontrados indican el fuerte efecto que ejerce la refinación microestructural sobre las propiedades mecánicas en la aleación de vaciado Al-Si-Cu tipo A319. La refinación microestructural se atribuye al incremento en la tasa de enfriamiento que resulta de forzar la solidificación mediante el uso de una templadera de aluminio. La mejor combinación de propiedades se obtiene al envejecer al material por dos horas a 210°C; el efecto de la temperatura de solubilización parece ser secundario. Fig. 4. Variación del esfuerzo a la carga máxima (σf) en función de las condiciones de vaciado y de tratamiento térmico. Fig. 5. Variación de la deformación a la fractura (εf) en función de las condiciones de vaciado y de tratamiento térmico. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo otorgado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y al Programa de Mejoramiento del Posgrado de la SEP. REFERENCIAS 1. M. Drouzy, S. Jacob y M. Richard, AFS Int. Cast Met. J., 5, 43 (1980). 2. C.H. Cáceres, Int. J. Cast Met. Res., 10, 293 (1998). 3. C.H. Cáceres, Int. J. Cast Met. Res., 12, 367 (2000). 4. E. Velasco, J. Talamantes, S. Cano, S. Valtierra, J.F. Mojica y R. Colás, Metall. Mater. Trans., 30B, 773 (1999). 43 �Hidráulico Gabriel Zaid Algunos llaman recursos hídricos a los hidráulicos, porque parece razonable. Si en hídrico está la referencia al agua, ¿para qué hace falta más? Pero hay muchas formas de referirse al agua, en muy distintos casos. El agua canalizada para distribuirla como recurso no es el agua de las acuarelas, los esquís acuáticos o la acuacultura o acuicultura de jaulas en el mar. No es el agua de los aguafuertes, aguamieles, aguardientes. Ni el agua donde acuatizan los hidroaviones o adivinan los hidrománticos. No es la humedad del aire que miden los higrómetros. Tampoco el agua química de los anhidros, los hidratos o la hidrólisis. Ni el agua médica de las dietas hídricas, la hidrofobia, hidropesía, hidrocefalia, hidroterapia, deshidratación, los hidromas o higromas. Es el agua de los ríos, presas, canales, acueductos, tuberías: el agua conducida para su uso. La diferencia de tres letras (aul) añade la referencia a conducción. En griego, aulós era tubo, flauta, ducto, chorro de agua que lanza la ballena. Homero llama enaulos al cauce de un torrente (Chantraine, Dictionnaire étymologique de la langue grecque). Esto permite leer las dos raíces griegas de hidráulico como aguacanalizada. La conjunción de estas raíces nació en el siglo III a.C. para referirse a un órgano de flautas, donde resonaba el aire regulado por agua: el hydraulis o hidroflauta. Se atribuye a Ctesibio de Alejandría el descubrimiento de que el aire es elástico, y una serie de inventos basados en eso: una catapulta de aire comprimido, una bomba de agua por succión (con émbolo y válvula), un sifón para clepsidra (reloj de agua) y el hidráulico (hydraulis): una especie de gran flauta de Pan de tubos verticales, que fue el primer órgano. En el hidráulico, como en los órganos modernos, la regulación del aire comprimido, que en las flautas y demás instrumentos de aliento se hace con los pulmones y la boca, debe sustituirse por un mecanismo que compense las variaciones de presión provocadas por el fuelle (a la entrada) y las flautas (a la salida). Ctesibio inventó un regulador automático, sencillo y admirable. El aire del fuelle pasa por un vaso invertido, parcialmente sumergido en agua. Cuando la presión es excesiva, el aire vence la presión del agua y escapa del vaso por abajo hasta que las presiones se igualan. Cuando es insuficiente, el agua sube dentro del vaso y comprime el aire hasta la presión de equilibrio. Así se mantiene estable la presión del aire que llega a las flautas. Los hidráulicos se construyeron a lo largo de ocho siglos. Uno de los más antiguos (228 a.C.) fue encontrado cerca de Budapest, rehabilitado y tocado en un concierto (Agencia efe, 20-VIII-1996). Hay otro en el Museo de Bellas Artes de Boston, cuya foto aparece en la Enciclopedia Británica. Los romanos admiraron a Ctesibio, desarrollaron extraordinariamente la ingeniería mecánica del agua y acuñaron el adjetivo hydraulicus para diversos mecanismos. Marco Vitrubio (De architectura, IX, 8, 4) llama a los inventos 44 Artículo publicado en la Revista Letras libres No. 79, Julio 2005. Reproducido con la autorización del autor. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Hidráulico / Gabriel Zaid de Ctesibio máquinas hidráulicas. El adjetivo pasó al español y otros idiomas para designar el ariete hidráulico, elevador hidráulico, freno hidráulico, gato hidráulico, molino hidráulico, prensa hidráulica, rueda hidráulica, suspensión hidráulica, turbina hidráulica y, en general, las máquinas, el equipo y los sistemas hidráulicos, aunque el líquido no sea agua (de ahí el contradictorio aceite hidráulico). La hidráulica estudia la mecánica de los fluidos en equilibrio (hidrostático) o movimiento (hidrodinámico): fuerza, presión, energía, velocidad, caudal. La ingeniería hidráulica diseña construcciones, máquinas y tuberías en función de todo esto. El primer diccionario de la Academia registra hydráulico en 1732 como “Epíteto que se aplica a las máquinas o artificios de agua”. Es natural que el uso se extendiera a las construcciones y tuberías que la contienen, la conducen y la distribuyen. La intervención política en la distribución del agua es milenaria. Karl A. Wittfogel (Despotismo oriental) llegó a ver en los grandes sistemas de irrigación el origen del “poder total”, organizado por primera vez en las “civilizaciones hidráulicas” de Mesopotamia y Egipto. La concepción del agua como un proceso cíclico de la naturaleza (mar-evaporación-lluviaríos-mar) existe desde los griegos. Se formalizó en la hidrología científica del siglo XVIII, cuando Buffon hizo la primera estimación del caudal que llega a los mares por las corrientes fluviales del planeta. Esta cuantificación es el preámbulo del concepto de recursos hidráulicos. Quizá el término apareció en el siglo XX, cuando algunos Estados volvieron al sueño del poder total, y muchos otros se lanzaron a la planificación. En México, la Secretaría de Recursos Hidráulicos fue creada en 1946, a partir de la Comisión de Irrigación, que existía desde 1926. En 1986, Héctor Garduño Velasco, fundador del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua y la Revista de Ingeniería Hidráulica, me hizo el favor de investigar el uso de la palabra hídrico, como sustituta de hidráulico. No tenía vigencia en México, ni en España. Constaba en documentos de las Naciones Unidas y parecía venir de Argentina, que en 1970 creó la Secretaría de Recursos Hídricos de la Nación, y donde la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Agua (1977) lanzó el Plan de Acción de Mar del Plata sobre el Desarrollo y la Administración de los Recursos Hídricos. En 2005, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 Paulina M. Gamberg, documentalista de Aguas Argentinas, me dice que no hay seguridad sobre el origen argentino de la sustitución, pero que, todavía en 1962, el Consejo Federal de Inversiones publicó la serie Evaluación de los Recursos Naturales de la República Argentina, donde uno de los tomos se llamó Recursos hidráulicos superficiales y otro Recursos hidráulicos subterráneos. Quizá todo empezó en la década siguiente, por el uso oficial argentino (1970), avalado y amplificado por las Naciones Unidas (1977), de donde pasó a otros idiomas. Tanto el diccionario Oxford como el Webster y el Random dan dos usos distintos de la palabra hydric: el químico, que se refiere a hidrógeno, desde 1854, y el ecológico que se refiere al agua en el ambiente, desde 1926. Ninguno registra el uso referido a recursos hidráulicos. El Robert también da dos, pero distintos, para hydrique: uno general, referido al agua, sin fecha, y otro médico, referido a la dieta sin alcohol, desde 1874. El Zingarelli coincide con el Robert, pero da ejemplos: para el uso general, riserva ìdrica; para el médico, dieta ìdrica. El de la Academia no registra hídrico sino a partir de la edición 20 (1984), y se limita a una definición: “Perteneciente o relativo al agua”. El de Seco (1999) dice “De(l) agua” o “Causado por agua”, con tres ejemplos: uno habla de las “necesidades hídricas” del adulto, otro de la tifoidea como “infección hídrica” y el tercero de las “reservas hídricas” en depósitos municipales. 45 �Hidráulico / Gabriel Zaid La secuencia formativa de estos tecnicismos pudo ser la siguiente. En 1787, Lavoisier propuso que el entonces llamado air inflammable se llamara hydrogène, es decir: generador de agua, porque el agua está compuesta por oxígeno y lo que, desde entonces, llamamos hidrógeno. En 1826, Berzelius (o Bercelio, como le decía en México Andrés Manuel del Río) formalizó con símbolos la nomenclatura química, estableció que el agua está compuesta por hidrógeno y oxígeno en proporción H2O y propuso lo que en español es el sufijo —hídrico para los ácidos compuestos por hidrógeno sin oxígeno. Así distinguió el ácido clorhídrico (formado por hidrógeno y cloro) del ácido clórico (formado por hidrógeno, cloro y oxígeno); pero introdujo un equívoco lamentable, porque usó hidr para referirse al hidrógeno, no al agua. Naturalmente, el oído se impuso: hídrico no sonaba a hidrógeno, sino a agua, y acabó independizándose con este referente, primero en tecnicismos médicos (Bercelio era médico, profesor de farmacia) y después ecológicos. Quizá del concepto ecológico de habitat hídrico (o sea húmedo) se pasó a la perspectiva hidrológica y, finalmente, a la confusión entre hídrico (un término biológico de origen químico) e hidráulico (un término mecánico de origen musical). Curiosamente, no sucedió lo mismo donde el fenómeno sí es químico, no mecánico: los materiales de construcción que fraguan en presencia del agua. La cal fue el primer cementante. Permitió superar la arcilla y el adobe en la construcción, con una pasta blanda y moldeable que se vuelve pétrea, y así permite unir piedras y ladrillos, hacer pisos y recubrimientos de muros. Se descubrió primero la cal que se petrifica por contacto del aire, después la cal que endurece con agua y luego el aditivo de cenizas volcánicas (llamadas puzolanas por la región de Puzol, cercana al Vesubio), que mejora la acción cementante. La cal con puzolanas fue usada por griegos, romanos y mesoamericanos. (Mil años después, el mortero usado en El Tajín 46 todavía tiene una resistencia comparable a la que exigen las normas de hoy, según Raymundo Rivera Villarreal, “El extraordinario concreto prehispánico en México”, CiENCiAUANL, abril-junio 2000.) Finalmente, se descubrió el cemento (rocas calcáreas y calizas, calcinadas y pulverizadas), que permitió a los romanos hacer grandes construcciones portuarias bajo el mar. Según el Oxford, desde 1829, se llama hydraulic a los materiales de construcción que con el agua se vuelven duros y resistentes al agua. Quizá el adjetivo pasó de las obras hidráulicas a sus materiales de construcción: cal hidráulica, cemento hidráulico, morteros y concretos hidráulicos. Todos estos materiales pudieron ser llamados más propiamente hídricos, porque el fraguado es químico; pero no sucedió así en español, francés, inglés, italiano. Seguramente porque el uso de hidráulico para estos materiales ya estaba establecido en 1854, cuando el Oxford registra la llegada de hydric: la nomenclatura química propuesta por Bercelio en 1826. De igual manera (por el uso, aunque no sea el mejor), recursos hídricos puede llegar a imponerse a recursos hidráulicos. No sería un desastre. Pero es indeseable, porque el ahorro de esas tres letras significativas va en dirección contraria a la nomenclatura científica. Omitir la referencia específica al agua encauzada es retroceder en precisión. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos magnéticos Patricia Yareni Lara Rodríguez, Marleth Mena Montoya, Sugeheidy Yaneth Carranza Bernal, Marco Antonio Garza Navarro, Moisés Hinojosa Rivera, Virgilio González González Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL. Apdo. Postal 9-“F”, CP. 64000, San Nicolás de los Garza, N.L., México. hinojosa@gama.fime.uanl.mx. RESUMEN Se reporta la síntesis, mediante coprecipitación, de un compósito magnético de matriz de quitosán con partículas de magnetita. Los precursores para obtener las partículas fueron cloruro ferroso (FeCl2-4H2O), cloruro férrico (FeCl3) e hidróxido de sodio (NaOH), el medio de reacción fue una solución de ácido fórmico y quitosán. La caracterización se realizó por Microscopía de Fuerza Magnética (MFM), difracción de rayos X (DRX) y espectroscopía infrarroja (FTIR). Se comprobó que las partículas obtenidas son nanométricas (5 nm) y que durante la síntesis del compósito éstas son atrapadas, quedando dispersas en la matriz. PALABRAS CLAVE Compósitos, quitosán, coprecipitación, nanopartículas de magnetita. ABSTRACT The synthesis by co-precipitation of a magnetic composite containing magnetite particles in a quitosan matrix is reported. The precursors used to obtain the particles were ferrous chloride (FeCl2-4H2O), ferric chloride (FeCl3) and sodium hydroxide (NaOH), the reaction was conducted on a solution of formic acid and chitosan. The final products were characterized by MFM, X-ray diffraction and FTIR. The particles obtained by co-precipitation are nanometric (5 nm). It was also found that during the synthesis of the composite the particles are trapped by chitosan resulting in a good dispersion within the matrix. KEYWORDS: composites, chitosan, co-precipitation, magnetite nanoparticles. INTRODUCCIÓN Los sistemas de nanopartículas magnéticas han introducido nuevos conceptos físicos, además de poseer gran potencial para aplicaciones en el campo de la nanoelectrónica como memorias magnéticas de alta densidad y sensores biomédicos.1-2 Para aplicaciones prácticas, las nanopartículas son usualmente embebidas en una matriz o colocadas en un sustrato sólido. Recientemente las nanopartículas de óxido de hierro han causado expectación, no solo por sus propiedades fundamentales causadas por sus multivalentes Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 47 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos... / Patricia Yareni Lara Rodríguez, et al estados de oxidación, abundante polimorfismo y cambios polimorfos en nanofase, sino también por sus aplicaciones tecnológicas.3 El estudio de las propiedades magnéticas de la magnetita (FeO.Fe2O3) ha demostrado su estabilidad química, lo que representa una ventaja al utilizar este tipo de partículas, en comparación con las nanopartículas de hierro puro comúnmente utilizadas. El interés en esta investigación radica en la posibilidad de producir nanopartículas embebidas en una matriz polimérica que tengan libertad de orientación frente a un campo magnético. La selección de la magnetita (FeO.Fe2O3) como medio magnético se debió a que este es un cerámico ferrimagnético que presenta baja coercitividad, es decir, es un material suave magnéticamente. El tamaño de partícula es un factor importante en el desempeño de éstas ya que una reducción en el tamaño asegura una súbita magnetización espacial frente a un campo magnético de transición.4 Por la importancia en tecnología de materiales magnéticos, los óxidos de hierro, su preparación y propiedades han sido objeto de numerosos estudios en los cuales se han utilizado distintas técnicas de síntesis como descomposición térmica, aleado mecánico5 y coprecipitación, este último método se emplea en este trabajo utilizando como precursores cloruro ferroso (FeCl2-4H2O) y cloruro férrico (FeCl3), los cuales ya han sido reportados anteriormente para esta síntesis6 obteniéndose un pequeño tamaño de partícula, así como una alta pureza. En este trabajo se reportan los resultados obtenidos en el desarrollo de un compósito magnético utilizando una matriz polimérica: el quitosán. Este polímero es un derivado de la quitina, la cual se obtiene de los desechos del crustáceo Emerita análoga y es un compuesto orgánico biocompatible. se ha reportado que el quitosán es un compuesto que no representa rechazo alguno por parte del cuerpo humano,7 por lo que es un buen candidato para la producción de compósitos órgano-cerámicos cuya aplicación podría ser la de actuadores biomiméticos, lo cual sigue la tendencia propuesta por diversos grupos de investigación que han realizado la síntesis de compósitos análogos a partir de polímeros tales 48 como el alcohol polivinílico, el cual es el único polímero artificial biocompatible.8 Hasta donde sabemos, no existen antecedentes de desarrollo de compósitos magnéticos utilizando nanopartículas de magnetita embebidas en una matriz de quitosán. EXPERIMENTACIÓN Se obtuvieron partículas de magnetita por precipitación a partir de una solución compuesta de FeCl2 -4H2O 0.04M, FeCl3 0.086M en ácido fórmico 23.3M, (sol.1) la cual fue titulada lentamente con NaOH 5.4M. De forma separada, se realizó la disolución de quitosán 0.293M en ácido fórmico 23.3M (sol.2). En ambos casos se obtuvo precipitación a un valor de punto de equivalencia similar, lo cual confirmó que el compósito quitosán-magnetita se podía obtener vía coprecipitación. Se obtuvo una nueva solución (sol.3) a partir de mezclar las obtenidas anteriormente (sol.1 y sol.2). La titulación se llevó a cabo de la manera antes descrita. De esta manera se espera que algunas partículas de magnetita precipitada sean encapsuladas por el quitosán. Una vía alterna, todavía bajo estudio para la obtención del compósito, es la de realizar la titulación de una película proveniente de la sol.3, para esto se formó una película delgada que al secarse se tituló agregándosele una concentración igual de NaOH utilizada para el precipitado, formando así el compósito. Las muestras de magnetita fueron caracterizadas por difracción de rayos X (XRD) y Microscopía de Fuerza Magnética (MFM). El compósito sintetizado mediante la técnica de película delgada fue caracterizado utilizando Microscopía de Fuerza Magnética (MFM) y espectrometría infrarroja con transformada de Fourier (FTIR). RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para la caracterización de las partículas de magnetita, la muestra obtenida fue expuesta a ultrasonido, centrifugada, lavada y secada a fin de obtener polvos finos. En la figura 1 se presenta el resultado del análisis realizado mediante difracción de rayos X (CuKα, λ= 1.5406 Ǻ) a una rapidez de barrido de 0.02 °/s, el cual es comparado con el parámetro de difracción de la magnetita consultado Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos... / Patricia Yareni Lara Rodríguez, et al Fig. 1. Difracción de rayos X de la muestra de polvo de magnetita sintetizada. Fig. 2. Imagen de MFM de los aglomerados de nanopartículas de magnetita (2µm x 2 µm, divisiones de 500 nm) en el banco de datos. El tamaño de partícula promedio puede ser estimado por medio de la ecuación de Scherrer.9 D = 0.89 ? β cosθ Donde β es el ancho medio del pico máximo de la línea de difracción de rayos X, pico que ocurre en este caso en el plano (311). El tamaño de partícula obtenido fue de ~ 5 nm, en el orden de los reportados por otros autores.10 El parámetro de red para la muestra obtenida en la misma línea de difracción (311) es a= 8.32 Ǻ. Este valor es detectado entre el parámetro de red correspondiente a la magnetita de a = 8.396 Ǻ.11 La figura 2 muestra una imagen de microscopía de fuerza magnética para la magnetita obtenida por la precipitación de la solución. Se observan grandes aglomerados de partículas que contribuyen a que la distribución de tamaño de partícula sea muy aleatoria, dado que no todos los aglomerados son de igual tamaño. Es posible especular que las partículas de magnetita son atrapadas por el quitosán y que entonces la formación de aglomerados cesa parcialmente. Una vez que esto ocurre también se logra que una cierta cantidad de nanopartículas no se aglomeren, quedando una distribución de tamaños más uniforme. También se comprueba que las partículas son magnéticas. La figura 3 muestra una Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 Fig. 3. Imagen de MFM para el compósito la cual muestra el precipitado de las partículas embebidas en una matriz de quitosán obtenida por el método de la película delgada. imagen de microscopía de fuerza magnética de una película de quitosán con precipitados de magnetita provenientes de la sol.3. En la figura 4a se muestra el espectro de infrarrojo del quitosán. Como se puede apreciar, este espectro coincide con los reportados en la literatura.12-15 En éste se observan las bandas correspondientes a los estiramientos asimétrico y simétrico de los grupos N-H y O-H en una banda ancha en el intervalo de 3100 cm-1 a 3600 cm-1. Se observan también las bandas de estiramiento C-H en el intervalo de 2840 a 3000 cm-1 y las bandas amida I y amida II (1555 y 1665 cm-1 respectivamente). 49 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos... / Patricia Yareni Lara Rodríguez, et al (a) (b) Fig. 4.a) Espectro de infrarrojo de una muestra de quitosán. b) Espectro de infrarrojo para una muestra de compósito obtenida mediante titulación de película delgada. El espectro FTIR del material compuesto quitosán – magnetita (Fig. 4b), presenta las bandas típicas del quitosán (Fig. 4a) más las bandas correspondientes a la magnetita que son, una alrededor de 1620 cm-1 y otra a un número de onda menor a los 600 cm-1. Lo anterior permite concluir que se logró la obtención del material compuesto de quitosán con magnetita, a través de la precipitación presumiblemente simultánea, del quitosán que únicamente se sale de disolución y la magnetita como resultado de la reacción de los cloruros de fierro II y III con hidróxido de sodio. Como perspectivas de un mayor desarrollo en el campo de los compósitos magnéticos, consideramos que es posible expandir la técnica aquí descrita empleando otras matrices, como Nylon, nuestro grupo de investigación trabaja actualmente en esta dirección. 50 CONCLUSIONES Se logró sintetizar nanopartículas con tamaño estimado de 5 nm así como la formación de aglomerados con una distribución uniforme. Fue posible sintetizar compósitos de matriz de quitosán con las nanopartículas embebidas en forma de aglomerados, lo cual representa una ventaja debido a que con el tamaño de partícula estimado, se obtiene un compósito con propiedades superparamagnéticas. En la obtención del compósito vía película delgada, se observó que las partículas de magnetita precipitaban a partir de la solución de cloruro de fierro ya encapsulados por el quitosán, lo cual es favorable para la disminución y formación de aglomerados así como para una forma definida de partícula. El espectro de FTIR y las imágenes obtenidas por MFM, confirmaron la presencia de Fe3O4 embebido en la película analizada de quitosán. AGRADECIMIENTOS El presente trabajo fue realizado durante el VII Verano de la Investigación Científica y Tecnológica UANL (PROVERICYT-UANL). Patricia Lara y Marleth Mena agradecen el apoyo de la UANL para realizar esta estancia de investigación. REFERENCIAS 1 S. Chakaverty, A. Frydman, V.G. Pol, S.V. Pol & A. Geddanken, “The effect of a weak ferromagnetic matrix on a system of nanomagnetic particles”, ArXiv:cond-mat/0505054 v1, 2005. 2 Subbash C. Bhatia & Natarajan Rovi, “A Mossbauer Study of the Interaction of Chitosan and D-Glucosamine with Iron and Its Relevance to other Metalloenzymes”; Biomacromol, 723727.4, 2003. 3 K. Woo, J. Hong, S. Choi, Hae-Weon Lee, J.-P. Ahn, Chul S. K. & S. W. Lee, “Easy and magnetic properties of iron oxide nanopaticles”, Am. Chem. Soc., 10, 2004. 4 Robert C. O’Handley, “Modern Magnetic Materials, Principles and Aplications”, (New York: John Wiley & Sons, Inc., 2000), 303-308. 5 M.D. Alcalá, J. M. Criado, C. Real, T. Grygar, M Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos... / Patricia Yareni Lara Rodríguez, et al Nejezchleba, J. Subrt, E. Petrovsky, “Synthesis of nanocrystalline magnetite by mechanical alloying of iron and hematite”, Journal of Materials Science 39. 2365-2370.2004. 6 L.A. García-Cerda, O.S. Rodríguez-Fernández, R. Betancourt-Galindo and R. Saldívar-Guerrero, “Síntesis y propiedades de ferrofluidos de magnetita”, Superficies y Vacío, 16 (1), 28-31.2003. 7 M. Chávez and I. Paz, “Efectos ambientales y aprovechamiento del muy muy en Arequipa”, Economía y Sociedad, 52, 63-67.2004. 8 J. Chatterjee, Y. Haik and Ching J. Chen, “A biocompatible magnetic film: synthesis and characterization”, Biomagnetic Research and Technology, 2004. 9 H. P.Klug, Leory E.Alexander; X-Ray, Difraction Procedures for Polycrystalline and Amorphous Materials; John Wiley & sons, Inc. 1954, 1st edition, pp.687-690. 10 I. Nedkov, T. Merodiiska, L.Slavov, R.E. Vandenberghe, Y.Kusano, J. Takada.”Surface Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 oxidation, size and shape of nano- sized magnetite obtained by co-precipitation” .Journal of magnetism and magnetic materials”. 2005. 11 R. Betancourt-Galindo and S. RodríguezFernández, “Obtención de Látex magnético mediante la técnica de microemulsión”, Superficies y Vacío, 17 (1), 37-40.2004. 12 “Chitin and chitosan.” Edited by Gudmund SkjåkBræk, Thorleif Anathosen and Paul Sandfor. Ed. Elsevier Applied Science. London and New York (1989). 13 R.A.A. Muzzarelli. “Chitin”. Ed. University of Ancona. Italy 1976. 14 K. Kurita T. Sannan and Y. Iwakura. Studies on chitosan, 3. Preparation of pure chitin, poly(Nacetyl-D-blucosamine), from the water-soluble chitin”. Makromol. Chem. 178, 2595, (1977). 15 M.T. Qurashi, H.S. Blair and S.J. Allen. “Studies on modified chitosan membranes. I. Preparation and characterization”. J.App. Polym. Sci. 46, 255, (1992). 51 �Boom Cars Fernando Javier Elizondo Garza Laboratorio de Acústica, FIME-UANL fjelizon@mail.uanl.mx RESUMEN En este artículo se discutirá el problema de contaminación ambiental por ruido producida por los Boom Cars, automó viles equipados con equipos de audio externos, los cuales circulan con dos estéreos a todo volumen y con las ventanas abiertas por las calles de las ciudades afectando a la cuidadanía, especialmente durante las noches. Se considerará la problemática desde el punto de vista de la tecnología, del comportamiento de los dueños de los equipos de audio y de los efectos sobre el medio ambiente. Se presentarán los puntos de vista de los promotores y los opositores de una prohibición a este tipo de fuentes sonoras. PALABRAS CLAVE Auto, audio, extremo, ruido, contaminación. ABSTRACT In this article, the problem of extreme audio systems as generators of very highnoise levels in the cities, and the cases of the “Boom Cars” will he analyzed. Such social problem is presented from the point of view of the technology, the behavior of the owners of the audio equipments and the effects over the environment. The point of view of the promoters and the opponents of a prohibition to this type of sound sources will be presented, as well. KEYWORDS Boom car, audio, extreme, noise, polution. INTRODUCCIÓN El ruido es una fuente de contaminación que afecta la salud y la tranquilidad de las personas y las comunidades. De hecho en varias ciudades produce la mayor frecuencia de quejas por parte de los ciudadanos ante las autoridades. Dentro de las ciudades existen muchas fuentes de ruido, las cuales se han ido mejorando por diseño con los años, de tal manera que sólo por falta de mantenimiento, mal uso o la modificación de las fuentes por los usuarios, se convierten en un problema. Por otro lado, en los últimos años se ha desarrollado una nueva problematica: la venta indiscriminada de equipos de audio extremos. 52 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Boom Cars / Fernando Javier Elizondo Garza Definiremos estos equipos como: Sistemas de audio con capacidad de emitir niveles sonoros muy por encima de lo necesario para cumplir su función acústica básica. Hay 2 casos importantes desde el punto de vista de contaminación sonora comunitaria: equipos de audio para casa, y sobre todo, los Boom cars. A continuación graficaremos el caso de los Boom Cars, que desde su movilidad, representan el mayor problema. EQUIPOS DE AUDIO EXTREMOS Los autoestéreos han evolucionado con los años, por un lado para bien, al haberse mejorado notablemente la calidad del sonido, y por otro lado para mal, al haberse perdido: la noción de escala, la ergonomía y la ética social.1,2 Hasta hace relativamente poco tiempo, un autoestéreo estándar tenía amplificadores con capacidad aproximada de entre 20 y 50 W/canal, lo que representaba una potencia suficiente, pues la mayoría de las bocinas de carro pueden producir niveles sonoros de 80 a 100 dB con dicha potencia. Actualmente cada vez es más común, sobre todo en autos, tener equipos de audio con amplificadores entre 700 y 2000 W/canal, los que pueden llegar a producir niveles de sonido de 143 dB. Estos niveles de sonido de acuerdo a normas y reglamentos caen totalmente dentro de la definición de ruido, al exceder, por mucho, los límites permitidos para evitar las molestias y el daño a las personas. Es importante notar como el avance tecnológico ha permitido que se puedan adquirir a precios accesibles equipos con capacidad de producir sonidos con volúmenes cada vez mayores, lo que ha hecho que equipos que en el pasado eran empleados en cines y salas de concierto se encuentren en uso incluso dentro de autómoviles. Hay que agregar que en la actualidad no solo han mejorado en lo relativo a la potencia de los amplificadores y la eficiencia de las bocinas, incrementando el volumen sonoro emitido por los mismos, sino que también han mejorado en su rango de frecuencias, pudiendo entregar sonidos graves y agudos incluso fuera del rango audible de las Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 personas, siendo especialmente preocupante el caso de las subwoofers, bocinas para sonidos de muy baja frecuencia. LOS BOOM CARS3 Un Boom Car es definido como: Un auto equipado con un sistema de audio estéreo extremadamente poderoso que es utilizado con los controles de volumen y bajos al máximo y con las ventanas abiertas. El nombre de Boom Cars proviene del hecho de que usualmente los sistemas de autoestéreo usados tienen gran capacidad para reproducir bajos, así que producen un sonido de Boom, Boom, Boom… que se escucha a gran distancia. El caso de los sonidos de baja frecuencia e infrasonidos, es un nuevo problema acústico, por su gran capacidad de propagarse, de hecho a cientos de metros, y de traspasar las paredes de las casas, haciendo que los cuartos resuenen como la caja de una guitarra, con el Boom, Boom, Boom de la música que sale de dichos autos. Para terminar de agravar la situación, al estar estas fuentes de ruido en un auto, se vuelven móviles, aumentando notablemente su capacidad de afectación en las comunidades. Actualmente, entre otras, la Asociación Internacional de Competencias de Equipos de Sonido en Autos, IASCA, (International Auto Sound Challenge Association), organiza periódicamente competencias, las cuales en primera instancia se dividen en dos modalidades principales: calidad acústica (Sound Quality) y nivel de presión sonora (IdBL)4 53 �Boom Cars / Fernando Javier Elizondo Garza Tabla I. Categorías de competencia establecidas por la IASCA en la modalidad de nivel de presión sonora, IdBL, y sus records mundiales. Categoría Características principales Divisiones Record Mundial Stock 1. 1- 160 in2 Keyur Patel 149.8 dB STOCK Competidores sin apoyo de la industria de audio, comprando en tiendas de menudeo. Entre otras reglas solo se permite 1 amplificador y 1 capacitor por bocina. No se permiten paredes divisorias, ni más de una batería adicional y el interior del vehiculo debe permanecer sin alteraciones. Stock 2. 161 - 260 in2 Team Canada SPLYuli 151.3 dB Stock 3. 261 + in2 Chris Avery 153.1 dB Advanced NW 1. Más de 360 in2 (no walls) Chris McVay 161.3 dB Advanced 1. 1–260 in2 Ivan Rodriguez 159.2 dB Advanced 2. 261–360 in2 Team XSS 160.9 dB Advanced 3. 361-720 in2 Ken Lambert 161.7 dB Advanced 4. Más de 721 in2 Bob Perillo 166.6 dB Ultimate 1. 1–260 in2 Jay Lovelace 169.4 dB Ultimate 2. 261–520 in2 Kara Lucius 172.1 dB Ultimate 3. 521 - 1020 in2 Jamie Delapaz 172.4 dB Ultimate 4. Más de 1021 in2 Mike Bartells 172.4 dB ADVANCED. Acepta algunos cambios interiores en los autos, incluyendo paredes divisorias (excepción: Advanced NW 1). Los competidores pueden tener apoyo de la industria de audio. Pueden remover asientos para las pruebas. Algunas mejoras a los altoparlantes son permitidas. Pueden usarse 2 alternadores y no hay limitantes en el número de baterías o amplificadores. La intención de esta categoría es ser un formato lo más abierto posible. Las únicas restricciones establecidas buscan que los vehículos sigan siendo un auto. ULTIMATE Para los fines de este artículo, la modalidad de nivel sonoro es la que nos atañe, y ésta se segmenta en tres categorías por tipo de competidor y una serie de divisiones en función del área del cono de las bocinas, expresadas en pulgadas cuadradas (in2), como se muestra en la tabla I, en la cual, y para tener una noción de escala, se incluyen los “Records Mundiales” por categoría, en la modalidad de “Nivel de Presión Sonora” en dB. Como un ejemplo de las reglas de competencia pueden consultarse, en la dirección de Internet: http://www.termpro.com/dbdrag/rules/rules1. html, los reglamentos de la dB Drag Racing Association (dBDRA), que es un formato de competencia de equipos de audio de autos en el cual se compite para ver quien tiene el sistema de autoestéreo más ruidoso.5 54 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Boom Cars / Fernando Javier Elizondo Garza EFECTOS SOBRE LAS PERSONAS Y LA COMUNIDAD El ruido producido por los equipos de audio extremo afectan en diferente medida a las personas y las comunidades en función de la distancia a la fuente sonora, el tiempo que se está expuesto al ruido y las actividades que realiza el receptor.6-10 Con el fin de normar un criterio para juzgar los equipos de audio extremo es necesario familiarizarse con los reglamentos que buscan proteger a las personas contra el ruido. En este aspecto, por ejemplo, las leyes mexicanas establecen dos normas a nivel federal para limitar el ruido: • Norma ambiental, (NOM-081-ECOL-1994). Establece un nivel máximo permitido para asegurar un confort acústico a las personas en la comunidad, de 68 dB(A) en el día y 65 dB(A) en la noche.11 • Norma Laboral, (NOM-011-STPS-2001). Establecen un criterio en base a la dosis de ruido recibida de acuerdo a la siguiente tabla II12 para proteger la audición de los trabajadores en los centros de trabajo, Tabla II. Límites máximos permisibles de exposición al ruido según NOM-011-STPS-2001. NER TMPE 90 dB(A) 8 HORAS 93 dB(A) 4 HORAS 96 dB(A) 2 HORAS 99 dB(A) 1 HORA 102 dB(A) 30 MINUTOS 105 dB(A) 15 MINUTOS En cuanto a los efectos sobre las personas, conviene analizar por separado dos casos en función con la cercanía a la fuente, los cuales se discutirán a continuación. Efectos sobre los usuarios directos/personas muy cercanas En el caso de niveles de ruido extremadamente altos, el conductor del Boom Car puede sufrir un daño irreversible en su oído, en un muy corto plazo, por exponerse a los niveles sonoros extremos sin Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 una adecuada protección auditiva, la cual por cierto es difícil de lograr con los protectores industriales convencionales e improbable debido a los patrones de conducta de los dueños de los Boom Cars. Por otro lado, aún no usándose los equipos a toda su potencia, la exposición al ruido por largos períodos de tiempo, a niveles altos de ruido, puede causar paulatinamente serios daños en la audición y finalmente la sordera. Un gran peligro con la música ruidosa es la creencia popular de que el “oído se autoanestesia” pues después de quince minutos de música ruidosa, mucha gente cree que el oído se adaptó, sin advertir el daño paulatino que está ocurriendo. Cuando el cuerpo recibe ruido intenso, el cerebro envía inmediatamente un mensaje a las glándulas suprarrenales, las cuales liberan rápidamente la epinefrina (adrenalina). En pocos momentos, este producto químico pone al cuerpo entero en alerta. El corazón late más rápidamente y con más fuerza. Las pupilas se dilatan para permitir que entre más luz a los ojos. Aumenta la respiración. El sistema digestivo se retarda, permitiendo que más sangre entre a los músculos. Los músculos se tensionan. Aumenta la presión arterial. El azúcar, el colesterol, y la adrenalina crecientes son entonces liberados dentro del torrente sanguíneo. Los vasos sanguíneos periféricos se contraen. Comienzan las respuestas subjetivas, por ejemplo, irritabilidad y cambios del humor. Estos efectos no auditivos son difíciles de evaluar con el conocimiento actual. Otro gran problema es que el conductor de un Boom Car puede perder la conciencia de su entorno por la interferencia causada por el ruido, a tal grado que pierde la capacidad de conducir adecuadamente. 55 �Boom Cars / Fernando Javier Elizondo Garza on 25th Avenue S in St. Petersburg. Their young occupants drive slowly and sometimes stop to talk to friends — sonically assaulting nearby residents in the process. Aunque muchas personas han presionado a sus legisladores y autoridades para que tomen cartas en el asunto tanto en lo relativo a los usuarios de los Boom Cars como de los fabricantes y comerciantes alrededor de esta moda, muy poco se ha logrado. Efectos sobre las comunidades El problema principal de los equipos de audio extremo es su efecto sobre la comunidad o sea sobre personas que no están interesadas en escuchar y mucho menos en ser afectados por ellos. El efecto producido por los boom cars sobre las comunidades puede abarcar amplias zonas de la ciudad. El problemas es que los Boom Cars son fuentes de ruido móviles, que disfrazadas de automóvil, transitan por las calles de la ciudad, prácticamente a cualquier hora, afectando a su paso a hospitales, escuelas, casas habitación, etc. Al pasar los Boom Cars por las zonas habitacionales de las ciudades por las noches pueden producir que las personas se despierten, incluso alarmadas, y que las personas sufran efectos fisiológicos negativos por la falta de descanso, los cuales de ser repetitivos, pueden inducir estrés. Se estima que un Boom Car transitando con su estéreo a toda su capacidad por zonas habitacionales de una ciudad grande como París, los Ángeles, México, etc., puede llegar a afectar fácilmente a 200,000 personas. PROTESTAS, PROHIBICIONES Y REGLAMENTOS. Las protestas en relación a los Boom Cars no son nuevas. Una de las primeras notas periodísticas sobre el tema es de 1988 en la ciudad Norteamericana de St. Petersburg, en la cual Joseph Galarneau escribe: The “boom cars” — windows open with their supercharged stereos at full blast — regularly cruise up and down in front of William Bailey’s house 56 De hecho, hay personas que opinan debe prohibirse el uso de los equipos de audio extremo en vehículos, otros opinan que al venderse este equipo deben tener una leyenda que prohíba su mal uso, y que permita evitar que un usuario se diga ignorante, para evitar ser declarado delincuente. Hay quienes piensan que debería también declararse culpable a una industria que no delimite correctamente el uso de los equipos que fábrica. Por otro lado esto choca con conceptos mal entendidos de la sociedad capitalista salvaje que predomina en el mundo actual, donde la libertad se mal interpreta, o no se acota, y las ganancias económicas tienen más peso que el bienestar social. Hay casos en los que se aduce la “libertad de expresión” o el derecho al uso de objetos no prohibidos, comprados legalmente, e incluso el derecho al auto daño. Puede observarse las analogías como en el caso del tabaco y las armas, por poner algunos ejemplos. Por supuesto que lo anterior no contempla la premisa básica de la libertad: “la libertad de una persona termina donde empieza la de los demás”, y que el dañar o molestar a otras personas es simplemente inadmisible. Aunque en gran número de ciudades hay reglamentos contra el ruido, dada su redacción, o sus procedimientos, el aplicarlos al caso de los Boom Cars no es tan fácil, y generalmente por tecnicismos legales, no se puede proceder contra los ruidosos. Ha habido algunos casos aislados de ciudades que han podido controlar la situación, algunos bastante polémicos. A continuación se incluye (figura 1) un recorte de periódico que muestra a un oficial Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Boom Cars / Fernando Javier Elizondo Garza Tabla III. Esquema de sanciones propuesto en estados Unidos.14 Multa en Dólares y acción sobre el vehículo Nivel de ruido por encima de lo normal. Fig. 1. Nota periodística que describe la acción tomada por un policía contra un equipo de audio extremo de un Boom Car. de policía destruyendo un equipo de sonido de un Boom Car. Marek Roland-Mieszkowski, en su artículo Excessive Vehicle Noise: Impact and Remedies propone que “La policía y los políticos deben ser alertados y educados acerca de este problema. Las ciudades deben establecer procedimientos basados en simples evaluaciones con medidores de nivel sonoro para cuantificar los niveles de ruido, las cuales pueden ser llevadas a cabo por oficiales de policía o inspectores”.13 También se propone que se establezcan fuertes sanciones económicas a los infractores, en base a una estructura de multas y acciones como las mostradas en la tabla III.14 Uno de los grandes problemas con el mantener bajo control los Boom Cars es que muchas veces para cuando la policía recibe la queja el auto ya está lejos del lugar, o que cuando se acerca la policía le bajan al volumen y pasan frente a ellos como si nada. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 + 6 dB por encima de lo normal => $500. USD Inspección al vehículo 2 días después. +12 dB por encima de lo normal => $1,000. USD Inspección al vehículo 2 días después +18 dB por encima de lo normal $1,500. USD => El vehiculo es recogido para reparación. +24 dB por encima de lo normal $2,000. USD => El vehiculo es recogido para reparación. +30 dB por encima de lo normal $2,500. USD => El vehiculo es recogido para reparación. +36 dB por encima de lo normal $3,000. USD => El vehiculo es recogido para reparación. +40 dB por encima de lo normal $4,000. USD => El vehiculo es recogido para reparación. El Nivel Sonoro “NORMAL” producido por los autoestéreos se establece en base a los reglamentos locales vigentes. COMENTARIOS FINALES La contaminación por ruido causada por los Boom Cars es un problema serio, y en aumento, que debemos enfrentar rápida y decididamente. Los sistemas de audio extremos y sobre todo los Boom Cars son armas con las cuales nos atacan e intimidan personas irrespetuosas e ignorantes que no les importa o no tienen la menor idea del daño que se causan a sí mismos, ni del daño y molestia que causan a quienes los rodean. Es necesario que propongamos a nuestros representantes ante el gobierno para que legislen sobre el tema y generen leyes que restrinjan el uso de los equipos de audio en los Boom Cars, con miras a proteger nuestro medio ambiente, el bienestar social y la salud de las personas. Luchemos por que nuestras ciudades sean habitables y tranquilas. 57 �Boom Cars / Fernando Javier Elizondo Garza BIBLIOGRAFÍA 1. Fernando J. Elizondo. Los nuevos equipos de audio como fuentes de ruido. III Jornadas internacionales multidisciplinarias sobre violencia Acústica. ASOLFAL/Cómite Científico Interdisciplinario de Ecología y Ruido, Rosario, Argentina. Septiembre de 2000. 2. Fernando J. Elizondo. Ese ruido tan necesario. Memoria del 10º Congreso Internacional Mexicano de Acústica, Puebla, Puebla, México, 26-28 de noviembre de 2003 3. Fernando J. Elizondo & Miguel Cupich Rodríguez. Boom Cars. Memoria del 11º Congreso Internacional Mexicano de Acústica, Morelia, Michoacán, México, octubre de 2004 58 4. 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Condiciones de seguridad e higiene en los centros de trabajo donde se genere ruido. Diario Oficial de la Federación, México, 2001. 13. Cyril M. Harris. Handbook of acoustical measurements and noise control. McGraw Hill, USA,1991. 14. Marek Roland-Mieszkowski. Excessive vehicule noise impact and remedies, Digital Recordings. www.digitalrecordings.com Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Un enfoque de inventarios para planear capacidad en redes de telecomunicaciones Carlos Alberto Álvarez Herrera, Mauricio Cabrera Ríos División de Posgrado en Ingeniería de Sistemas, FIME-UANL carlos@yalma.fime.uanl.mx, mauricio@yalma.fime.uanl.mx RESUMEN En una red de telecomunicaciones se planea, en general, el nivel de servicio que se desea brindar a los clientes dado un presupuesto anual y considerando un costo por tener capacidad instalada. Estas decisiones dependen además altamente de pronósticos de demanda. Las características de este problema en telecomunicaciones lo hacen muy parecido a un problema de control de inventarios. En este trabajo se investigan las similitudes de ambos problemas y se plantea cómo aprovecharlas para solucionar el problema original. PALABRAS CLAVE Inventarios, Telecomunicaciones, Optimización, Planeación de capacidad. ABSTRACT Planning in a telecommunications network is carried out, in general, to fulfill the demand of customers at a certain service level, given an annual budget and considering the cost of having installed capacity. Additionally, these decisions depend highly on demand predictions. The characteristics of this telecommunications problem make it very similar to an inventory control problem. In this work, the similarities of both problems are researched and the use of the inventory problem to solve the telecommunications problem is proposed. KEYWORDS Inventory Control, Telecommunications, Optimization, Capacity Planning INTRODUCCIÓN Una red de telecomunicaciones está formada por una serie de estaciones de trabajo, coordinadas por máquinas especiales, denominadas servidores, y por un conjunto variable de dispositivos autónomos, tales como routers y switches (figura 1). Cada dispositivo activo que interviene en la comunicación de forma autónoma se denomina nodo. Todos ellos se comunican entre sí directamente a través de redes de transporte de información. Los sistemas de comunicación en red se basan en la arquitectura clienteservidor, que es una forma específica de diseño de aplicaciones.1 Así, el cliente es el ordenador que se encarga de efectuar una petición o solicitar un servicio, mientras que el servidor es el ordenador remoto que controla dichos servicios. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 59 �Un enfoque de inventarios para planear capacidad... / Carlos Alberto Álvarez Herrera, et al Fig. 2 Pronóstico de Demanda en una Red de Telecomunicaciones para un año específico. Fig. 1 Red de Telecomunicaciones basada en la arquitectura cliente-servidor. Cada servicio solicitado por el cliente, es medido por medio de unidades de ancho de banda. Para que una red de telecomunicaciones pueda ejecutar los servicios de todos los clientes, debe contar con la capacidad suficiente disponible en términos de unidades de ancho de banda en sus nodos. La importancia de la labor de planeación que se debe hacer para adquirir equipo que provea las unidades de ancho de banda necesarias, tomando como base un pronóstico de demanda y una capacidad inicial instalada es evidente. El balance importante está aquí en mantener un inventario mínimo de equipo que garantice un cierto nivel de servicio al cliente. En la figura 2 se muestran los datos iniciales del problema: un pronóstico de demanda para un año particular y la capacidad inicial. OPTIMIZACIÓN EN UN PROBLEMA DE PLANEACIÓN DE CAPACIDAD PARA UNA RED DE TELECOMUNICACIONES Al tratar el problema de planeación de capacidad en telecomunicaciones como un problema de optimización se busca encontrar las cantidades de equipo a pedir en el tiempo con el objetivo de minimizar el costo asociado con el inventario, y bajo la consideración de tratar de cumplir con ciertos niveles de demanda. Dado que los datos de la demanda provienen generalmente de un pronóstico, una práctica común es además definir un stock de seguridad para proteger contra las posibles fluctuaciones de la demanda real. Para resolver este problema por lo general se recurre a un modelo de programación matemática. El modelo resultante, sin embargo, puede volverse muy difícil de resolver al analizar una cantidad elevada de períodos,2 pues la mayoría de los casos involucra variables binarias y enteras, definiendo así un problema combinatorio. Un modelo típico, y el cual tomaremos como base, se describe a continuación. VARIABLES xi = Cantidad de unidades de ancho de banda que se comprarán en el mes i. Ii = Cantidad de unidades de ancho de banda que se mantendrán en inventario en el mes i. yi = Variable Binaria, que toma el valor de: 1 si se genera una orden de compra de equipo en el mes i 0 si no se genera C i = Capacidad en unidades de ancho de banda que se tendrá en el mes i. 60 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Un enfoque de inventarios para planear capacidad... / Carlos Alberto Álvarez Herrera, et al PARÁMETROS ai = Costo por unidad de ancho de banda pedida en el mes i. bi = Costo por unidad de ancho de banda que se mantiene en inventario en el mes i. fi = Costo por generar una orden de compra en el mes i Di= Demanda de unidades de ancho de banda en el mes i C0 = Capacidad en unidades de ancho de banda del mes 1. (Capacidad inicial) M = Número muy grande positivo. FUNCIÓN OBJETIVO Minimizar Costo de Unidades pedidas + Costo de Unidades en Inventario + Costo de Generación de Orden de Compra El problema resultante para un período de doce meses es, entonces: Encontrar xi, y i=1, 2, …, para i Minimizar 12 12 12 i=1 i =1 i =1 ∑ai xi +∑bi I i +∑ f i yi Sujeto a C 1= C0 Ci + xi −Ci+1 = 0 Ci ≥ Di Ci −Ii = Di xi − Myi ≤ 0 yi ∈{0,1} xi ∈Z + i = 1, 2, … se muestra en el caso de estudio que se presenta más adelante. En el resto de este documento, primero se explicarán las similitudes entre el problema en telecomunicaciones y el problema de control de inventarios para después abordar algunas técnicas disponibles en el control de inventarios y, finalmente, presentar un caso de estudio real donde se pusieron en práctica las ideas aquí descritas. ENFOQUE DE INVENTARIOS PARA UN PROBLEMA DE TELECOMUNICACIONES Los inventarios, definidos de manera general, son aquellos artículos a la mano destinados para consumo. El control de inventarios está integrado por técnicas para determinar cuándo deben reabastecerse los inventarios actuales y cuánto debe reabastecerse.3 El objetivo del Control de Inventarios además de satisfacer las demandas de los clientes a un nivel predefinido, es de minimizar los costos. Es claro, sin embargo, que estos objetivos se encuentran en conflicto. Una curva de inventarios en el tiempo se muestra gráficamente en la figura 3. El propósito principal en la industria de telecomunicaciones es brindar servicio a todos sus clientes, aumentando la capacidad cuando se requiera (figura 4). La capacidad en este contexto es la cantidad de unidades de ancho de banda disponible para dar servicio a los clientes. Similarmente, el propósito principal en el control de inventarios es adaptar la oferta a los diferentes niveles de la demanda sujeta al consumo de los clientes. El inventario, entonces, i = 2, 3, … i = 1, 2, … i = 1, 2, … i = 1, 2, … i = 1, 2, … (1) En el trabajo que aquí se presenta, el objetivo es resolver el problema de planeación de capacidad para una red de telecomunicaciones, planteado aquí como un problema de programación matemática entera, bajo un enfoque distinto: la utilización de técnicas de control de inventarios. El uso de este enfoque puede resultar en análisis y soluciones generadas en poco tiempo a un costo computacional bajo, como Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 Fig. 3. Evolución de Inventario: Al inicio de un período de tiempo (T) se tiene un nivel de inventarios con una cantidad (Q) de artículos, conforme transcurre el tiempo el nivel de inventarios disminuye hasta llegar a un punto (r), el cual nos indica el momento en el que tenemos que reordenar el inventario, tomando en cuenta un tiempo guía (L) que va desde que se ordenan los artículos hasta que se tienen disponibles. 61 �Un enfoque de inventarios para planear capacidad... / Carlos Alberto Álvarez Herrera, et al Fig 4. Evolución de la Demanda (D) y la Capacidad (C) en el tiempo para una Red de Telecomunicaciones: Se tiene una Capacidad inicial (C0) con la cual se abastecerá la demanda, conforme transcurre el tiempo la demanda crece y se define un punto de reorden (r) en el cual se pedirá una cantidad (Q) de unidades de ancho de banda, tomando en cuenta un tiempo guía (L). está dado por la diferencia matemática entre la cantidad de productos que se tienen disponibles para el consumo (oferta) y la cantidad de productos que los clientes consumen (demanda). En telecomunicaciones, la diferencia matemática entre la capacidad instalada (oferta) y la utilización (demanda) determina la capacidad ociosa, y se traduce así en el nivel de inventarios de la red. Al graficar la evolución de la diferencia entre capacidad y demanda en el tiempo, obtenemos una gráfica muy similar a la de control de inventarios como se muestra en la figura 5. Con tales similitudes, es entonces posible utilizar la teoría de control de inventarios para dar solución al problema de planeación de capacidad en redes de telecomunicaciones. TÉCNICAS DE CONTROL DE INVENTARIOS Existen muchas técnicas de control de Inventarios así como diversas maneras de clasificarlas. Dado que no es el objetivo de este trabajo describir todas las técnicas disponibles, en esta sección se describen brevemente algunas de ellas. Al lector interesado en mayores detalles se le refiere a 4. Entre las técnicas más populares de control de inventarios se encuentra utilizar el modelo “Economical Order Quantity” (EOQ), algunas veces traducido como Inventarios de Pedidos Económicos. En este modelo, el inventario consta de un solo artículo y se abastece por lotes de tamaño óptimo con respecto al costo del inventario anual. Al tamaño óptimo del lote se le conoce precisamente como EOQ. Este modelo presupone una demanda determinística que ocurre a una tasa constante.4 El objetivo es determinar cuándo se deben generar órdenes de compra del tamaño del EOQ dado un tiempo guía conocido. Una variante de este Modelo es el modelo EOQ con stock de seguridad (S), en el cual se le agrega una cantidad “S” de unidades en el primer pedido, comportándose exactamente igual que el modelo EOQ en los siguientes períodos. Otra técnica de control de inventarios utiliza el Modelo de Revisión Periódica, en el que el inventario se revisa cada N periodos y el tamaño del pedido se determina mediante el nivel de inventario en ese momento. En este modelo se determina la frecuencia de revisión del inventario dados una demanda de tipo estocástica y un tiempo guía conocido. Otro ejemplo es el Modelo de Nivel de Servicio, en donde Fig. 5. Evolución de (Capacidad – Demanda) en el Tiempo: Se tiene un nivel de inventarios con una cantidad (Q) de unidades de ancho de banda, conforme transcurre el tiempo el nivel de inventarios disminuye hasta llegar a un punto (r), el cual nos indica el momento en el que tenemos que reordenar, tomando en cuenta un tiempo guía (L). 62 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Un enfoque de inventarios para planear capacidad... / Carlos Alberto Álvarez Herrera, et al el usuario establece un cierto nivel de servicio que quiere proveer a sus clientes dada una demanda estocástica. El nivel de inventario en este modelo se monitorea continuamente. El modelo determina el nivel de inventario en el cual se debe generar una orden (punto de reorden) de manera tal que exista un cierto nivel de garantía de no quedarse sin inventario durante el tiempo guía. Esta garantía está asociada con el nivel de servicio predefinido para el cliente. Una de las condiciones importantes para estos dos últimos modelos es que la demanda siga una distribución normal. A continuación se presenta un caso de estudio real donde se aplican conceptos de control de inventarios para resolver el problema de planeación de capacidad en la industria de las telecomunicaciones. CASO DE ESTUDIO En este estudio se analizaron datos históricos de capacidad y demanda de 5 años en una red de telecomunicaciones. La capacidad inicial de la red es de 128 unidades y la demanda máxima durante los 5 años es de 709 unidades de ancho de banda para un periodo específico. Se utilizaron diversas técnicas de control de inventarios para determinar cómo se debía haber comprado equipo durante este período de 5 años con los resultados que se exponen a continuación. Durante todos los análisis se utilizó el tiempo guía conocido y prácticamente constante de 4 meses de un proveedor real. Al utilizar el modelo EOQ el costo obtenido fue bajo, sin embargo los resultados no fueron favorables puesto que no se logró cumplir con la demanda en muchos de los periodos (figura 6). Las razones por las que este modelo no dio buenos resultados Fig. 6. Muestra la evolución de la demanda y la capacidad durante 5 años utilizando un modelo EOQ. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 tienen que ver con los supuestos del modelo, pues en este problema la demanda no ocurre a una tasa constante. El resultado obtenido por esta técnica fue pedir un total de 608 unidades distribuidas en los 5 años, terminando con una capacidad final de 736 unidades y tuvo un costo total de $1,415,676.93. Hubo 626 unidades de demanda que no se pudieron cumplir a lo largo de los 5 años. Para calcular el costo total se consideraron costos de $1 por orden, $ 2,328 por unidad de ancho de banda, $104,000 por equipo, y $1 por unidad de ancho de banda ociosa. Después de aplicar el Modelo EOQ con STOCK de Seguridad en nuestro problema el costo obtenido fue aceptable pero tampoco se logró cumplir con la demanda en algunos de los períodos (figura 7) por las mismas razones expuestas en el caso anterior. Un mayor stock de seguridad habría salvado la situación en algunos casos, aunque no al principio de la serie. Por otro lado, un stock mayor habría afectado negativamente el costo de inventario anual. En este caso se intentó definir el stock de seguridad como la mayor cantidad de demanda no cubierta en el análisis anterior. El resultado obtenido por esta técnica fue pedir un total de 717 unidades distribuidas en los 5 años terminando con una capacidad final de 845 unidades y tuvo un costo total de $1,669,474.24 (bajo los mismos supuestos de costos que en el caso anterior). No se logró cumplir con 248 unidades de demanda a lo largo de los 5 años. En cuanto al Modelo de Revisión Periódica, Fig. 7. Muestra la evolución de la demanda y la capacidad durante 5 años utilizando un modelo EOQ con “stock” de seguridad. 63 �Un enfoque de inventarios para planear capacidad... / Carlos Alberto Álvarez Herrera, et al después del primer pedido éste satisfizo la demanda en todos los periodos (figura 8). El costo obtenido, sin embargo, fue muy alto debido a que el objetivo de esta técnica es garantizar el cumplimiento de la demanda. El resultado obtenido por esta técnica fue pedir un total de 722 unidades distribuidas en los 5 años terminando con una capacidad final de 850 unidades, y tuvo un costo total fue de $1,681,116.35. Solamente no se pudo cumplir con 18 unidades de demanda a lo largo de los 5 años: 4 unidades en el 2o. mes y 14 en el 3er. mes. Esto se debe a que en esos períodos el tiempo guía del primer pedido es de 4 meses, quedando sin protección inicial. El siguiente modelo fue el Modelo de Nivel de Servicio con un nivel de seguridad de 80%. Con este modelo, después del primer pedido se cumplió con la demanda en todos los periodos (figura 9). El costo obtenido fue alto debido a que el objetivo de esta técnica es garantizar el cumplimiento de la demanda, sin embargo el costo varía dependiendo del nivel de seguridad establecido por el usuario. Con esta técnica, se pidieron un total de 952 unidades distribuidas en los 5 años terminando con una capacidad final de 1080 unidades y con un costo total fue de $2,216,661.55. Al igual que la técnica anterior, no se cumplió con 18 unidades de demanda a lo largo de los 5 años: 4 unidades en el 2o. mes y 14 unidades en el 3er. mes. Las mismas razones que en el caso anterior explican este comportamiento. En este caso particular en el cual el objetivo principal de la industria de telecomunicaciones es planear la capacidad de su red de tal forma que siempre se cumpla la demanda y garantizar un nivel de seguridad en las unidades de ancho de banda disponibles durante el tiempo guía, la técnica de inventarios que mejor se ajusta a los objetivos y características de este problema es la del Modelo de Nivel de Servicio. Aunque el supuesto de normalidad no se cumple en este caso, observamos que la solución actuó satisfactoriamente ante las fluctuaciones. Este aspecto requerirá mayor estudio para determinar el impacto real de la violación de normalidad. La instauración de estos métodos fue fácilmente codificable en Excel y se obtuvieron las soluciones de los problemas de manera inmediata. El mismo problema de planeación resuelto por programación matemática entera habría excedido la capacidad del software de optimización básico incluido en Excel. Fig. 8. Muestra la evolución de la demanda y la capacidad durante 5 años utilizando un modelo de Revisión Periódica. Fig. 9. Muestra la evolución de la demanda y la capacidad durante 5 años utilizando un modelo de Nivel de Servicio de 80%. 64 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Un enfoque de inventarios para planear capacidad... / Carlos Alberto Álvarez Herrera, et al CONCLUSIÓN En este trabajo se demostró cómo utilizar un enfoque de control de inventarios para un problema de planeación de capacidad en redes de telecomunicaciones. Tal enfoque resultó en soluciones que se pueden generar de manera muy eficiente. Se pudo observar que las técnicas de control de inventarios, específicamente los modelos de nivel de servicio, proveen una manera sencilla de lidiar con la volatilidad de los pronósticos. En comparación, añadir aspectos estocásticos a un modelo matemático entero habría hecho al problema aún más difícil de resolver. Otro punto importante es que las técnicas de control de inventarios fueron fácilmente instaurables en hojas de cálculo de MS Excel. Esto implica que no se necesitaría invertir en paquetería computacional especializada, facilitando así la distribución y el uso de los modelos en una compañía. Los resultados subrayan la importancia de establecer símiles entre problemas de distintas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 áreas para capitalizar en las técnicas de solución correspondientes, y por supuesto, apuntan a favor del trabajo interdisciplinario. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Spragins, Hammond and Pawlikowski, Telecomunications, Protocols and Design, 105pp-113pp, Editorial Addison-Wesley, 1992, California. 2. Andrew Coyle, “An Algorithm for Capacity Expansion in Local Access Networks”, 12pp, 1996, 869pp-939pp University of Auckland, New Zeland. 3. Daniel Solow and Kamlesh Mathur, Investigación de Operaciones, 637pp-699, Editorial Prentice Hall,1996, Mexico. 4. Wayne L. Winston, Operation Research, Applications and Algoritms, 869pp-939pp, Editorial Duxbury, 1994, Third edition, Belmont, California 65 �Eventos y reconocimientos I. RECONOCIMIENTO AL MÉRITO ACADÉMICO ANFEI 2005 La Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería ANFEI, con el propósito de distinguir a aquéllos académicos que están siendo actores para el logro de la excelencia académica, entregó dentro de su XXXII Conferencia Nacional de Ingeniería, el Reconocimiento al Mérito Académico ANFEI 2005 al M.C. Juan Ángel Garza Garza, catedrático de la FIME-UANL. El reconocimiento se entregó en ceremonia realizada el 24 de junio del presente año en la ciudad de Toluca, Estado de México. Esta distinción se entrega en base a la decisión de un jurado calificador integrado por distinguidos académicos de reconocido prestigio nacional e internacional quienes evalúan las propuestas enviadas por las facultades de ingeniería de todo México. El M.C. Juan A. Garza Garza después de recibir el reconocimiento al “Mérito Académico ANFEI 2005”. 66 II. PREMIO DE INVESTIGACIÓN UANL 2004 El trabajo de investigación que se realiza diariamente en la Universidad Autónoma de Nuevo León, es una labor callada de un grupo cada vez más numeroso de investigadores, la cual trasciende a través de la generación de conocimiento nuevo y la formación de recursos humanos. Lo más destacado de este quehacer universitario desarrollado en el campo de la ciencia y la tecnología en cada una de las dependencias de la institución ha sido reconocida a través del otorgamiento del Premio de Investigación UANL 2004. Esta distinción creada en 1981, reconoce los mejores trabajos realizados en siete áreas del conocimiento: humanidades, ciencias sociales, ciencias de la tierra, ciencias naturales, ciencias de la salud y ciencias exactas, e ingeniería y tecnología. Los invetigadores de la FIME-UANL ganadores del Premio de Investigacion UANL 2004, en compañia del Director de la Facultad, M.E.C. Rogelio Garza Rivera, al terminar la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Eventos y reconocimientos Los trabajos pasaron por un riguroso proceso de evaluación tanto a nivel local, nacional e internacional, establecido para determinar a los ganadores, correspondiendo a la Comisión Académica del Consejo Universitario dictaminar sobre los resultados de dicha evaluación. En Ingeniería y Tecnología el proyecto ganador fue “Determinación de propiedades físicas en tejido sanguíneo” desarrollado por el MC Francisco Hernández Cabrera, el Dr. Carlos A. Guerrero Salazar, y el Dr. José de Jesús Bernal Alvarado, de la FIME. En él se determinaron las propiedades eléctricas del tejido sanguíneo humano con el fin de utilizar dichos valores en el diseño de instrumentos de aplicación en la salud humana. En Ciencias Exactas los ganadores fueron el Dr. Martín Edgar Reyes Melo, y el Dr. Carlos A. Guerrero Salazar, de la FIME con el proyecto “Aplicación del método de derivación e integración del orden arbitrario al modelado del comportamiento mecánico y dieléctrico de materiales poliméricos” en el que se abordó el uso de herramientas matemáticas que permiten predecir los fenómenos de relajación térmica y dieléctricos en polímeros y así simular el comportamiento a bajas temperaturas de dichos materiales. Los ganadores recibireron el premio en la Sesión Solemne del Consejo Universitario que se llevó a cabo el 14 de septiembre 2005 en el Teatro Universitario. III. PROFESOR EMÉRITO Por su destacada labor como docente en la FIME-UANL, desde 1968 a la fecha, el Dr. Matías Alfonso Botello Treviño ha sido distinguido como “Profesor Emérito” de la Universidad Autónoma de Nuevo León en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL realizada el 14 de septiembre de 2005. El Dr. Botello, realizó sus estudios de licenciatura en la FIC-UNL de 1954 a 1959 y en la FIME-UNL de 1959 a 1964. Realizó estudios de Maestría en Administración de Empresas con especialidad en Producción y Calidad de 1967 a 1969 en el ITESM. Ha sido profesor de la preparatoria No. 1, de la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 El M.E.C. Rogelio Garza Rivera Director de la FIME-UANL acompaña al Dr. Matías Alfonso Botello Treviño quien fuera nombrado “Maestro Emérito” de la Universidad Autónoma de Nuevo Léon. Facultad de Psicología y de la FIME-UANL. Durante el período 2001-2004 realizó estudios doctorales en la Universidad de Camagüey, Cuba, titulándose de Doctor en Ciencias Pedagógicas. IV. TECNOS El Gobierno del Estado de Nuevo León, otorga desde 1992 a través de la Secretaría de Desarrollo Económico, el Reconocimiento al Desarrollo Tecnológico, PREMIO TECNOS, a todas aquellas personas, empresas o instituciones que se han distinguido por haber contribuido al avance Firma del convenio para la organización del “Premio TECNOS” por parte del Gobierno del Estado de Nuevo León, la Universidad Autónoma de Nuevo León y de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. 67 �Eventos y reconocimientos tecnológico, mediante la presentación y recepción en concurso de productos, procesos, servicios, tesis y publicaciones de base tecnológica, los cuales pueden ser de beneficio para la industria y la comunidad general. Sus objetivos son: Promover el desarrollo e innovación tecnológica en el sector productivo, reconocer los esfuerzos realizados en el desarrollo tecnológico por personas y organizaciones y contribuir a la formación de una cultura de desarrollo tecnológico en la comunidad. Mediante la firma de convenio por el rector de la UANL, José Antonio González Treviño; Eloy Cantú Segovia, titular de la Secretaría de Desarrollo Económico; y Rogelio Garza Rivera, director de la FIME, la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica, toma las riendas del prestigiado reconocimiento en lo referente a su promoción, evaluación de los trabajos y premiación. El reto de la UANL es consolidar a nivel nacional este reconocimiento y asegurar la participación de los investigadores y tecnólogos más destacados y de todos los estados del país con sus proyectos de innovación tecnológica. V. CENTRO DE TECNOLOGÍA DE INFORMACIÓN Y SOFTWARE La Universidad Autónoma de Nuevo León dio el primer paso para lo que en el futuro será el Parque de Tecnología y Desarrollo de Software, proyecto que estaría impulsado además por el Gobierno del Estado, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y la federación. Lo anterior se dio a conocer luego de la firma de convenio por el rector José Antonio González Treviño y Manuel Coronado Arriaga, presidente de la Asociación de Empresas en Tecnologías de Información (AETI); acto que atestiguó Antonio Zárate Negrón, Director de Monterrey Ciudad Internacional del Conocimiento. En este contexto la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica inauguró el Centro de Tecnologías de Información y Software –único en su tipo en México. El presidente de AETI reconoció que la industria del software en Nuevo León tiene una historia de 68 Ceremonia de puesta en marcha del Centro de Tecnologías de Información y Software. 20 años, sin embargo se busca un cambio hacia lo global, dado que actualmente sólo se atiende al mercado local. De ahí que la primera estrategia resultado de este convenio es trabajar sobre el plan de estudios de las carreras de sistemas y tecnologías de la información para alinear lo más posible a los egresados con lo que las empresas requieren al momento en que egresan. VI. 1er. CURSO IBEROAMERICANO DE ESPECIALISTA EN ACÚSTICA Y VIBRACIONES El 19 de septiembre de 2005 en la Sala de Usos Múltiples de la FIME-UANL se efectuó la inauguración del 1er Curso Iberoamericano de Especialista en Acústica y Vibraciones, el cual es organizado en conjunto por la Universidad Autónoma de Nuevo León y la Universidad de Castilla-La Mancha de España. Este curso, el cual se imparte en ambas universidades, tiene como objetivo estudiar los conceptos fundamentales ligados a la ingeniería en acústica y vibraciones mecánicas, para posteriormente abordar aspectos prácticos de cada una de estas áreas del conocimiento en módulos separados, dándose énfasis a la solución de problemas industriales y comunitarios. En cada módulo, tanto en España como en México participan como expositores especialistas de ambas universidades así como del ámbito industrial. La inauguración del curso en la UANL fue presidida por el Director de la FIME-UANL, M.E.C. Rogelio Garza Rivera y por el Prof. Francisco Mata Cabrera de la Escuela Universitaria Politécnica de Almadén de la UCLM de España, así como por el Dr. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Eventos y reconocimientos El laboratorio se encuentra ubicado en el edificio 5 planta baja de la FIME-UANL, y está dividido en dos secciones: Diseño e Ingeniería y Manufactura. Presidium en la ceremonia de inicio de actividades del 1er. Curso Iberoamericano de Especialista en Acústica y Vibraciones. Moisés Hinojosa Rivera Subdirector Académico de la FIME y los Maestros Fernando J. Elizondo y José de J. Villalobos, coordinadores del curso en México. VII.- AULA TAKATA El Rector de la UANL el Ing. José Antonio González Treviño, el Ing. Carlos Valdez Andrade, Vicepresidente de la División de Cinturones de Seguridad de la empresa Takata, el Director de nuestra Facultad el M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera y la Dra. Patricia Zambrano, Jefa de Control de Proyectos Industriales de la FIME, inauguraron el Laboratorio Takata, el cual fuera equipado por dicha empresa. Takata donó a la FIME el software de CAD/CAM/ CAE Unigraphics, el mantenimiento anual del mismo y la actualización del video de los equipos de cómputo, para beneficio de los estudiantes de las carreras de Ingeniero: Mecánico Electricista, Mecánico Administrador, en Manufactura, en Materiales, en Mecatrónica, en Electrónica y Comunicaciones y en Electrónica y Automatización. El Rector de la UANL Ing. José Antonio González Treviño inaugurando el aula TAKATA en la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 VIII. PRIMER TITULADO EN INGENIERÍA DE MANUFACTURA EN LA UANL El viernes 2 de septiembre de 2005 tuvo lugar el examen de grado de la Srita. Rosa Nelly Montalvo Páez quien defendió el trabajo titulado “Optimización del Maquinado en una Aleación de Níquel”, ante el jurado formado por los profesores: Dra. Patricia Zambrano Robledo, Dr. Rafael Colás Ortiz y M.C. María de Jesús Nañez Rodríguez. La hoy Ing. Montalvo se destacó a lo largo de su carrera, habiendo obtenido un promedio general de 95.6 y haciéndose acreedora a la beca que otorga la AIST capítulo México por su destacado aprovechamiento académico. En el 2002 y dentro del Programa de movilidad académica y estudiantil de nuestra Facultad realizó un verano en la Universidad Pan American en Texas. Cabe destacar que desde su ingreso a nuestra Facultad inició como colaboradora en el Doctorado en Ingeniería de Materiales, trabajando en simulación numérica, propiedades mecánicas y procesos de manufactura. En el 2003 realizó prácticas por un año en la empresa Nemak, S.A. de C. V. en el área de CAD/CAM/CAE. Actualmente labora en la Empresa Schneider Electric como Ingeniero de Producto. Ha participado como conferencista en diferentes congresos a nivel nacional y cuenta con una publicación en revista de circulación nacional. Ing. Rosa Nelly Montalvo Paez. 69 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Junio-Agosto 2005 José Florentino Augusto Medina Jacobo, M.C. Ingeniería de Sistemas, “Un enfoque robusto o un problemas de diseño de red multiproducto con incertidumbre en parámetros de entrada”, 1 de junio de 2005. Oscar Rángel Aguilar, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Estrategias didácticas en la especialidad de operación de microcomputadoras”, 16 de junio de 2005. Víctor Gabriel Vergara Carrizales, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Aplicación de Algoritmos genéticos en el balanceo de líneas de producción”, 17 de junio de 2005. Carlos Hernández Gallegos, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Implementación de la norma ISO–9001:2000 en una planta productora de polietileno de baja densidad”, 21 de junio de 2005. María Angélica Salinas Ramírez, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Documentación básica al sistema de calidad”, 27 de junio de 2005. Jorge Ventura Jaramillo Martínez, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Auditoría interna aplicada al sistema de calidad de la empresa Telecomunicaciones S.A.”, 27 de junio de 2005. Teodoro Ali Arriaga Rodríguez, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Tecnologías celulares hacia 3G”, 1 de julio de 2005. Catalina Rodríguez Antonio, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Implantación de una clase de calidad en la Escuela Industrial y Preparatoria Técnica Pablo Livas Poniente”, 5 de julio de 2005. 70 Angelina Sosa Salgado, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Reología Extensional y de corte en suspensiones de recubrimiento: El efecto del espesante”, 8 de julio 2005. Isabel Cristina Garza Zavala, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Estrategias para implementar una microempresa”, 1 de agosto de 2005. Alfredo Govela Ruiz, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Desarrollo e implementación de un proceso de evaluación de contratistas de obra mexicana, eléctrica y civil en Praxair de México, S.A. de C.V.”, 3 de agosto de 2005. Sandra Patricia Narro Martínez, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Industrialización de un nuevo producto de harina de maíz nixtamalizado conocido tradicionalmente como sopa de tortilla, en la empresa Lostor Alimentos S.A. de C.V.”, 5 de agosto de 2005. Rogelio Velazco del Ángel, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Automatización, “Diseño de un sistema de visión digital para sistemas de manufactura”, 5 de agosto de 2005. Juan Francisco Flores Preciado, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Influencia del sustrato en el comportamiento a la corrosión de películas de nitruro de tantalo”, 12 de agosto de 2005. Pablo Ernesto Tapia González, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Diseño del Producto, “Validación de programa analítico y modelo de FEM para la predicción de variables en el torneado en duro”, 18 de agosto de 2005. Antonio René Peña Medina, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Control de voltaje para un sistema eléctrico”, 29 de agosto de 2005. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Acuse de recibo Revista CONOCIMIENTO Libro SISTEMAS DIGITALES Y ... Con motivo del proyecto Monterrey Ciudad Internacional del Conocimiento la divulgación de la ciencia, la tecnología y la cultura cobra especial importancia y es con este propósito que se crea la revista Conocimiento. Esta revista, soportada por el Consejo de Ciencia y Tecnología del estado de Nuevo León, dedica cada número a un tema específico el cual es abordado por distinguidos especialistas desde los puntos de vista científico, técnico, moral y social. Se publican también noticias sobre problemas científicos y tecnológicos de actualidad buscando mostrar a la sociedad en general la importancia que tienen la ciencia y la tecnología para el mejoramiento de las condiciones de vida de la población. Conocimiento tiene una buena presentación, está cuidadosamente estructurada, abundanmente ilustrada y sus artículos son de interés tanto para el académico como para el lector general. Esta publicación catorcenal, que aparece cada dos viernes, se distribuye gratuitamente. Y puede también ser consultada en línea en la dirección de Internet www.conocimientoenlinea.com Sistemas digitales y electrónica digital: Prácticas de laboratorio es un libro de texto publicado por la editorial Pearson Education, de la autoría del M.C. Juan Ángel Garza Garza, catedrático de la FIMEUANL. Esta obra didáctica es el resultado de las experiencias del autor y del esfuerzo combinado de maestros y alumnos que la han retroalimentado con sugerencias resultado de su uso. Este material didáctico brinda a los lectores un apoyo para reforzar el aprendizaje y actualizar sus conocimientos en tecnologías de punta, como los dispositivos lógicos programables (PLD), con la aplicación de los programas de captura esquemática y los lenguajes de descripción de hardware (HDL). El material que se utiliza está seleccionado de tal modo que resulte accesible para el lector y éste no tenga que realizar un gasto excesivo. Se han elegido prácticas útiles, pertinentes, y realizables que estimulen el interés por el estudio. Este libro está dirigido a estudiantes de Ingeniería eléctrica y electrónica e Ingeniería en sistemas computacionales. (Rubén Morones Ibarra) (FJEG) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 71 �Acuse de recibo Revista RA XIMHAI Revista ELECTRONIC DESIGN Ra Ximhai es una revista tetramestral, publicada por la Universidad Autónoma Indígena de México, en la que se presentan los resultados de trabajos de investigación sobre Sociedad, Cultura y Desarrollo Sustentable, desarrollados tanto en dicho Claustro Universitario como en otras instituciones de educación en México y otros países. El número 2, Vol 1. ofrece tres secciones perfectamente definidas: socioeconomía, recursos naturales y medios tecnológicos. En la primera sección se aprecia un buen balance en las contribuciones. En la sección de recursos naturales resulta evidente que el interés principal está orientado hacia los recursos forestales con un artículo sobre la determinación de la edad de transición de madera juvenil a madura. En general la revista resulta bastante amena cuando se observa que la sección de medios tecnológicos es más bien descriptiva. Para más información: www.uaim.edu.mx/webraximhai/ra_ximhai.htm La revista Electronic Design, es una publicación mensual dirigida a la difusión de tecnologías emergentes, para soluciones de diseño. Uno puede encontrar en sus páginas artículos interesantes sobre el estado del arte en la electrónica, evaluaciones serias del desempeño de las novedades tecnológicas tanto en componente como en dispositivos electrónicos complejos. También presenta temas importantes para el ingeniero de diseño electrónico, así como tendencias del mercado, foros de discusión, etc. El contenido del número 19, Vol. 53, de septiembre de 2005, es realmente interesante, pues trata entre otras cosas de los avances en dispositivos de imagen que han dado nuevos ojos a las misiones espaciales, de cómo los FPGA se han convirtiendo en un alternativa a los circuitos integrados de aplicación específica, la evolución de los dispositivos de control remoto de tipo universal, y una recomendación para convertir aplicaciones de puerto serie al estándar USB. Para mayor información, se puede tener acceso a la publicación electrónica en www.elecdesign.com (CALC) (JAAG) 72 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Colaboradores Álvarez Herrera, Carlos Alberto Ingeniero Administrador de Sistemas por la UANL. Actualmente en vías de obtener la Maestría en Ciencias en el Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la FIME, UANL. Sus intereses incluyen la aplicación de investigación de operaciones en la industria de la transformación y los servicios. Bernal Alvarado, José de Jesús Profesor Asociado C, Instituto de Física de la Universidad de Guanajuato. Miembro del SNI, Nivel 1 en el Area de Ciencias Exactas. Ingeniero Industrial en Electrónica por el Instituto Tecnológico de Matamoros (1991), M.C. en Física por la UAM (1995). Doctorado en Física por Universidad de Guanajuato 21 de Noviembre de (1998). Posdoctorado, Universidad Estatal de Campinas Sao Paulo, Brasil. (2001). Cabrera Ríos, Mauricio Ingeniero Industrial y de Sistemas por el ITESM Campus Monterrey, Maestro en Ciencias y Doctor en Ingeniería Industrial y de Sistemas por The Ohio State University en Columbus, Ohio. Profesor Investigador del Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la FIME, UANL. Sus intereses abarcan la caracterización, la modelación y la optimización de procesos. http://yalma.fime.uanl.mx/~pisis/ Carranza Bernal, Sugeheidy Yaneth Licenciada en Química por la FCQ-UANL (2004). Fue asistente de investigacion en la misma, trabajando en la técnica de sol-gel. Actualmente realiza sus estudios de maestría en ingeniería de materiales en la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 Colás Ortíz, Rafael Cursó estudios de Ingeniero Metalúrgico en la Universidad Metropolitana y la maestría y el doctorado en Metalúrgica en la Universidad de Sheffield, Inglaterra. Fue Gerente de Tecnología en Procesos en la empresa Hojalata y Lámina. De 1992 a la fecha es profesor investigador del Doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Es además Investigador Nacional nivel 3. Elizondo Garza, Fernando Javier Ingeniero Mecánico Electricista por la FIMEUANL. Diplomado en Administración de Tecnología en el CINVESTAV del IPN. Maestría en Ingeniería Ambiental por la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. Premio Estatal de Ecología N.L. 2002 y Reconocimiento al Mérito Académico ANFEI 2003. Actualmente es catedrático y consultor de la FIME. Director de la revista Ingenierías. Esparza López, Jaime Egresado de la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista de la FIME-UANL. Actualmente prepara su tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales en la UANL.. García-Luna M., J. Salvador Ingeniero Químico Administrador por el ITESM (1979). Maestro en Administración por el ITESM (1988). Ha asistido a diversos cursos sobre administración y manufactura de la industria automotriz en Francia, España y Alemania. Tiene experiencia laboral de más de 3 años en la industria de celulosa y pulpa y de más de 22 en la industria Automotriz. Actualmente es Gerente de Fusión de NEMAK. 73 �Colaboradores Garza Navarro, Marco Antonio Es Ingeniero Mecánico Electricista de la FIMEUANL 2004), realizó prácticas profesionales en Mabe S.A. de R.L. (Monterrey) en el Depto. de Ingeniería del Producto en el área de diseño. Actualmente realiza sus estudios de Maestría en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. González González, Virgilio Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales otorgado por la FIME-UANL. Ha sido investigador científico en el campo de los polímeros desde 1975, con más de 40 publicaciones técnico-científicas y de difusión. Es miembro del SNI nivel 2. Es profesor de tiempo completo de la FIME desde 1998. Guerrero Salazar, Carlos Alberto Doctor en Ingeniería Química por la École Polytechnique de Montreal, Canadá en 1986 y desde 1991 profesor de tiempo completo del posgrado de la FIME. Actualmente es Director General de Estudios de Posgrado de la UANL. Miembro del SNI, nivel 1, y de la Academia Mexicana de Ciencias. Ganador en 4 ocasiones del Premio de Investigación UANL y en 2 ocasiones, en calidad de asesor, reconocido con el Premio a la Mejor Tesis de Maestría UANL. Galardonado con el Reconocimiento a la Excelente Trayectoria Profesional, otorgado por la Sociedad de ex alumnos de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y con el Mérito a la Investigación, por la FIME-UANL en 2004. Hernández Cabrera, Francisco Licenciado en Física egresado de la FCFM-UANL. Obtuvo el grado de M.C. con especialidad en Mecánica de Materiales en la FIME-UANL y actualmente realiza el doctorado en Microbiología en la FCB-UANL. Autor de cuatro libros de física experimental e investigador de la interacción de campos electromagnéticos en sistemas biológicos. 74 Hinojosa Rivera, Moisés Ingeniero Mecánico Administrador (1988), Maestría (1991) y Doctorado (1996) en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL, Postdoctorado en ONERA (Chatillôn, Francia, 1997-1998), Investigador Nacional Nivel 1 y Miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Profesor-Investigador de la FIME-UANL desde 1998. Actualmente es Subdirector Académico de la FIME-UANL. Lara Rodríguez, Patricia Yareni Estudiante de la carrera de Ingeniero en Manufactura con orientación en Diseño del Producto en la FIME-UANL. Con interés particular en diseño y la investigación de materiales. Ha participado en el VI y VII Verano de la Investigación Científica y Tecnológica PROVERICYT-UANL. Márquez González, José Antonio Egresado de la Facultad de Derecho de la Universidad Veracruzana. Realizó la especialidad en derecho privado y obtuvo el grado de Doctor en Derecho por la Universidad Nacional Autónoma de México. Realizó cursos de posgrado sobre derecho civil y comercial internacional en España, Italia, Austría y Brasil. Ha publicado varios libros y múltiples ensayos en revistas especializadas. Es director de la revista Escribano, de la Asociación Nacional del Notariado Mexicano y profesor del Doctorado en Derecho en la Universidad Veracruzana. Mata Cabrera, Francisco Ingeniero Industrial e Ingeniero Técnico de Minas por la Universidad de Castilla-La Mancha. Diplomado en Ingeniería de materiales por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Master en Evaluación de Impacto Ambiental por el Instituto de Investigaciones Ecológicas de Málaga, experto Universitario en Educación por la UNED. Es profesor Asociado en el Área de Ingeniería Mecánica en la Escuela Universitaria Politécnica de Almadén. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �Colaboradores Mena Montoya, Marleth Estudiante de la carrera de Ingeniero en Manufactura con orientación en Diseño del Producto en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Con interés particular en diseño y materiales poliméricos. Ha participado en el VI y VII Verano de la Investigación Científica y Tecnológica PROVERICYT-UANL. Morones Ibarra, J. Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Obtuvo su doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actulmente es maestro de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales en la FIME-UANL. Doctorado en Ingeniería de Materiales en la Université Paul Sabatier de Toulouse, Francia, en el 2004. Ganador de la Mejor Tesis de Maestría UANL 1999 y del Premio de Investigación UANL 1999 y 2004. Es catedrático investigador en la FIME-UANL. Torres González, Rubén Egresado de la carrera de Ingeniero Mecánico en la Universidad Autónoma de Coahuila, egresado de la Maestría en Materiales y en su fase final de tesis en el doctorado de materiales de FIME-UANL. Urbano Vázquez, Miguel Ángel Pasante de la carrera de Ingeniero Administrador de Sistemas. Actualmente realiza su trabajo de tesis de licenciatura en el Posgrado de Ingeniería de Sistemas de la FIME. Sus áreas de interés son la optimización y la investigación de operaciones. Velazco Santes, Eulogio Licenciado en Física egresado de la FCFM-UANL 1988, egresado de la maestría en Ingeniería de Materiales 1992 y Doctorado en Ingeniería de Materiales 1997. Trabaja actualmente en NEMAK en el área de fusión. Ingeniero de Procesos Especialista. Zaid, Gabriel Ingeniero Mecánico Administrador por el ITESM, Monterrey (1955). Fue miembro del consejo de la revista Vuelta (1976-1992). Ingresó en El Colegio Nacional el 26 de septiembre de 1984. Miembro de la Academia Mexicana de la Lengua (desde 1986). Ha recibido el premio Xavier Villaurrutia (1972) y el premio Magda Donato. Poeta y analista político. CONVOCATORIA Congreso Anual de la Asociación de México de Control Automático, AMCA 2005 Del 19 al 21 de Octubre del 2005 Cuernavaca, Morelos Para más detalles visite la página web: http://www.cenidet.edu.mx/congresoamca05/ Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 75 �Información para colaboradores Se invita a profesores e investigadores de las diferentes áreas de la ingeniería a colaborar en la Revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes, convocatorias, etc. Es requisito indispensable que las colaboraciones estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. No deberán estar redactadas en primera persona. Solamente se aceptarán trabajos en inglés de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos serán sujetos a arbitraje tipo doble anónimo siendo inapelable el veredicto de los revisores. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la FIME-UANL LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras y carta de cesión de derechos, en formato electrónico .doc de Word, en disquete, CD o por E-mail a las direcciones: fjelizon@mail.uanl.mx jaguilar@gama.fime.uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por 76 artículo es cuatro. La extensión de los artículos no deberá exceder de 8 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como inglés. Las referencias deberan ir numeradas en el orden que fueron citadas en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, en formato jpg, con 300 dpi y con al menos 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales. Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4020 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, No. 29 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2005 Volumen Volumen de la revista 8 Número Número de la revista 29 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2005, Vol 8, No 29, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2005 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020792 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Cálculo fraccional Coprecipitación Impedancia Eléctrica Maquinabilidad Optimización bicriterio Telecomunicaciones https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20751/Ingenierias_2005_Vol_8_No_28_Julio-Septiembre.pdf 957f960e3c44b9583537ee3c5119680a PDF Text Text �Editorial: Justificación social de la investigación Juan Antonio Aguilar Garib Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL jaguilar@gama.fime.uanl.mx LA SOCIEDAD Y EL BIENESTAR SOCIAL Los individuos de una sociedad están permanentemente en la búsqueda del bienestar: salud, dinero y amor diríamos los mexicanos. Así las propuestas y promesas que los gobiernos hacen a la población giran en torno a ofrecer ese bienestar social a través de planes y programas en los diferentes aspectos del quehacer humano. Al igual que una familia decide la mejor manera de distribuir sus recursos con el fin de que le brinden el mayor bienestar posible, la industria, las organizaciones y el estado también deben hacer lo mismo a través de un proceso de administración cuidadoso, en el que primeramente se identifiquen las necesidades y luego se jerarquicen para determinar cómo utilizar los recursos. La sociedad mexicana, al igual que muchas otras, ha comenzado a poner mayor interés en las actividades que realiza el gobierno. La explicación por lo que esto ocurre no es simple, pero un elemento importante ha sido que la apertura y exposición del país al mundo no ha sido solamente sobre comercio, sino que ha tocado aspectos culturales, educativos y de gobierno, al grado que se aprecia que el perfil de los gobernantes ha cambiado y sus plataformas ahora mencionan a la educación, a la investigación y a la ciencia. Junto con las voces que dicen que es necesario invertir en el campo, en la educación, en la salud, en el abatimiento de la pobreza, en el petróleo y la minería, entre muchos otros, se hace alusión a la ciencia y la tecnología señalando que la inversión en investigación debería aumentar. LAS PROPUESTAS, LA INVESTIGACIÓN Y SU PERCEPCIÓN Habiendo tantos individuos en una sociedad, se tiene por lo tanto una gran variedad de propuestas, algunas contradictorias entre sí, y muchas de ellas son hechas por personas que consideran que la actividad a la que se dedican es la más prolífica, la que más ayudará a su comunidad y a la que se le deberían asignar los mayores recursos para su desarrollo. Filtrar y dar orden a estas propuestas es una función que no debe hacer el estado solo, sino organismos integrados por el gobierno, la industria, la academia, la investigación y representantes de la sociedad. Existen múltiples referencias que relacionan la inversión en educación e investigación con el crecimiento económico y bienestar de la población. Este modelo se basa en comparaciones de inversión referidas al Producto Interno Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 3 �Editorial / Juan Antonio Aguilar Garib Bruto (PIB) en términos porcentuales. Es obvio que los países “no desarrollados” estamos doblemente en desventaja, por un lado al invertir un bajo porcentaje del PIB y por otro, al tener economías pequeñas, esta inversión será aún menor. Por años se ha dicho que México debería tener una inversión gubernamental de por lo menos 1% del PIB en investigación, pero ese valor no ha pasado de 0.4%. Se debe tener presente que la inversión rinde su mayor fruto cuando se cuenta con capital humano, ya que de otro modo simplemente implica tirar el dinero. Cabe señalar que de no contarse con recursos humanos suficientes y adecuados también es inversión formarlos. Independientemente de lo adecuado que sean el 1% o el 0.4% de PIB, no se ha logrado dar una explicación satisfactoria a la población que vive en la pobreza, o a los que tienen otras necesidades más inmediatas, de por qué invertir en investigación. Se percibe en general como un gasto no urgente, que no brinda ningún beneficio, porque ni las gráficas de PIB de países desarrollados, ni el balance comercial, ni la reserva, cambian la realidad económica personal, por lo que la investigación en México no recibe un presupuesto proporcional al de otros países. INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO Un enfoque que ayuda a percibir la utilidad de la investigación consiste en llevar a ésta hasta el desarrollo tecnológico, porque en este caso se orienta hacia un producto. El desarrollo tecnológico, se considera más aceptable porque mientras el retorno de la inversión en investigación, especialmente la básica, no es totalmente tangible porque su incidencia en los bienes y servicios no se percibe por la población, lo que ésta percibe más claramente son los productos que utilizan día a día. Probablemente esta idea tiene relación con la aseveración, por cierto muy común en nuestro país, de que el conocer es teórico y el aplicar es práctico. Aceptando que se debe invertir, la pregunta es: ¿Se deben apoyar los proyectos de investigación básica o los de desarrollo tecnológico? Si los recursos no fueran tan limitados se podría invertir en ambos, pero el caso más frecuente en México es que esto no suceda. En general en los países desarrollados hay más recursos porque la investigación básica está financiada por el gobierno, mientras que el desarrollo tecnológico lo paga la industria. También hay casos en que la industria invierte desde investigación básica hasta desarrollo tecnológico, un ejemplo de esta situación es el transistor. Se requiere una cultura industrial especial para valorar la investigación desde su origen. En algunos países la industria ha convencido al gobierno de que éste debe pagar, al menos en parte, los costos del desarrollo tecnológico vía reducciones fiscales y aportaciones a fondo perdido. Antes de continuar es adecuado detenerse y revisar un par de ejemplos que ilustren el valor que tiene una inversión: • Un chip es un conjunto de transistores que efectúan alguna función electrónica, los hay en los televisores, en las computadoras, en los relojes y en un sinfín de dispositivos electrónicos. Se podría gastar una fortuna en desarrollo tecnológico, pero sería prácticamente imposible llegar a un producto sin tener conocimientos de física del estado sólido. Si no se tienen estos conocimientos 4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Editorial / Juan Antonio Aguilar Garib se debe invertir primero en obtenerlos, y luego en el desarrollo tecnológico. Aquí el costo de la materia prima es muy pequeño en comparación al precio del producto, así que el conocimiento es el que le ha dado un gran valor agregado al producto. • Otro ejemplo: Los desarrollos de Bohr fueron netamente teóricos. Si consideramos en su momento la utilidad del conocimiento que él generó, podríamos decir que era prácticamente inútil, solamente se trataba de amor al conocimiento. Si por otro lado consideramos a Edison, sus creaciones eran de gran utilidad, ya que facilitaban la vida, o al menos permitían la recreación. Su contribución al conocimiento no fue apreciable, pero sus inventos sí. Independientemente de que el desarrollo de componentes electrónicos que se utiliza ampliamente en la actualidad descansa en los cimientos dejados por Bohr, cuando se evalúa la percepción de utilidad que la población tiene de las ideas de Bohr, él sale perdiendo. REVALORIZANDO A LA INVESTIGACIÓN La investigación no es valorada por la sociedad en general hasta que se convierte en producto, y solamente a través de éste. Un ejemplo claro es el caso de Pasteur, en el que valoramos indirectamente su investigación a través del valor que damos a sus vacunas. No es difícil entender este ejemplo porque para la mayoría de las personas la salud tiene un lugar especial sobre las demás cosas y así la población está de acuerdo en que se asignen recursos en esta área. Tan es cierta esta situación que el gobierno siempre presenta este rubro a la gente como una de sus actividades y logros principales. Sin embargo, la concepción de beneficio que tiene la sociedad es inherente al área, y no ocurre lo mismo en otras, como en las ciencias exactas, en las que no se puede justificar en términos simples y de corto plazo su beneficio, y por eso se recurre a las comparaciones con países desarrollados utilizando el ya citado PIB como uno de los indicadores favoritos, pero que no tiene ningún significado para el común de la población. La dificultad para decidir en qué invertir surge del hecho de que la respuesta es múltiple, no es posible aplicar un modelo general que abarque todos los casos. Se requiere primero definir de qué área del conocimiento se está hablando, y considerar en qué etapa de evolución se encuentra ésta. Si se trata de un área en que la investigación básica ya se ha realizado y está disponible, ya sea comprándola o consultándola o en caso extremo es pública, se debe pasar directamente al desarrollo tecnológico. Ha habido propuestas en las que se considera invertir en ingeniería en reversa, pero la verdad no existe tal cosa sin los conocimientos, hasta nos pueden decir como lo hacen y no podremos hacerlo. Si el área que nos interesa desarrollar no tiene bases teóricas disponibles, ya sea porque es un secreto, o porque nadie lo ha hecho todavía o porque sus fundamentos son controversiales y aun no se han definido, entonces se tendrá que invertir desde el principio. JUSTIFICANDO LA INVESTIGACIÓN Dada la mayor atención que la comunidad presta a las decisiones que toma el gobierno, día a día será más frecuente que los programas que la población no Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 5 �Editorial / Juan Antonio Aguilar Garib considere útiles no sean apoyados. No todas las áreas gozan de la misma deferencia de parte de la comunidad, ya que los logros de algunas inciden en la sociedad de tal manera que aun los que no tienen ningún interés expreso, en la ciencia o en la investigación los aprecian. En general, las áreas que son más apreciadas por la población son aquellas en que su actividad se ve justificada, en algunas esto es más sencillo, como es el caso de la salud, y en otras muy complicado, como la física teórica. Todas tienen su utilidad, y de hecho observando los principios todas se apoyan mutuamente porque toda investigación tiene el mismo rigor y no existe el conocimiento aislado. Aquí surge la idea de que la población apreciaría más la importancia de la investigación si se difunden los logros utilizando un lenguaje accesible, que permita apreciar la utilidad actual o potencial de la investigación. Aun suponiendo que una investigación esta justificada y que será de alguna manera valorada, la situación no es sencilla, porque la percepción lo es todo, la población puede aceptar algo y luego rechazarlo cuando lo mira de otra perspectiva, como en el caso de aquellos que están a favor de la biotecnología pero en contra de la ingeniería genética. La médula de este asunto es que los investigadores suponen que su labor está autojustificada y por lo tanto consideran que hay una falta de comprensión por parte de la población, mientras ésta, por su lado, no alcanza a ver justificación alguna. Dado que la población tiene cada vez mayor influencia sobre las decisiones gubernamentales para la asignación de recursos a diferentes programas, se requiere asegurar que la gente perciba el beneficio que la investigación puede ofrecer. La justificación no vendrá hasta que los investigadores tomen acciones firmes que conduzcan a una educación social, la que permitirá que los logros de la investigación sean identificados para luego ser reconocidos y apoyados. Una de estas acciones es definitivamente la explicación de las tareas y logros de modo claro, atractivo y dirigido a la gente que no es especialista en el área. La población no está renuente a enterarse de los avances de la ciencia y la tecnología siempre y cuando estén en un lenguaje comprensible. Una prueba de ello es que en México se tienen una buena aceptación de las revistas extranjeras de divulgación científica en español, así como de los programas científicos de la televisión por cable. Se requiere intensificar esta labor pero con resultados de investigaciones mexicanas. Sería injusto decir que en México no se ha hecho nada a este respecto, pero no se hace lo suficiente, los programas de divulgación requieren promoverse considerando el mercado hacia el que van dirigidos, puede que ésta sea labor de productores y guionistas, pero la información que justifique a la investigación la deben proporcionar los responsables de los proyectos de investigación, y sobre todo: los investigadores, los tecnologos y los ingenieros deben ser una cara que informa a la gente, en lugar de cuestionar su capacidad de comprensión. 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Parámetros autoafines de las superficies de fractura en un vidrio opalino Leonardo Chávez Guerrero, Virgilio A. González González, Moisés Hinojosa Rivera Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL hinojosa@gama.fime.uanl.mx RESUMEN Se analiza el carácter autoafín de las superficies de fractura en muestras de vidrio ópalo con dos tamaños de partícula opacificante, que se fracturaron mediante flexión en tres puntos. Se obtuvieron perfiles de altura mediante microscopía de fuerza atómica en modo contacto. El análisis autoafín realizado por el método de ventanas de ancho variable mostró que el exponente de Hurst presenta un valor cercano a ζ ≈ 0.8 y que la longitud de correlación corresponde al tamaño de las partículas opacificantes. Estos resultados apoyan la hipótesis de la existencia de un valor atractor que gobierna la fractura autofín cuando la propagación de grietas ocurre a velocidades relativamente altas, asimismo se sustenta la hipótesis, basada en el modelo de líneas, de que la longitud de correlación debe ser proporcional al tamaño de las mayores heterogeneidades microestructurales. PALABRAS CLAVE Fractura, autoafinidad, exponente de Hurst, propagación de grietas. ABSTRACT We analyze the self-affine character of fracture surfaces obtained in threepoint bend tests of opal glass with opacifying particles of different sizes. Height profiles of the surfaces were obtained by atomic force microscopy in the contact mode and the self-affine analysis was performed by the variable bandwidth method. A value of 0.8 was obtained for the Hurst exponent and the correlation length was found to be related to the size of the opacifying particles. These results support the hypothesis stating that the fracture process has an attractor value for the Hurst exponent when crack propagation proceeds at relatively high velocities, the hypothesis stating that the correlation length should be of the order of the largest heterogeneities is also supported by our results. KEYWORDS Fracture, self-affinity, Hurst exponent, crack propagation. INTRODUCCIÓN La fractura de los materiales es una de las más importantes causas de pérdidas económicas en las sociedades industrializadas. En los Estados Unidos, según un Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 7 �Parámetros autoafines de las superficies de fractura en un vidrio opalino / Leonardo Chávez G., et al estudio del Departamento de Comercio que data de 1983, las fallas por fractura de materiales le cuestan a la sociedad aproximadamente el 4% del producto nacional bruto. A pesar de la gran importancia de este problema queda mucho por conocer acerca de la razón por la que algunas grietas son benignas, mientras que otras se propagan de manera catastrófica.1 Después de décadas de estudio mediante la fractografía convencional, que produjeron importantes avances, el surgimiento de la geometría fractal ha dado un nuevo impulso a la fractografía. Mandelbrot et al2 fueron los primeros en analizar cuantitativamente los aspectos fractales de las superficies de fractura de metales. Sus resultados, obtenidos sobre muestras de acero tratadas térmicamente fracturadas en ensayos de impacto, sugirieron una fuerte correlación entre la propiedad macroscópica de tenacidad y la dimensión fractal de la superficie de fractura. Esto provocó un gran entusiasmo en la comunidad científica y a partir de entonces se han obtenido grandes avances. Actualmente se reconoce que las superficies de fractura son objetos fractales naturales que manifiestan escalamiento anisotrópico.3 Los fractales matemáticos son autosimilares, pero las superficies de fractura solo son autosimilares estadísticamente, no es estrictamente correcto aplicar el concepto de dimensión fractal para ellas, por lo que su carácter fractal, o autoafín, se describe en términos de sus parámetros autoafines como el exponente de Hurst o exponente de rugosidad, ζ; y la longitud de correlación, ξ, que es el límite superior para el que se presenta el comportamiento autoafín. Uno de los mejores métodos para determinar el exponente de Hurst es el de ventanas de ancho variable,4 en el que un perfil de alturas se analiza determinando la función Zmax(r), dada por: Zmax(r) = < max{z(r’)}ro<r’<ro +r - min{z(r’)} ro <r’<ro+r > ro ∝ rζ donde r es el ancho de las ventanas móviles, Zmax(r) es la diferencia máxima de alturas z en la ventana, promediada sobre todos los posibles orígenes ro de la ventana. Mediante este método se puede determinar el exponente de Hurst y la longitud de correlación construyendo un gráfico log-log de Zmax(r) vs r. En la literatura se reporta el escalamiento de 8 las superficies de fractura de medios heterogéneos tridimensionales; se ha encontrado que para una variedad de materiales el exponente de rugosidad (o de Hurst) de sus superficies de fractura presenta un comportamiento invariante e independiente del tipo de material, de su microestructura, propiedades y modo de carga. De acuerdo al escenario actual,4-17 las superficies de fractura manifiestan exponentes de rugosidad que tienden a tomar dos valores: en condiciones cinéticas altas propias de ensayos de tensión, impacto y fatiga en régimen de París, el exponente tiende a un valor cercano a 0.8, mientras que para propagación lenta y en particular a escala nanométrica, el exponente se ha reportado en el orden de 0.5. Estos resultados se han obtenido en una variedad de materiales4-17 metálicos, cerámicos y, en menor escala, poliméricos. Es oportuno mencionar que se han realizado relativamente pocos trabajos intensivos en el área de materiales plásticos y compósitos, que sin embargo muestran aspectos de gran interés e importancia. También se ha demostrado que en medios bidimensionales, como en hojas de papel de celulosa y papel de aluminio, las trayectorias de propagación de grietas son autoafines y se encuentra buena correspondencia entre el valor del exponente de Hurst (2/3) que predicen los modelos con los valores experimentales. Es adecuado considerar que algunos autores cuestionan la existencia de valores “universales”, existiendo aún un cierto debate al respecto. En el llamado modelo de líneas, el frente de propagación se visualiza como una línea, que puede ser autoafín y que avanza a través de la microestructura, interactuando con los obstáculos u heterogeneidades de la misma, dejando tras de sí las superficies de fractura, es lógico suponer que el tamaño característico de las fluctuaciones de esta línea autoafín quede determinado por el tamaño de las mayores heterogeneidades relevantes, por lo que se espera que la longitud de correlación esté relacionada con el tamaño de estas heterogeneidades. Recientemente se ha reportado que la longitud de correlación de superficies de fractura de algunos materiales efectivamente está estrechamente correlacionada con la microestructura. Esto se ha reportado para materiales como superaleaciones de níquel,6 algunos materiales poliméricos con Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Parámetros autoafines de las superficies de fractura en un vidrio opalino / Leonardo Chávez G., et al esferulitas,15, 16 aleaciones de aluminio vaciadas7-10 y en papel de aluminio,5 entre otros. Este escenario, sin embargo, no es del todo claro y existen cuestionamientos que confirman la necesidad de indagar más a fondo estas cuestiones, aplicando nuevos conceptos propuestos como la mecánica de la fractura multifractal y el concepto de geometría cuántica.17 Los más recientes avances se concentran en los aspectos teóricos y muy especialmente en simulaciones cada vez más detalladas. Estas nuevas propuestas no pueden ser, sin embargo, totalmente validadas, en parte por una cierta carencia o rezago experimental. Como una contribución a este estado del arte, en el presente trabajo se reporta el análisis del escalamiento en el fenómeno de fractura en vidrio ópalo con dos tamaños de partículas opacificantes. EXPERIMENTACIÓN El material empleado consistió en muestras de vidrio ópalo con diferente tamaño de partículas opacificantes, obtenidas durante la fabricación Fig. 1. Los diagramas muestran la composición cualitativa de la partícula opacificante en (a) y de la matriz vítrea en (b) obtenida mediante EDX en el MEB. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 del vidrio por tratamiento térmico. Los tamaños promedio de partícula (0.78 µm y 3 µm) se determinaron mediante mediciones de microscopía de fuerza atómica. En la figura 1 se muestra la composición cualitativa del vidrio y las partículas opacificantes, obtenida mediante EDX en el MEB. Se emplearon cilindros de 100 mm de longitud y 3 mm de diámetro, que fueron sometidas a ensayos de flexión en tres puntos. El análisis fractográfico se realizó mediante microscopía electrónica de barrido (MEB). Para el análisis fractométrico se utilizó el Microscopio de Fuerza Atómica (MFA) en modo de contacto con frecuencias de barrido de 0.8 y 1 Hertz. Se obtuvieron imágenes tridimensionales con tamaños de barrido de hasta 60 x 60 µm con resolución de 512 x 512 pixeles, a partir de dichas imágenes se extrajeron perfiles de alturas a escalas nanométricas. El análisis autoafín se realizó mediante el método de ventanas de ancho variable descrito anteriormente. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El estudio fractográfico reveló que en las regiones de inicio de las fallas, las superficies de fractura muestran las 3 zonas características de un material frágil y amorfo como el vidrio, las cuales son la zona espejo, difusa y fibrosa, como se observa en la figura 2. Fig. 2. Imagen obtenida mediante MEB en la modalidad de electrones secundarios que muestra las zonas características de la fractura del vidrio ópalo, en este caso corresponde a la muestra con partícula pequeña. 9 �Parámetros autoafines de las superficies de fractura en un vidrio opalino / Leonardo Chávez G., et al En la figura 3 se aprecia que debido al choque del frente de grieta con la partícula se genera una marca o “escalón”, mediante esta marca se puede saber la dirección que tenía el frente de grieta al interactuar con la heterogeneidad, que en este caso es la partícula opacificante, lo cual es de gran ayuda para localizar el origen de la falla, ya que trazando una línea en sentido contrario al frente de grieta pero en la misma dirección de las marcas se encontrará el origen de ésta. flechas indican las partículas opacificantes y también la dirección del frente de grieta al propagarse a través del material. En la figura 5 se muestra evidencia de la interacción de las heterogeneidades con el frente de grieta y se muestran de manera específica los perfiles correspondientes una partícula opacificante. Se observa en los perfiles de la figura que las regiones delimitadas por líneas verticales corresponden al rectángulo sobre la imagen de la misma figura, donde en el perfil (A) aparece una región amorfa antes de llegar a la partícula; en el perfil (B), correspondiente a la interacción de la grieta con la partícula opacificante, inmediatamente después se aprecia la aparición de un “escalón”, esto se presenta en todas las partículas que interactúan con el frente de grieta, por lo que se puede decir que este comportamiento se convierte en una “regla”; en el perfil (C) el escalón continúa creciendo y en el perfil (D) llega a su altura máxima y de ahí en adelante inicia su disminución hasta hacerse plano nuevamente. Fig. 3. Imagen de la zona “fibrosa” que corresponde al vidrio ópalo de partícula pequeña, se muestran las fibras mediante las flechas de mayor tamaño y las partículas opacificantes mediante las flechas pequeñas. La figura 4 muestra una imagen de la muestra con partícula grande donde se logra apreciar nuevamente la generación de la marca o “escalón” resultado de la interacción del frente de grieta con la partícula. Las Fig. 4. Imagen de la zona “fibrosa” en el vidrio ópalo de partícula grande. Las flechas indican las partículas y la dirección del frente de propagación. 10 Fig. 5. Perfiles que muestran la formación de un “escalón”, en el vidrio ópalo de partícula grande. El perfil (A) corresponde a una zona amorfa, el perfil (B) está trazado sobre la partícula mientras que en los perfiles (C) y (D) se muestra la forma del escalón formado por la interacción de la partícula con el frente de grieta. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Parámetros autoafines de las superficies de fractura en un vidrio opalino / Leonardo Chávez G., et al Es importante hacer énfasis en este fenómeno, ya que se ha reportado anteriormente en trabajos similares con enfoques diferentes en la propagación de grietas de materiales amorfos con heterogeneidades cristalinas. En la figura 6 se observa una partícula opacificante aislada que pertenece a una muestra de partícula pequeña, en esta imagen se representa la formación de escalones así como su morfología. Fig. 7. Curvas de autoafinidad para el vidrio con partícula opacificante pequeña que muestra un ζ ≈ 0.8 y una ξ ≈ 0.78 µm. Las dos gráficas corresponden a imágenes obtenidas en la zona “espejo”. escalamiento autoafin en un regimen de escala cuyo límite, o longitud de correlación, es cercano a 0.8 µm, que corresponde tamaño característico de las partículas opacificantes (0.78 µm), con esto se corrobora que el valor de la longitud de correlación está ligado a los tamaños de las máximas heterogeneidades presentes en el material. En la figura 8 se muestran dos curvas de la misma pendiente y longitud de correlación pero con diferentes valores característicos de Zmax, lo cual induce a pensar que la generación de las superficies de fractura presentan un carácter universal para materiales del mismo tipo. Fig. 6. Partícula opacificante aislada que corresponde al vidrio de partícula pequeña, donde se muestra la morfología de la interacción del frente de grieta con la heterogeneidad. ANÁLISIS DE AUTOAFINIDAD A continuación se presentan y discuten las curvas de autoafinidad que determinan el carácter autoafín de la superficie de fractura. Mediante el método de ventana de ancho variable se construyeron las curvas de autoafinidad presentadas en la figura 7, se obtiene una pendiente o exponente de “Hurst” ζ ≈ 0.8, estas gráficas se construyeron con imágenes extraídas de la zona espejo en el vidrio de partícula pequeña. Al observar las gráficas se comprueba que la superficie de fractura del vidrio ópalo manifiesta Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 Fig. 8. Curva de autoafinidad para el vidrio con partícula opacificante grande, la cual muestra un ζ ≈ 0.82 y una ξ ≈ 3µm. Las dos gráficas corresponden a imágenes tomadas en la zona “espejo”. 11 �Parámetros autoafines de las superficies de fractura en un vidrio opalino / Leonardo Chávez G., et al Por ejemplo, se pueden tener representadas las curvas de autoafinidad de las superficies de fractura de diversos materiales que muestran las tres zonas características (espejo, difusa y fibrosa) y todas estarían distribuidas dentro de la gráfica de autoafinidad con diferentes alturas Zmax características, pero con el mismo exponente de rugosidad. En la figura 8 se comprueba de nuevo que la longitud de correlación con un valor de ξ =3µm corresponde con el tamaño de partícula opacificante, el valor del exponente de Hurst es ζ ≈ 0.82, las imágenes para construir la gráfica fueron extraídas de la zona “espejo” en el vidrio con partícula grande. CONSIDERACIONES FINALES Adicionalmente, el empleo de distintas técnicas experimentales, como MFA, MEB, microscopía óptica y digitalizadores ópticos ha permitido realizar el estudio fractométrico y autoafín bajo un enfoque multiescalar, cubriendo longitudes de análisis desde el orden de nanómetros hasta algunos milímetros. Esto hace que los resultados que se muestran sean de un elevado interés y potencial aplicación en la construcción y validación de modelos multiescalares como los que están desarrollando distintos grupos de investigación en el mundo. Una observación importante es que el carácter autoafín de las superficies de fractura estudiadas se extiende en las escalas pequeñas hasta valores menores a un nanómetro, corroborando resultados similares obtenidos en una amplia variedad de materiales, incluyendo superficies de clivaje que se han estudiado a resolución atómica,18 esto sugiere que el origen de la fractura en toda clase de materiales, así como su carácter autoafín, se encuentra en las escalas subnanométricas en las que los efectos cuánticos son dominantes. Comprender el origen de este fenómeno y sus manifestaciones en las escalas más pequeñas, sin perder de vista las consecuencias que se reflejan en escalas mayores, podría tener implicaciones en la nanociencia y la nanotecnología, sobretodo considerando los resultados recientes que reportan desviaciones en el comportamiento mecánico de nanoestructuras respecto del que predice la teoría de Griffith.19 Estudios como el aquí presentado pueden auxiliar a resolver paulatinamente los conflictos que se generan al extrapolar resultados particulares para 12 determinadas longitudes de análisis en otras regiones de escala donde un enfoque generalista y multiescalar puede proporcionar respuestas precisas. CONCLUSIONES Las superficies de fractura del vidrio ópalo, obtenidas por flexión en tres puntos, muestran escalamiento autoafín con exponente de rugosidad cercano al valor de 0.8, independientemente del tamaño de las partículas opacificantes. La longitud de correlación sí se encuentra dependiente de la microestructura, correspondiendo al tamaño de las partículas opacificantes. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue posible gracias al apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) a través del proyecto 38873-U, así como de la UANL a través del Programa PAICYT. Igualmente se agradece el constante apoyo de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. REFERENCIAS 1. Mark Eberhart, Scientific American, pp. 44-51, octubre 1999. 2. B.B. Mandelbrot, Passoja, Paullay, Nature Vol 308 19 April 1984, p. 721. 3. E. Bouchaud, J. Phys.:Condens. Matter 9 (1997) 4319-4344. 4. González V., Chacón O., Hinojosa M, Guerrero C., Fractals, Vol. 10, pp. 373-386, 2002 5. Guerrero Dib X. E., Tesis de Maestría de la Universidad Autónoma de Nuevo León, 2001. 6. Hinojosa M., Bouchaud E., Nghiem B., Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol. 539, pp. 203-208, 1999. 7. M. Hinojosa, J. Aldaco, U. Ortiz and J.A. González, Euromat 2000, pp. 1469-1474 8. E. I. Morales, Tesis de maestría, UANL, 2002. 9. Hinojosa M. and Aldaco J., J. Mat. Res. 2002; 17: 2002 10. Hinojosa M., Aldaco J., Ortiz U. and González V., Alum. Trans. 2000; 3: 53 11. Bouchaud E., Lapasset G., Planès J., Europhys. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Parámetros autoafines de las superficies de fractura en un vidrio opalino / Leonardo Chávez G., et al Lett, Vol. 13, pp. 73, 1990. 12. Måløy K., Hansen A., Hinrichsen E. L., Roux S., Phys. Rev. Lett., Vol. 68, pp. 213, 1992. 13. Daguier P., Henaux S., Bouchaud E., Creuzet F., Phys. Rev. E, Vol. 53, pp. 5637-5642, 1996. 14. Bouchaud E., Bouchaud J.-P., Phys. Rev. B, Vol. 50, pp. 17 752, 1994. 15. E. Reyes, C. Guerrero, V. González y M. Hinojosa, MRS Symp. Proc. Vol. 578, pp. 357361, 2000 16. Guerrero C.; Reyes E.; González V. Polymer 43 (2002), , 6683-6693 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 17. J.K. West, J.J. Mecholsky, L. L. Hench, The application of fractal and quantum geometry to brittle fracture, Journal of Non-Crystalline Solids 260 (1999) 99-108 18. E. López, Análisis microestructural de cerámicos utilizando microscopía de fuerza atómica, tesis de maestría, UANL, mayo 1998. 19. Gao, Jager, Artz, Fratz, “Materials Become Insensitive to Flaws at Nanoscale: Lessons from Nature”, Proc. National Academy of Sciences, Mao 13, 2003, vol. 100, No. 10, 5595-5600. 13 �Orígenes de la ciencia y la tecnología en Nuevo León Roberto Rebolloso Gallardo Facultad de Filosofía y Letras, UANL roberto.rebolloso@filosofia.uanl.mx RESUMEN En este artículo se ofrece una mirada retrospectiva de la propagación de los conceptos científicos y tecnológicos en el estado de Nuevo León, México, bajo la óptica no sólo desde la historia, sino también de la sociología de las instituciones científicas y culturales, con la intención de situar la industrialización en el noreste de México, frente a otros contextos nacionales e internacionales. PALABRAS CLAVE: Ciencia, tecnología, investigación, instituciones, UANL. Logo de la UNL ABSTRACT In this article, a retrospective glance of the propagation of the scientific and technological concepts in the state of Nuevo Leon, Mexico, is offered not only form the historical point of view, but also considering the sociological aspect of the scientific and cultural institutions, with the purpose of locating industrialization in the northeast of Mexico regarding to other national and international contexts. KEYWORDS: Science, technology, research, institutions, UANL. La ciencia y la tecnología nunca están limitadas al contexto local. En el caso de México. depende primeramente del impacto europeo y, con una escala casi despreciable, en segundo lugar del desarrollo nacional. A pesar de las limitadas comunicaciones del siglo XVIII y XIX, la influencia de los avances científicos en el escenario mundial se dejan sentir en Nuevo León con el establecimiento de instituciones y la llegada de personajes como: el obispo Ambrosio Llanos y Valdez, el Hospital del Rosario, la primera cátedra de medicina, el Dr. Pascual Constanza, la llegada a Monterrey del Dr. José Eleuterio González, el establecimiento del Colegio Civil; la formación de sociedades científicas como: la sociedad científico literaria y la sociedad astronómica. Es así como la ciencia florece al correr de los años. Estas influencias vendrían a generar las condiciones para el florecimiento industrial de la región y como requisito del mismo, a la posterior formación de las instituciones de educación superior. En el caso de Nuevo León se aplica el modelo de Basalla (1967) quien sostiene que la propagación del conocimiento científico y tecnológico en la época 14 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Orígenes de la ciencia y la tecnología en Nuevo León / Roberto Rebolloso Gallardo colonial, y posteriormente, estaba supeditado a los desarrollos en los centros de conocimiento europeos, y la propagación era considerado parte del proceso de colonización. Este ensayo se centra en el interés por descubrir cuáles son las evidencias científicas que están en el trasfondo de la industrialización en el estado de Nuevo León, México. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA EN NUEVO LEÓN Principales tendencias filosóficas del siglo XIX Antes de iniciar con la evolución científica, quisiera considerar cuáles eran las tendencias filosóficas más relevantes en el siglo XIX. La filosofía Escolástica También llamada escolástica, se refiere a un sistema filosófico cuyas características principales son la subordinación de la filosofía a las teologías, el respeto a la tradición y sigue un método en el que se obtienen conclusiones de un tema a partir de explicar lo que se supone de él con pros y contras. En el caso de México llegan dos líneas de pensamiento escolástico, por un lado la línea franciscana con Duns Scoto a la cabeza y por el otro lado la línea jesuita que estaba más cercana al dominio de la razón. Enciclopedismo francés Tiene su origen en la obra L’Encyclopédie de Denis Diderot (1713-1784) con el afán de divulgar el saber científico. En el fondo se trata de aclarar las cosas y disolver el error. Refleja el ambiente de la época, además de un odio extremo al cristianismo. Se puede decir que es la base teórica de la Revolución Francesa. El despotismo ilustrado hispano De acuerdo con José Miranda (1962) el despotismo fue una de las corrientes más influyentes en Nueva España. Este sistema promovido por Carlos III, era una cultura refinada protectora de las artes, pero limitada su influencia a una pequeña minoría y con poco interés de que llegara a las masas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 La filosofía moderna o física experimental Este nuevo tipo de saber rompe con el esquema tradicional del conocimiento medieval, gracias a un nuevo paradigma: la ciencia físico-matemática. En este sentido la naturaleza puede ser conocida con mayor profundidad gracias al giro experimental que tomó la ciencia gracias a Galileo, Descartes, Francis Bacon, Thomas Hobbes (1588-1679) y John Locke (1632-1704). El liberalismo económico Según Charles A. Hale el liberalismo floreció en México a partir de 1830 como una reacción a las corporaciones privilegiadas. Este se derivó de Helvetius (1715-1771) y Bertham, quienes proponían que los propios individuos buscaran en su utilidad la razón de su existir. En el fondo “el rasgo distintivo del liberalismo mexicano, según el mismo Hale fué el predominio de un Estado fuerte en el sector político apoyado de un régimen económico de individualismo sin trabas” (Hale 1972:310). Positivismo Se inicia con Augusto Comte (1798-1857) en su Cours de Philosophie positive’. Aquí lo más importante del saber lo constituyen los hechos comprobables, por lo que la ciencia depende de la observación exacta. Su influencia se da en casi toda la ciencia y en la filosofía moderna. En Inglaterra sus principales representantes son John Stuart Mill (1806-1873) y Herbert Spencer (1820-1903). En México su mejor difusor es Gabino Barreda, quien introduce el positivismo en México, particularmente en la Escuela Nacional Preparatoria en 1867, Augusto Comte (1798-1857) 15 �Orígenes de la ciencia y la tecnología en Nuevo León / Roberto Rebolloso Gallardo corriente a la que naturalmente El Colegio Civil se incorpora y que años más tarde es criticada por las ideas del Ateneo de la Juventud. Abelardo Villegas desarrolla un excelente capítulo sobre el asunto (Villegas, 1993, 36-59). Francisco Ruíz Solís en su artículo “Apuntes para la historia del pensamiento científico de Nuevo Léon” (1993) ensaya una cronología, primera en su género, de los intelectuales y científicos de estas épocas hasta el presente, por lo que a finales del siglo XIX se concentra en desglosar el papel que tiene el positivismo y su impacto en el contexto educativo. Bien sabemos que el Positivismo en México ha sido ampliamente estudiado por Leopoldo Zea (1968) y ha sido una tendencia filosófica que ha influenciado a intelectuales y científicos desde la segunda mitad del siglo XIX hasta años recientes. Para entender esta tendencia en el caso de Nuevo León es necesario revisar autores clásicos como Rafael Garza Cantú autor de Algunos Apuntes Acerca de las Letras y la Cultura de Nuevo León (1910). Este autor expone de manera erudita y enciclopédica lo que había sido el desarrollo de la cultura en los últimos 100 años, fincando su atención en los poetas y prosistas, por lo que deja de lado la producción científica. Evolucionismo A finales del siglo XIX se puede encontrar una incipiente corriente filosófica que cobraba auge con la publicación de El Origen de las especies de Carlos Darwin (1809-1882) en 1859. Fue tanto el éxito que para 1876 ya se habían vendido 16,000 ejemplares tan sólo en Inglaterra. Obra traducida al español en 1876 empieza a ser introducido en la enseñanza de las ciencias en el Colegio Civil, según se puede descubrir en las publicaciones de la época. (Tabla I). LAS PRIMERAS INSTITUCIONES ACADÉMICAS El Colegio Seminario Las diferentes monografías sobre la historia de Nuevo León señalan como la primera institución formativa cultural al Real y Tridentino Colegio Seminario de Monterrey, institución académica fundada por Andrés Ambrosio de Llanos y Valdés en 1792 según lo señalan algunos autores (Tapia Méndez, 1976: 58). Lugar donde se enseñaba latín, 16 Tabla I Principales tendencias filosóficas Años dominantes Escolástica tradicional o filosofía peripatética 1745-1775 Despotismo ilustrado español 1768-1789 Enciclopedismo 1775-1800 Filosofía moderna o física experimental 1780 Liberalismo económico 1830-1853 Positivismo 1867-1910 Evolucionismo 1879 retórica, aritmética, álgebra, filosofía, derecho canónico y civil; además de tener el monopolio de la enseñanza, Flores de Nuncio señala que “Al impulso que significó el Seminario Tridentino para la cultura en el Nuevo Reino de León, no fueron ajenas las nuevas ideas de la ilustración y el Enciclopedismo”. (1993:25) Es importante apuntar que su biblioteca es la mejor evidencia de un trabajo académico incipiente. El modelo educativo naturalmente estaba centrado en la enseñanza de una filosofía escolástica, donde se vetaban o rechazaban avances científicos que se daban por ese tiempo en Europa y que por consecuencia vienen a impactar años más tarde según lo confirman algunos estudiosos de la época (Fortes, 1991:20; Miranda, 1962). Actual Casa del Campesino, edificación que albergó al Hospital de Nuestra Señora del Rosario (1793-1853). Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Orígenes de la ciencia y la tecnología en Nuevo León / Roberto Rebolloso Gallardo La fundación del hospital del Rosario en 1793 es de enorme trascendencia para el desarrollo de la medicina en el norte de México (Muriel, 1991: 211 y 55). José María Parás, gobernador de Nuevo León, establece la primera cátedra de medicina en l826. “El 27 de febrero de 1826, en Decreto provisional número 73 quedó autorizada la fundación de una escuela Médico-Quirúrgica en Monterrey” (Aguirre Pequeño, 1944: 12). Sin embargo, ésta se da hasta dos años más tarde al ser contratado el Dr. Pascual Constanza, quien resulta ser un problema por su falta de seriedad en la enseñanza de la medicina según relata Martínez Cárdenas (l989: 29-31). Aunque en palabras de David Alberto Cossio “El proceso científico de más importancia dado en Nuevo León, en medio de una vida azarosa de escasez y de guerra, fue indudablemente el establecimiento de la cátedra médico-quirúrgica, del Dr. Pascual Constanza. Puede verse, en voluminoso expediente del año de 1829, todo lo relativo al proyecto de fundación y sus dependencias, consistentes en una huerta botánica, un Anfiteatro Anatómico, y una Sala Clínica”. (Aguirre Pequeño, 1944:15). Se puede afirmar, sin lugar a dudas, que el Dr. José Eleuterio González es quien viene a ser realmente el primer enseñante de las ciencias médicas y farmacéuticas, además de ser un excelente cirujano. Aquí cabe señalar que Gonzalitos había sido formado incialmente en la tradición científica del occidente de México, por lo que es fácil vincularlo a otro científico de igual calibre: Leonardo Oliva de Guadalajara. (Kumate, 1984: 363). Con la llegada de Gonzalitos y otros médicos se inicia propiamente el desarrollo de la medicina como entidad científica, ya que anteriormente los ciudadanos norestenses, estaban en su mayoría expuestos a curanderos y charlatanes. En ese sentido la creación de la cátedra de farmacia impulsó la creación de boticas hacia l866. De hecho, Martínez Cárdenas asienta en su libro (pp. 46 y 47), 12 boticas reconocidas por el Estado. La importancia de señalar las boticas como evidencia de la ciencia en Nuevo León es importante por las siguientes razones: • Las boticas, así como las apotecas, eran centros de Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 acopio de substancias y materiales médicos que ayudaban a mejorar la salud de la gente. • El uso de la herbolaria tradicional o medicamentos tradicionales de la región ayudan al desarrollo de la medicina sujeta a prueba y error en términos médicos. • Como centros de experimentación de nuevos medicamentos aparecidos en otras latitudes. El Colegio Civil Gerardo de León señala como año de fundación el año 1857 (1990: 54) Esta institución fue el punto de arranque de la educación científica, gracias a la visión de un personaje tan determinante en la cultura de Nuevo León como fue el Dr. José Eleuterio González, lo que nos lleva a considerar que Monterrey para ese momento ya tiene un clima científico, por lo que esta institución académica viene a llenar un vacío y además, sin sustituirlas, abre una puerta a otras corrientes de pensamiento diferentes a las enseñadas en el Colegio Seminario (donde sólo se enseñaba la escolástica). Además de las cátedras de filosofía, psicología, lógica, metafísica, filosofía moral y francés, se ofrecían cursos de medicina operatoria y obstetricia, anatomía, fisiología, física, farmacia y botánica. Entre los profesores cabe destacar particularmente al Dr. José Eleuterio González, al Dr. Ignacio Garza García, al Lic. Juan N. de la Garza y Evia, Manuel Ma. de la Garza. Aquí cabe resaltar el importante papel que juega el Lic. Don José de Jesús Dávila y Prieto (Rangel Frías, 1984:13). Colegio Civil a principios del siglo XX. 17 �Orígenes de la ciencia y la tecnología en Nuevo León / Roberto Rebolloso Gallardo Quizá la enseñanza de la medicina sentó las bases para que la corriente de moda, el positivismo, poco a poco se impusiera sobre la escolástica, además de considerar el conocimiento experimental como la nueva forma de explicación de todo; el modelo de enseñanza probado fue el ofrecido por el Colegio de Minería que había empezado en la ciudad de México en 1792 (Izquierdo, 1958: 8). El Colegio Civil y la evidencia científica A la par de sus cátedras, la biblioteca del Colegio se integra con los fondos del antiguo seminario en especial los de derecho y medicina. Sin embargo, la evidencia en torno al contenido de su acervo sigue siendo muy pobre en sus primeros años (Flores, 1993: 38). LA BIBLIOTECA Israel Cavazos Garza, en su capítulo titulado: Algunas Dependencias del Colegio señala con respecto a la biblioteca lo siguiente: “Desde sus orígenes la tiene el Colegio, aunque modestísima. En 1879, el cuerpo de Celadores del Contrarresguardo hace donación de 100 pesos para adquisición de libros. Doña Rafaela Dávila de Garza García, dona en l878 los 25 volúmenes de la Encyclographie des sciences medicales. En l891, cuenta ya con 279 obras. De éstas 120 en castellano y el resto en inglés, francés y latín. Siete años más tarde, tiene un presupuesto de 250 pesos anuales para compra de libros” (Cavazos. 1994:99). Los instrumentos científicos Más adelante Cavazos apunta que en abril de l881 se gestiona la adquisición de un gabinete de física y un laboratorio de química siendo gobernador Don Viviano Villarreal. Entre los aparatos científicos que llegan se encuentra “el aparato de Faraday, el sacarímetro de Soleil, el espectroscopio, los espejos ustorios, el evaporímetro, el huevo eléctrico, el termomultiplicador, las balanzas de precisión y el microscopio” (Cavazos, 1957: 100). Por otro lado Rangel Frías al hablar de la creación de los Laboratorios de Física y Química señala lo siguiente: “En este año de 1880 fue encontrado, en la congregación de San Jerónimo, un telescopio 18 que perteneció al lote de aparatos que destinados al colegio, fueron pedidos a la ciudad de México por Don Santiago Vidaurri” (Rangel 1931/l984: 19). En l885, según Cavazos, se recibe un equipo de telegrafía (Cavazos, 1957: 100). En 1893 bajo la dirección del Dr. Pedro Noriega se creó un gabinete de bacteriología (Rangel Frías 1931/1984: 22). Hacia 1896 se funda el primer laboratorio antirrábico en el Hospital Civil (Salinas Cantú, 1988). En l904 se compra un gabinete de fotografía para uso de las clases de cosmografía (Cavazos, 1957:101). EL MUSEO DE HISTORIA NATURAL Otro elemento que es importante señalar en este contexto científico es la creación del Museo de Historia Natural, el cual se inaugura el 5 de mayo de l889, aunque Rangel Frías señala el año de 1887. De esto, Cavazos destaca que “Sólo la sección de mineralogía, llega a tener, en 1898, 2,147 piezas, en diez vitrinas especiales” (Cavazos, l957: 101). EL OBSERVATORIO ASTRONÓMICO El trabajo en el observatorio tiene una larga trayectoria desde l887 y hacia 1901 se incorporó a la Red Metereológica de la República (Rangel Frías, l931/l984:23). Según los últimos datos obtenidos, se encuentra funcionando hasta l944 como se anota en la misma obra. Entre los instrumentos que a). b). a).-Espectroscopio antiguo usado para estudiar la composición química de sustancias y b).“Huevo eléctrico”, aparato destinado a estudiar las descargas eléctricas entre conductores. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Orígenes de la ciencia y la tecnología en Nuevo León / Roberto Rebolloso Gallardo menciona sólo aparece el pluviómetro, aunque el observatorio estaba dedicado a proporcionar datos sobre temperatura, presión y humedad (Cavazos, l957:102). Sin embargo, en las Memorias de Nemesio García Naranjo en el segundo tomo dedicado a “los Recuerdos del Colegio Civil” publicado en el año de l957 por los Talleres de “El Porvenir” hace un recuento del estado científico del Colegio, gracias a la visita de un funcionario público que pidió le mostrara las instalaciones, y ya en el recorrido, el mismo Nemesio después de mostrar la biblioteca con sólo dos estantes de libros, relata lo siguiente: “Tenemos, señor, un gabinete de Física, un Laboratorio de Química, un Museo de Historia Natural y un Observatorio Meteorológico, pero temo señor que vaya usted a encontrar muy pobres nuestros equipos. Vamos a verlos -me dijo, levantándose de su asiento y yo le fuí llevando por los departamentos mencionados, que le produjeron una impresión deplorable. Los aparatos de Física le parecieron adecuados para una escuela elemental: llamó al Laboratorio de Química un amontonamiento de botes sin importancia. Cada alumno -me dijo- debería tener su mesa especial, y hacer individualmente sus experiencias; y aquí por lo que veo, el profesor es el único que experimenta, y los discípulos se limitan a ver. ¡Así no se estudia Química en una escuela superior! El Museo de Historia Natural y el Tabla II. Instituciones Científicas Principales sociedades Fecha de fundación Miembros fundadores Florencio M. del Castillo 1878 Enrique Gorostieta, Ricardo M. Cellard y Adolfo Duclos Salinas Liceo Dr. Mier 1878 Sin nombre (6) 1896 Sociedad Científico-Literaria (1) (4) 1899 Dr. José Eleuterio González (5) Antonio Morales, Felipe Guerra Castro, Hector Lozano, Osvaldo Sánchez y Lorenzo Palau Santiago Roel Melo, Héctor González, Joel Rocha y Fortunato Lozano Sociedad Científico-Literaria RENACIMIENTO (2) 1900-1904 La Sociedad Astronómica (7) 1906-1910 María Luisa Treviño Sada Junta Arqueófila de Nuevo León 1910 Protasio Cadena Sociedad José Eleuterio González 1912 Héctor González, Enrique Fernández Ledezma, Enrique T. Westrup y Eusebio de la Cueva Dr. Pedro Noriega (4) 1914 Dr. Cliserio Meza Rodríguez y Adán Velarde Ing. Francisco Beltrán 1928 Genaro Salinas Quiroga Ateneo Nacional de Ciencias y Arte, Sección regiomontana (3) 1937 David Alberto Cossio Sociedad Nuevoleonesa de Historia, Geografía y Estadística 17 de mayo 1942 Timoteo I. Hernández, Santiago Roel Melo, Apolinar Núñez de León, Humberto Buentello Chapa y Héctor González Fuente: (1)Salinas Quiroga p. 243; 540. (2) Salinas Quiroga p. 227. (3) Salinas Quiroga p. 239; 541. (4) Garza Cantú p. 340. (5) Rangel Frías, 1984 p. 29. (6)* Salinas Quiroga; Rangel Frías, ambos autores no señalan nombre alguno. (7) MIR, 1948 p. 364-365 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 19 �Orígenes de la ciencia y la tecnología en Nuevo León / Roberto Rebolloso Gallardo Observatorio Meterológico le parecieron peores, y así por el estilo, despectivamente y con descarnada franqueza, se expresó del Colegio Civil. (García Naranjo, 1957: 216-217)”. De este modo García Naranjo nos expresa cincuenta años después lo que sucedía a finales del siglo XIX en la institución educativa más importante del Norte de México. Por lo que la ciencia estaba en un proceso de continua repetición y casi nada de investigación experimental. Por otro lado habría que considerar el profesorado con que contaba la institución en el ocaso del siglo XIX y principios del XX, el cual es descrito en sus Memorias por el mismo García Naranjo. En el cuerpo académico destacan, gente de las profesiones liberales (jurisprudencia, medicina, ingeniería o farmacia). Las asignaturas básicas que se enseñaban: trigonometría, cosmografía, literatura, raíces griegas y latinas, dejaban poco espacio para el manejo experimental de otras disciplinas como la física, la botánica y la mísma química. El Dr. Daniel Mir, en su libro Monterrey habla entrevista al Dr. Atanasio Carrillo, médico de larga trayectoria, quien expone sus impresiones sobre el desarrollo de la medicina: “El desarrollo de la Ciencia Médica en el Estado a datar de la época en que yo intervine en ella, en l888, ha sido notable sobre todo por la aplicación del numeroso y notable material de investigación para el conocimiento de las causas y efectos reales que intervienen en las diversas dolencias o enfermedades que atacan al organismo humano. El maravilloso arsenal de instrumentos y aparatos, de sustancias y compuestos químico-biológicos que el arte ha puesto en manos del actual profesionista, han hecho su lucha en contra de la enfermedad más eficaz y ventajosa. Mi modesta aportación a la Ciencia Médica en el transcurso de mi vida profesional ha sido: el profesorado en la Escuela de Medicina, por cerca de treinta y cinco años, dando clase en distintos períodos, de todas la materias que comprenden el programa de estudios para optar al título profesional. Algunos trabajos científicos, presentados en Congresos Médicos, unos, y otros por encargo del Gobierno del Estado, como el de la Historia 20 Hospital Civil José Eleuterio González, 1892. documentada de la Epidemia de Fiebre Amarilla que invadió a Monterrey en el año de l903. Fundador y miembro de casi todas las sociedades de Medicina, que se han organizado en Monterrey en algo más de medio siglo. Mi cooperación en la formación de Leyes y reglamentos que sobre Medicina e Higiene públicas se ha expedido en el Estado, antes del año l922, como Miembro del Consejo Superior de Instrucción Pública, etc. (Mir, 1948:288)”. SOCIEDADES CIENTÍFICAS Un término aplicado a las organizaciones formales en las que se incorpora la actividad científica de acuerdo con la tradición científica de otros países como Francia (Academie de Sciences), Inglaterra (Royal Society) y Estados Unidos de América; las instituciones científicas eran las que difundían la ciencia, además de ser los nodos que facilitaban la comunicación entre científicos. En México hasta después de la Reforma se fundan institutos y sociedades científicas, por ejemplo, la Sociedad Científica Humboldt fundada en 1862 (Fortes, 1991:20). No es así para nuestro caso donde más bien parecían clubes de amigos interesados en asuntos científicos, además de su corta duración. El modelo de sociedad que se funda en México tiene semejanza al Ateneo científico, literario y artístico de Madrid (1885) donde se combinaba la ciencia con la creación literaria y artística (Villacorta, 1985). En realidad, la primera institución científica parece haber sido fundada en 1865. En la tabla II se hace una relación de las principales sociedades científicas en Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Orígenes de la ciencia y la tecnología en Nuevo León / Roberto Rebolloso Gallardo Monterrey de 1878 a 1942 de acuerdo a diferentes fuentes documentales. CIENCIA Y TECNOLOGÍA EN NUEVO LEÓN La industria minera y textil La industria del siglo XIX no ofrece datos de desarrollo científico, dado que por lo general la industria minera, agrícola, textil e industrial dependían absolutamente de la tecnología adquirida en Europa y Estados Unidos. Oscar Flores Torres hablando de la industria minera en el siglo XIX señala lo siguiente: “ya para esos años, Nuevo León tenía haciendas de Beneficio (primitivas fundiciones) conforme a los mejores y más modernos métodos de fundición: los principales eran dos: la denominada El Progreso en Santa Catarina a pocos kilómetros de la ciudad de Monterrey; y la de San Pedro a poca distancia del Sur. La primera tenía seis y la segunda cuatro hornos de patente alemana con máquinas hidráulicas de soplo. En todas ellas se procuraba afinar el metal, para aprovechar la plata que pudiese tener. La primera seguiría el método más moderno hasta entonces, el sistema pattison (Flores, l988:84)”. Por otro lado, en el sector textil se puede encontrar una referencia semejante en Marroni, quien estudia los orígenes de la sociedad industrial de Coahuila y donde apunta lo siguiente con respecto a la fábrica de la Buena Fé: “La maquinaria es de la más moderna, construida en Inglaterra: están montados trescientos telares y sus correspondientes aparatos de preparación e hilados; y se están preparando doscientos telares más, cuya instalación quedará terminada para fin...” (Flores l992: 70). Adaptación tecnológica El trabajo de Juan Ignacio Barragán “Empresarios del norte e importación de tecnología a principios del siglo XX” es muy elocuente en este sentido ya que establece las modalidades utilizadas por un grupo empresarial para la adquisición de tecnología: exposiciones industriales, viajes de negocios, redes de contactos de negocios. Lo anterior nos lleva a considerar que el desarrollo científico y tecnológico es más bien resultado de adaptación de tecnologías Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 existentes en otras latitudes y muy poca o casi nada de generación de tecnología a nivel local (Barragán l993:9-21). Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” La Escuela Álvaro Obregón fue fundada el 4 de Octubre de l930 por iniciativa del Gobernador del Estado Lic. Aarón Sáenz Garza. Esta Escuela fue apoyada por representantes de la industria con la idea de convertirla en uno de los centros de entrenamiento técnico de mayor nivel en la República Mexicana. La conformación del cuerpo de profesores, contando como director en ese entonces al Ing. Santiago Tamez Anguiano, incubó la carrera de Ingeniero Mecánico en la Universidad de Nuevo León y por lo tanto hospedó a la Facultad de Ingeniería Mecánica hasta l953 y al mismo tiempo sirvió como incubadora de los futuros estudiantes de FIME. Con el paso del tiempo la E.I.A.O. se convirtió en una escuela referente fundamental en la formación de técnicos en áreas como soldadura, mantenimiento de maquinaria y electrónica para la industria local y regional ( Rivas Lozano, l996: 17; Salinas Quiroga, l983:80) LOS ORÍGENES DE LA UNIVERSIDAD DE NUEVO LEÓN A principios del siglo XX no hay cambios sustanciales en términos generales, sin embargo, la infraestructura científica es mayor. Por otro lado Escuela Industrial Álvaro Obregón al poco tiempo de construida. 21 �Orígenes de la ciencia y la tecnología en Nuevo León / Roberto Rebolloso Gallardo la presencia del Dr. Atanasio Carrillo mantiene un interés académico que viene a desembocar en la fundación de la Universidad de Nuevo León. La Universidad se funda en 1933 por decreto oficial del Gobierno del Estado en el Diario Oficial del día 7 de junio 1933. Autores como Gerardo de León Torres y Santiago Roel son bastante claros al respecto. En este período de acuerdo con los informes de Rectoría publicados en la revista Universidad existen pocos trabajos de investigación relacionados con las ciencia. Es hasta 1944 según consta en el informe del rector cuando aparecen las primeras referencias sobre la actividad científica. El Instituto de Investigaciones Científicas El Instituto de Investigaciones Científicas fue fundado y dirigido en aquel entonces por el Dr. Eduardo Aguirre Pequeño, quien había recibido nombramiento del Consejo Universitario el 3 de noviembre de 1943 (León Torres, 1990:117 y 118). En el Boletín del Instituto (1944) se destacan los primeros trabajos de investigación científica. En esta línea los investigadores hacen una breve inspección sobre el carácter oftalmológico de los niños escolares de Nuevo León. También sobresalen otras actividades de investigación en el área de química y medicina. Para 1945 con relación al Instituto, Gerardo de León señala lo siguiente: “las siguientes actividades de investigación y de extensión universitaria, seguían incrementándose durante este lapso; pues el Instituto de Investigaciones Científicas, además de sus labores propias, patrocinó conferencias y publicaciones de diversas obras, así como becas, que fueron concedidas a profesionistas locales” (1990: 132). El Departamento de Acción Social Universitaria. Este departamento es clave en la divulgación humanística ya que dedicó mucho de su presupuesto a la presentación de conferencias sobre arte, literatura, música y filosofía, el rastro más evidente de este departamento se encuentra en su revista Armas y Letras. 22 Hacia 1947 el Departamento de Acción Social Universitaria impulsa las actividades de la Escuela de Verano, donde se pueden configurar las primeras conferencias sobre historia y sociología ofrecidas por especialistas de la ciudad de México. Cabe señalar que durante este año, la escuela de verano en su cuarta anualidad, se divide en secciones y entre ellas aparecen la sección de humanidades y de ciencias jurídicas económicas y sociales, lo cual demuestra un profundo interés por esta área. (Universidad, julio de 1950: 255). La ciencia en Nuevo León se ha construido a empujones por una serie de factores entre los que podemos destacar: la llegada de una tradición científica tardía, los esfuerzos aislados de las instituciones educativas y la predominancia de una filosofía sobre las nuevas corrientes de la experimentación en todos los órdenes. Tenemos que reconocer que gracias a la cultura de la curiosidad de algunos médicos, ingenieros y maestros del siglo pasado, hoy nuestras instituciones están en posibilidad de generar nuevas rutas del conocimiento científico. El Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM). El ITESM fue fundado en l943 por Don Eugenio Garza Sada, un graduado del MIT (Massachusets Institue of Technology), director de Cervecería Cuauhtémoc y además uno de los empresarios más reconocidos a nivel nacional. Primeras instalaciones del ITESM Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Orígenes de la ciencia y la tecnología en Nuevo León / Roberto Rebolloso Gallardo El ITESM ha sido reconocido como una de las escuelas pioneras en ingeniería en la región así como del área de negocios. Sin embargo, es hasta l966 que existe una referencia en investigación con el Instituto de Investigaciones industriales que ofrecía servicios de ingeniería, además de laboratorios experimentales para los estudiantes de ingeniería mecánica y eléctrica. La fundación del ITESM obedece a una necesidad imperiosa dada la vertiginosa industrialización de Monterrey (Vizcaya Canales, l971). NOTAS a.- En este trabajo utilizamos la palabra ciencia como el estudio de la naturaleza que nos rodea y el desarrollo de leyes científicas. En cambio tecnología es entendido en el sentido de la aplicación práctica de aquellas leyes. En Nuevo León para los cronistas de la época los dos conceptos tienen el mismo sentido. b.- Para entender las nuevas tendencias del análisis de la ciencia y la tecnología recomendamos la lectura de los siguientes autores: Robert Pool, l997, Beyond Enginneering, How society Shapes Technology (New York, Oxford University Press); W.E.Bijker,T.P.Hughes y T.J.Pinch (comps.),1987, The Social Construction of Technological Systems: New Directions in the Sociology and History of Technology, Cambridge, Mass., MIT Press. c.- Existe una extensa bibliografía sobre las tradiciones científicas en México, sin embargo, un estudio muy especial sobre el Colegio de Minería es un buen ejemplo de la manera de cómo se organizaba un centro de investigación científica en los siglos XVIII y XIX, investigación realizada por Eduardo Flores Claire, 2000, Minería, educación y sociedad. El Colegio de Minería l774-1821. México, Instituto Nacional de Antropología e Historia. Cfr. Elías Trabulse Los orígenes de la Ciencia Moderna en México (1630-1680) México, FCE, pp. 91-157. d.- Nota: Para un estudio más amplio ver Modesto Bargallo (1969) la amalgación de los minerales de plata en hispanoámerica colonial, México, Compañía Fundidora de Fierro y Acero de Monterrey. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 e.- En relación a nuevos trabajos sobre Tecnología e Industria y la formación de empresarios , Javier Rojas de la Facultad de Filosofía y Letras, de la UANL, presentó una ponencia en la Universidad de Texas-Austin. REFERENCIAS 1. Aguirre Pequeño, Eduardo. 1944 Datos para la historia de la Escuela de Medicina de Monterrey, compilados y arreglados por el Dr. Eduardo Aguirre Pequeño, Director del Instituto de Investigaciones Científicas, UNL. Monterrey, N.L. México. 2. Barragán, Juan Ignacio. 1993 “Empresarios del Norte e importación de tecnología a principios del siglo XX”, Cuadernos de Historia, año II, num. 6, junio, p. 9-21. 3. 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Vizcaya Canales, Isidro 1971 Los orígenes de la industrialización de Monterrey: una historia económica y social desde la caída del segundo imperio hasta el fin de la revolución (1867-1920). Librería Tecnológico, Monterrey, N.L. 33. Zea, Leopoldo. 1968 El positivismo en México, nacimiento, apogeo y decadencia. FCE. México. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Los procesos de gestión y la problemática de las PYMES Miguel A. Palomo González Profesor de la jefatura de Ingeniería Industrial, FCQ-UANL mpalomo@ccr.dsi.uanl.mx RESUMEN Cuando se mencionan las características de las Pequeñas y Medianas Empresas (PYMES) en México se dice: que no crecen por no tener financiamiento, que no capacitan su personal que no tienen una cultura organizacional, y, en consecuencia, se justifica que los servicios de los proveedores públicos y privados se orienten a cubrir estas áreas de oportunidad. En este artículo se discuten los enfoques externos utilizados para identificar la problemática de las PYMES y la necesidad de estudios formales que analicen, a nivel interno, la integración y el nivel de dominio de sus procesos de gestión en el negocio. PALABRAS CLAVE Empresas, competitividad, gestión, medianas, negocio, pequeñas, procesos, PYMES. ABSTRACT It is common to read that Small and Medium Sized Enterprises (SMSE) in Mexico do not grow due to the lack of financial support, training programs, or organizational culture, and as a consecuence, public and private suppliers direct their services to these areas of opportunity. In this article, the external ideas and points of view that lead to a misunderstanding of the SMSE problems are discussed, and the need of formal studies that analyse their internal business processes, management and integration levels. KEYWORDS Business, competitiveness, management, medium sized, process, small, SMSE (Small and Medium Sized Enterprises). INTRODUCCIÓN Los reportes sobre las Pequeñas y Medianas Empresas (PYMES) se pueden clasificar en dos tipos, los reportes sobre estadísticas y los reportes sobre Política Industrial. En ambos reportes se reconoce que las PYMES son importantes para la economía y para el desarrollo del país, por el número de empleos que representan y por su contribución a la derrama económica en el mercado (SBA, 2001).1 Por otra parte, se comenta la importancia de que no desaparezcan y crezcan para aumentar el impacto positivo en la economía. Lo anterior justifica la creación Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 25 �Los procesos de gestión y la problemática de las PYMES / Miguel A. Palomo González de programas de apoyo para su crecimiento, para la exportación y que, ante el volumen potencial que representan las PYMES, los proveedores de servicios se orienten hacia la adecuación de los servicios ofrecidos a las grandes empresas. Sin embargo, las publicaciones disponibles no analizan de manera formal la gestión de las PYMES en México, lo que existe son los comentarios y argumentos de profesionales y proveedores de servicios, basados principalmente en experiencias pasadas, que estresan en los medios de comunicación las áreas de oportunidad en las PYMES, por ejemplo: el desarrollo de una estrategia de negocio, realizar benchmarking, estudios de mercado, capacitación para la exportación, apoyos de financiamiento para el crecimiento, cursos de administración y de las operaciones del negocio, capacitación del recurso humano en todas las áreas y desarrollo de sistemas informáticos internos y de e-commerce (Barceló y Pérez, 2003).2 De hecho es importante observar que las áreas de oportunidad que se mencionan en los medios de comunicación son las mismas que se estudian en la literatura de gestión para las grandes empresas (Garrido, 2001),3 es decir, en principio no son “áreas de oportunidad exclusivas” para las PYMES y en consecuencia, las soluciones propuestas no toman en cuenta la especificidad de las PYMES, como podrían ser sus procesos de gestión y sus problemas asociados. Por otro lado, los estudios económicos identifican ciertos polos con más desarrollo económico que en el resto del país, por ejemplo: el Distrito Federal, Guadalajara y Monterrey, por lo que en principio una solución general para las PYMES no debería aplicarse en todas las regiones por igual, ni sin tomar en cuenta el sector al que pertenecen, comercial, manufactura o de servicios, ya que esto plantea problemas de gestión propios al producto o servicio, mercados y clientes. De lo anterior se originan dos preguntas: ¿Cómo es la gestión interna de las PYMES?, y ¿Cuáles son las características de Gestión de las PYMES del Sector Manufacturas en una Zona como Monterrey? 26 LIMITACIONES EN LOS ENFOQUES PARA IDENTIFICAR LA PROBLEMÁTICA DE LAS PYMES Los estudios para identificar los problemas de las PYMES mezclan dos tipos de enfoques que llamaremos enfoques “externo” e “interno”; el enfoque externo se caracteriza por problemas que afectan a las PYMES, pero que son mas bien del tipo macroeconómico y en donde las PYMES no tienen influencia en su solución (o no es su razón de ser); mientras que el enfoque interno, en cambio, se caracteriza por problemas derivados de la gestión propia del negocio y del sector económico al que pertenecen, y donde la PYMES es responsable de su solución y mejora. Como primer ejemplo tenemos el caso de la “Encuesta a la industria mediana y pequeña” de NAFIN (1985)4 donde se analizó una muestra de 20,923 empresas y que, de los 9 factores identificados como “problemas”, solo 5 factores pueden ser asociados a la gestión interna del negocio (ver tabla I): carencia de organización, retrazo tecnológico, falta de capacitación del personal, problemas en la colocación de productos, y carencia de registros contables. Otro estudio de interés es “La industria por escala productiva”, realizado por SECOFI (1987),4 abarcando 35,000 empresas que representaron el 40% de la industria nacional, y que identifica 6 factores en la “problemática” de la micro empresa de los cuales solo 2 pueden ser asociados a la gestión interna del negocio (ver tabla II): altos costos de operación y falta de liquidez financiera. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Los procesos de gestión y la problemática de las PYMES / Miguel A. Palomo González Tabla I. NAFIN: Encuesta a la Industria Mediana y Pequeña (1985).4 a). Carencia de organización b). Retrazo Tecnológico c). Obsolescencia industrial d). Falta de integración y asociación e). Falta de capacitación del personal f). Problemas en la colocación de productos g). Escasez de recursos financieros h). Carencia de registros contables i). Falta de acceso al financiamiento Fuente: Jurado et al., 1997 Tabla II. SECOFI: La industria por escala productiva (1987).4 a). Problemas para adquirir insumos, por falta de poder adquisitivo b). Altos costos de operación c). Mercado contraído d). Falta de acceso a crédito e). Carencia de materias primas f). Falta de liquidez financiera Fuente: Jurado et al., 1997 El estudio de Jurado et al. (1997), tiene como objetivo corroborar los estudios anteriores de NAFIN y SECOFI, y sus resultados sobre la problemática de las PYMES son resumidos en los siguientes puntos: a). Organización. Falta de estructura formal, falta de sistematización de sus operaciones y actividades, falta de políticas escritas, falta de supervisión y de estándares de desempeño. b). Recursos Humanos. Falta de capacitación, excesiva rotación de personal, falta de seguridad e higiene. c). Mercadotecnia. Falta de conocimiento real de su competencia, falta de utilización de técnicas mercadológicas para dar a conocer su producto y, adecuarlo a las necesidades del consumidor. d). Producción. Falta de técnicas para planear la producción, falta de medición y control de la calidad, falta de sistematización de los Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 procedimientos de producción, deficiencias en su sistema de compras, incapacidad de surtir pedidos grandes, mala distribución del trabajo y las instalaciones, deficiente nivel de productividad. e). Innovación Tecnológica. Tecnología antigua, sin medidas anticontaminantes. f). Contabilidad. Escasez de registros contables, costos mal determinados y precios que no cubren los costos totales. g). Finanzas. Falta de conocimiento para analizar los estados financieros, falta de acceso a créditos convenientes para la empresa. h). Fiscal. Excesiva regulación fiscal, desconocimiento de sus obligaciones y cumplimiento. El estudio fue realizado en 1990 y cubre un total de 50 empresas clasificadas como Micro y Pequeñas Empresas del Sector Maderero de la zona del D.F. Aunque en el título del estudio se hace referencia a la Micro y Pequeña empresa, en el texto solo se mencionan la problemática general de la Micro, y no de la Pequeña, por lo tanto sus conclusiones se generalizan, y al mismo tiempo se limitan solo para las Micro Empresas en el Sector Maderero del D.F. El artículo de Kauffman (2001) 5 analiza la problemática que enfrentan las PYMES Mexicanas ante la Globalización y menciona que a nivel interno las PYMES carecen de “sistema de planeación, organización, administración, y control eficientes, así como de tecnologías propias para la gestión y desarrollo de sus actividades productivas”, además, se incluyen los temas que en principio son la “problemática” de las empresas en México, reportado por CETRO-CRECE en Junio 13 del 2000 (tabla III), aunque dichos temas son principalmente del tipo “externo” y no asociados a la gestión interna del negocio. El artículo no menciona el tamaño de la muestra de estudio (n), ni el tipo de empresas (comerciales, manufactureras o de servicios) que sirven de origen a la identificación de la “problemática” interna de las PYMES; por su parte, el autor hace un llamado y orienta sus conclusiones por una adecuada definición de una política industrial (en general) que permita la competitividad de las PYMES en el contexto de la Globalización. El artículo de Sánchez (2003)6 menciona un 27 �Los procesos de gestión y la problemática de las PYMES / Miguel A. Palomo González Tabla III. CETRO-CRECE: Problemática de la Industria Mexicana (2000).5 a). Indefinición de una política industrial. b). Política fiscal no promotora del desarrollo c). Financiamiento y tasas de interés no competitivos d). Mercado interno deprimido no propicio para tomar ventajas de economías de escala e). Falta de apoyos e incentivos para la Pequeña y Mediana Industria f). Servicios públicos no competitivos en calidad, precio e infraestructura g). Prácticas comerciales desleales de empresas de los países signatarios del TLC h). Regulaciones ambientales y ecológicas más estrictas y costosas que las de nuestros socios comerciales Fuente: Kauffman, S., 2001 estudio de Nacional Financiera que reporta los “motivos o causas internas por las cuales mueren las PYMES”, entre las cuales se mencionan: problemas administrativos (43%), problemas fiscales (16%) incapacidad de cumplir requisitos (15%), deficiencia en comercialización (11%), por errores en insumos y producción (8%) y debido a falta de financiamiento (7%). Con excepción de los puntos “problemas fiscales” y “falta de financiamiento”, el resto son puntos que se pueden asociar a la Gestión Interna del Negocio. Sin embargo, no se reporta la referencia del estudio, por lo que debe ser tomado solamente como un comentario. Los reportes de la Secretaría de Economía (CIPI, 2001)7 nos presentan un análisis comparativo entre países de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) en el que se muestra la importancia de las PYMES (incluyendo a las Micro empresas) para un país, representando el 95% del total de las empresas, que contribuyen entre el 60-70% en el empleo y entre el 50-60% del PIB de un país. En el caso de México, las PYMES presentan cifras similares: son un 99% del total de las empresas, contribuyen en el 64% del empleo y generan un 41% del PIB. En el reporte se identifican los principales problemas de las PYMES en México (tabla IV) donde sólo 2 factores son internos a las PYMES: capacitación deficiente de sus recursos humanos y falta de una cultura de innovación y desarrollo tecnológico. Además se menciona que, en el 2001, se tenían 134 programas de apoyo empresarial orientado a los siguientes rubros: a). Apoyos a estímulos fiscales (24) b). Apoyos a las actividades exclusivas de las dependencias y entidades (22) c). Sistemas de información (1) d). Servicios de orientación y concertación interinstitucional (12) e). Capacitación, asistencia técnica y consultoría empresarial (28) f). Créditos, capital de riesgo y subsidios (14) g). Créditos y servicios financieros que otorga la banca de desarrollo (25) h). Desarrollo regional y encadenamiento productivo (8) Tabla IV. Principales problemas que se identifican en las PyMES.7 a). Participación limitada en el Comercio Exterior b). Acceso limitado a fuentes de financiamiento c). Desvinculación con los sectores más dinámicos d). Capacitación deficiente de sus Recursos Humanos e). Falta de vinculación con el sector académico f). No tienen una cultura de innovación de procesos y desarrollo tecnológico Fuente: CIPI, 2001. 28 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Los procesos de gestión y la problemática de las PYMES / Miguel A. Palomo González De los rubros de apoyo, sólo 2 programas públicos se pueden considerar orientados a resolver problemas internos de las PYMES: Sistemas de información (1) y capacitación, asistencia técnica y consultoría empresarial (28). La importancia de que las PYMES participen en el Comercio Exterior de México (SEC, 2002)8 se refleja en los siguientes datos de 1999: solo 35,000 PYMES participaron en la actividad exportadora, representando el 95% de las empresas exportadoras, pero solo el 2% del total de las PYMES y su valor anual fue inferior a 5 millones de dólares (lo que da en promedio unos 143,000 dólares exportados por empresa PYMES), mientras que el total de las exportaciones registró los 160,000 millones de dólares. Sin embargo el “problema de exportar” se analiza desde el punto de vista macro, “México requiere de exportaciones”, y no se menciona si las PYMES “quieren exportar” y los problemas que enfrentan y frenan sus exportaciones. En un estudio más reciente realizado en el período del 2001-2002, se aplicó una encuesta a 1,034 PYMES (CIPI, 2003ª)9 donde los principales conclusiones del reporte preliminar son: primero, se reconoce que los programas para las PYMES no deben ser los mismos que para las Micro y para las grandes empresas; segundo, los indicadores de eficiencia utilizados en los programas públicos, cuando se basan en el número de empresas atendidas, provoca que la atención sea sobre las Micro empresas que representan más del 90% de las empresas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 Las conclusiones del reporte preliminar se orientan a recomendaciones para mejores apoyos públicos definidos específicamente como política industrial para el segmento de las PYMES, más que en mejoras de la gestión interna de las PYMES y solo reconoce dos problemas de la gestión interna de las PYMES: falta de certificación en calidad y de metodologías orientadas a la mejora en calidad y productividad. Por otro lado, se reconoce que las PYMES no tienen problemas para obtener financiamiento (lo cual contradice, en cierta forma, los resultados expuestos en las fuentes anteriores). En el reporte de los principales resultados de la encuesta (CIPI, 2003b)10 se llegan a las siguientes conclusiones: a). Consolidar los apoyos dirigidos al fortalecimiento de cadenas productivas, modernización tecnológica, capacitación básica y especializada, desarrollo de proveedores, obtención de certificaciones, apoyos para la exportación, financiamiento para la adquisición de bienes de capital, integración de capital de trabajo, y consultoría en organización y dirección de empresas. b). Orientar el tipo de programas de capacitación en dirección y problemática del tipo de empresas mexicanas: la mayoría son de tipo familiar. c). Se reconoce la poca participación del sector financiero en cuanto al apoyo a las PYMES se refiere y se recomiendan las alianzas entre banca comercial y banca de desarrollo con sector público, para ampliar la posibilidad de obtener de crédito. d). Establecer campañas publicitarias para mantener informadas a las PYMES sobre la oferta de programas de apoyo. Las recomendaciones de los principales resultados de la encuesta 2001-2002 se caracterizan por el enfoque “exterior” a las PYMES (al fortalecimiento de los programas públicos, junto con la participación del sector financiero), y solo se menciona el apoyo a dos puntos relacionados con la gestión interna de las PYMES: obtención de certificaciones y consultoría en organización y dirección de empresas. Más específico, los resultados de la encuesta 2001-2002 del CIPI en el sector manufacturero, se 29 �Los procesos de gestión y la problemática de las PYMES / Miguel A. Palomo González basan en una muestra de 657 PYMES con personal ocupado entre 10-200 empleados. Uno de resultados que llama la atención, en el estudio del sector, es el siguiente: solo el 10% de las empresas considera como problemas el aumento en costos de operación y falta de competitividad en precio y calidad (es decir, para el 90% de las PYMES estos no son problemas). COMENTARIOS SOBRE LOS PROCESOS DE GESTIÓN Y LA PROBLEMÁTICA DE LAS PYMES Los estudios anteriores se caracterizan por la “promoción de problemas” principalmente externos a las PYMES (ej: mercado interno deprimido o contraído), y su solución por medio de una mejor Política Industrial. Esto sería coherente en los casos en que las PYMES cuenten con una gestión de sus procesos apropiada: precio competitivo, calidad, cobertura de la fuerza de ventas, y aspectos de publicidad y promoción del producto, dicho de otra manera “si es saludable internamente, lo que le falta es una política industrial para su crecimiento”. Pero no sabemos el grado de gestión interno, los problemas que genera y ni su correspondencia con los apoyos públicos ofrecidos, tal vez porque los Organismos Públicos no tienen el recurso humano, financiero y tiempo para analizar dicho enfoque, de tal forma que su alternativa es presentar un programa de apoyo basado en problemas Macroeconómicos (externos a las PYMES) y aumentar el número de participantes para reportar un “éxito” del programa de apoyo; cuando en realidad lo que necesitan las PYMES son programas públicos para resolver sus problemas de gestión interna y esta falta de orientación puede explicar por qué las PYMES no estén interesadas en participar en los programas de apoyo (como mencionamos anteriormente, de los 134 programas actuales sólo 2 se orientan a los problemas internos de las PYMES). Analizando en su conjunto los problemas relacionados con la gestión de las PYMES, resalta la falta de capacitación y la falta de una cultura de innovación y desarrollo tecnológico como los principales problemas asociados y, en principio, no son problemas la falta de liquidez, los costos de operación, la falta de competitividad, ni de calidad. 30 Mas aún si los costos y la competitividad no son problemas esto nos dice que la capacitación tampoco es un problema en las PYMES, es decir si se da capacitación, y si es “poca” podemos pensar que se debe a que se da de manera selectiva en las etapas críticas de los procesos de gestión. Finalmente, puede ser que la PyME esté orientada a satisfacer un mercado tradicional (los costos y la calidad son conocidos y controlados) donde el volumen y el precio sean las variables importantes, de tal forma que por su tamaño es competitiva y no sea requisito una “cultura de innovación”. Por otra parte, en el caso de que decida orientarse hacia nuevos mercados y nuevos productos, en este caso los problemas críticos pueden ser no tener una cultura de innovación, certificación de calidad, falta de financiamiento para el crecimiento, personal capacitado en funciones que demanda el nuevo producto o mercado, y reducir costos (que no domina) en el desarrollo del producto y el mercado. Sin embargo, en las publicaciones revisadas de las PYMES nada se menciona sobre los procesos de gestión y sus temas, los cuales son independientes a tener una estructura organizacional compleja o a tener que documentar la calidad del producto. Los procesos de gestión se pueden dividir en dos tipos: Los Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Los procesos de gestión y la problemática de las PYMES / Miguel A. Palomo González procesos operativos y los procesos de apoyo (APQC, 2004),11 y la literatura sobre los temas de gestión que soportan los procesos de gestión son: administración general, administración de operaciones, control de piso y calidad, administración de la productividad, y planeación estratégica. El estudio de dichos procesos de gestión pueden ayudar a explicar ¿por qué los resultados sobre los “problemas” internos de las PYMES son contradictorios entre un estudio y otro?, partiendo del postulado de que: dependiendo de la integración de los temas de gestión los problemas son diferentes en la gestión de las PYMES. Y, es de esperarse, que los problemas de gestión y su posible solución también sean diferentes entre una PyME de servicios, comercial, y manufacturera, de tal forma que delimitemos los problemas de gestión de las PYMES según su tamaño y su sector de actividad, en lugar de proponer soluciones (o programas públicos) para “la PyME en general”. En un estudio posterior analizaremos estos temas y su implantación con el fin de dar una explicación más confiable sobre la problemática interna de las PYMES en el sector manufacturero, más allá de los comentarios empíricos y reportes numéricos generales. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 BIBLIOGRAFÍA 1. SBA (2001). The economic impact of small enterprises. No. SF-0040, July 2001. 2. Barceló M., Pérez A. (2003). Uso de las TI en las PYMES en el noroeste de México. Universidad de Sonora, CISCI 2003. [En línea: www.jit. industrial.uson.mx/aperez/cisci2003.html] [accesado el 13 de feb, 2005] 3. Garrido C. (2001). Estrategias empresariales ante el cambio estructural en México. Comercio Exterior, 29(4) dic. 2001. 4. Jurado A., Vivar V., Pérez R. (1997). Programa de apoyo a la micro y pequeña empresa. In: Estrategias para el impulso de la vinculación Universidad-Empresa. 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APQC (2004). Process classification framework. APQC, Houston, Tx. May 2004. 31 �Toma de decisiones mediante técnicas de razonamiento incierto José Fernando Reyes Saldaña Programa de Postgrado en Ingeniería de Sistemas FIME-UANL fernando@yalma.fime.uanl.mx Rodolfo García Flores Sistemas Lógicos SisLogic, S.A. garciaflores.r@gmail.com RESUMEN En el mundo real no existe algo que sea ciento por ciento seguro. Todos los días nos topamos con situaciones que implican el tomar una decisión con información imprecisa. El método que se ha utilizado tradicionalmente para manejar estos problemas ha sido el modelo de Bayes. Buscando algunas alternativas que sobrepasaran las limitaciones mostradas por este método, se han creado otros modelos que tratan ciertos tipos de incertidumbre, cada uno de una manera diferente. Entre estos métodos está la teoría de la lógica difusa, creada por Lofti Zadeh y que trata la vaguedad en la información. Otro método utilizado es la teoría de la evidencia de Dempster y Shafer. Esta teoría trata la ambigüedad en la información, y provee una gran variedad de medidas que dan información más precisa acerca del tipo de incertidumbre en los datos. En este artículo se mostrarán las ventajas y desventajas de cada uno de los métodos mencionados, se explica por qué se considera la teoría de la evidencia de Dempster-Shafer una de las que tiene mayor potencial, y se presenta la biblioteca numérica LIDSET para el manejo de incertidumbre. PALABRAS CLAVE Incertidumbre, modelo bayesiano, lógica difusa, teoría de la evidencia, Dempster-Shafer. ABSTRACT In the real world nothing is one hundred per cent sure. Every day we find situations that imply taking decisions with uncertain information. The method used traditionally to solve these problems has been the Bayesian model. Looking for alternatives to take over the limitations of this method, several models have been created that manage different kinds of uncertainty, each following a different approach. One of those methods is fuzzy logic theory, created by Lofti Zadeh, for modelling vagueness in information. A different method is evidence theory, created by Glenn Shaffer. This theory takes ambiguity on information, and has several information measures akin to entropy that give a better insight about uncertainty. In this paper we show the advantages and disadvantages of each of these methods, explain why we consider that Dempter-Shafer’s evidence theory 32 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Toma de decisiones mediante técnicas de razonamiento incierto / José Fernando Reyes Saldaña, et al offers the greatest potential advantage, and present the numerical library LIDSET for uncertainty management. KEYWORDS Uncertainty, Bayesian model, fuzzy logic, evidence theory, Dempster-Shafer. INTRODUCCIÓN El crear conclusiones útiles a partir de información incompleta o imprecisa no es una tarea imposible, pues los seres humanos lo hacemos casi en cada aspecto de nuestra vida diaria. Los médicos realizan diagnósticos correctos y recomiendan tratamiento a partir de síntomas ambiguos, los mecánicos analizan los problemas de los automóviles a partir de observaciones, y todos los seres humanos comprendemos el lenguaje hablado, corporal o escrito a pesar de tener frases incompletas y reconocemos a otras personas por sus voces o sus gestos.1 Así, para realizar el proceso de toma de decisiones se utiliza la lógica. Con lógica algunas piezas de conocimiento son utilizadas en el razonamiento, y pueden ser parte de las explicaciones o conclusiones. Desde los años sesentas del siglo pasado se ha tratado de automatizar la toma de decisiones en diversos campos del conocimiento a través de sistemas expertos basados en reglas lógicas de la forma “Si… entonces…” con resultados muy positivos. Sin embargo, el empleo de la lógica tradicional en el desarrollo de sistemas de razonamiento automático tiene sus limitantes, especialmente en los casos en los que hay información faltante o incertidumbre, y en estos casos los procedimientos de inferencia tradicional pueden no ser útiles. Por ejemplo, puede suceder que las observaciones tengan un amplio margen de error, que las relaciones de causa a efecto no sean claras, que se requiera conocimiento no explícito u observable para tomar una decisión, o simplemente que los términos utilizados en la descripción del problema sean vagos o ambiguos. Para compensar estas deficiencias, se han propuesto diversas metodologías que han probado su valor al emplearse en sistemas de apoyo a la toma de decisiones. El propósito de este artículo es presentar las principales aproximaciones matemáticas propuestas Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 para atacar el problema de razonamiento con incertidumbre, poniendo énfasis en la teoría de la evidencia de Dempster-Shafer. A continuación se presenta el enfoque probabilístico clásico (o bayesiano), que es actualmente el más desarrollado y utilizado. En la sección siguiente se explican los conceptos básicos de la lógica difusa con ejemplos ilustrativos de su uso. Después se presenta la biblioteca numérica LIDSET, desarrollada por los autores para el estudio de la incertidumbre. Ella se utilizará para introducir los fundamentos de la teoría de la evidencia de Dempster-Shafer junto con sus ventajas, aplicaciones y problemas abiertos a la investigación. Para concluir, los comentarios finales resumen las ventajas y problemas que presentan en su uso los métodos descritos. LA PROBABILIDAD CLÁSICA El enfoque preferido para el tratamiento de la incertidumbre ha sido hasta el día de hoy el modelo de Bayes, aunque éste tiene varias desventajas, que se explicarán más adelante. El modelo bayesiano se define por los siguientes tres atributos:2 - Depende de un modelo probabilístico completo, definiendo probabilidades para todos y cada uno de los eventos que formarán nuestro campo de estudio. - Puede aceptar juicios subjetivos cuando no se tiene información completa de datos empíricos para definir probabilidades. - Utiliza el teorema de Bayes como el mecanismo primordial para la actualización de las credibilidades en cuanto se obtiene información nueva. El teorema de Bayes, utilizado para la actualización de las credibilidades en probabilidad clásica, se define por la ecuación (1). ( ) PP((EFE ) ) = P Fj E = j ( P E Fj ∑ n i =1 P )P (Fj ) (E F i )P(F i ) (1) Para detalles sobre su deducción, el lector puede consultar las referencias.3 o 4 La ecuación (1) muestra la forma de calcular la probabilidad de que el evento Fj ocurra dado que el evento E acaba de ocurrir, suponiendo que los elementos del conjunto Fi son eventos mutuamente 33 �Toma de decisiones mediante técnicas de razonamiento incierto / José Fernando Reyes Saldaña, et al excluyentes (es decir, no pueden ocurrir dos de estos eventos al mismo tiempo). En otras palabras, podemos considerar a E como evidencia de Fj, y calcular la probabilidad de que Fj ocurra dada la evidencia, E. Para ilustrar la utilidad del teorema de Bayes, supongamos un caso simple en el que sólo existen los eventos F y F’, i.e. j = 2. Sea el evento F el padecer meningitis, y sea E el padecer migraña. La ecuación (1) permitiría calcular la probabilidad de padecer meningitis dado que se tiene migraña (un conteo muy difícil entre la población) a partir del conocimiento del número de casos que tienen migraña y que también han presentado la meningitis (un conteo muy fácil de hacer en un hospital), y la probabilidad de padecer meningitis en general. La utilización de la teoría de la probabilidad supone la existencia de una magnitud (la probabilidad) que se asigna a la ocurrencia de un evento. Se supone que esta magnitud existe, independientemente de que el observador-tomador de decisiones tenga la posibilidad de conocerla o no. Idealmente, el observador podría asignar siempre la magnitud correspondiente a un evento dado si pudiera conocer el número de casos en que ese evento ocurre de entre el número de experimentos totales. Mientras mayor fuera el número total de experimentos, mejor sería la aproximación de esa magnitud al valor real de probabilidad. Sin embargo, no siempre es posible contar casos (enfoque frecuentista) y muchas veces el tomador de decisiones debe manejar la maquinaria teórica comenzando simplemente con un estimado de los valores de probabilidad (el llamado enfoque subjetivo). Se ha argumentado 2 que si el tomador de decisiones se ve obligado a utilizar estimados, entonces también es válido emplear otras técnicas diferentes a la probabilidad, pues todo el marco teórico de la probabilidad clásica se justifica en el conocimiento exacto de los valores de probabilidad. Estas técnicas se explicarán en las siguientes secciones. Recientemente, 5 se han propuesto nuevas ideas para enriquecer la teoría de la probabilidad actualizando el conocimiento que el tomador de decisiones adquiere a través de su experiencia. El resultado son las redes bayesianas, las cuales se explican a continuación. 34 REDES BAYESIANAS El uso de las redes bayesianas se ilustrará mediante un ejemplo clásico de la literatura.6 El inspector de policía Smith está esperando impacientemente la llegada del Sr. Holmes y del Dr. Watson, quienes llegarán manejando sus respectivos autos. Holmes y Watson están retrasados y el inspector Smith tiene una cita importante. Hace frío y, mirando afuera por la ventana, Smith se pregunta si las carreteras están congeladas. Ambos son malos manejando, así que si la carretera está congelada lo más probable es que ambos hayan tenido algún accidente. La secretaria entra y le dice a Smith que el Dr. Watson ha tenido un accidente en su automóvil. “Si Watson ha tenido un accidente, debe haber hielo en la carretera, y por consiguiente, Holmes debe haber chocado también. Ya me puedo ir a almorzar”. “¿Hielo?”, responde la secretaria, “no hace tanto frío afuera, además, se ha puesto sal en las carreteras, no puede haber hielo”. El Inspector Smith reflexiona, “Watson tuvo mala suerte, vamos a darle a Holmes otros diez minutos”. Para formalizar la historia se asignarán variables a los eventos ocurridos, con dos estados cada una, sí o no. Se supondrá también que cada evento tiene asociada cierta certidumbre, la cual se representa con un número real. Así, se tienen tres variables: hielo en la carretera (I), Holmes choca (H) y Watson choca (W). La relación entre las variables se muestra en la figura 1. Así, al suceder I se incrementa la certeza de que H y W puedan suceder. En otras palabras, los choques están en función creciente de la certeza que se tenga sobre su causa. Fig. 1. Un modelo de red para el ejemplo de hielo en la carretera. Las flechas largas representan el impacto causal, las flechas pequeñas representan la dirección del impacto en la certidumbre. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Toma de decisiones mediante técnicas de razonamiento incierto / José Fernando Reyes Saldaña, et al Cuando al inspector Smith se le dice que Watson ha tenido un accidente en su automóvil, él hace un razonamiento en la dirección opuesta a las flechas causales. Dado que, al pasar el tiempo, la evidencia de impacto apuntando a W se incrementa, Smith asigna una mayor certidumbre a I. La certidumbre en I crea a su vez una nueva expectativa: mayor certidumbre en H. Luego, cuando la secretaria le dice a Watson que las carreteras no pueden estar congeladas, el hecho de que Watson haya tenido un accidente no cambia su certidumbre respecto a las condiciones de la carretera, y por consiguiente, W no tiene influencia sobre H. Así, para calcular las probabilidades se necesita tener , y . Esto simplifica las relaciones entre las variables en la ecuación (1), pues el usar la regla de Bayes con todas sus dependencias implicaría también el conocimiento de ; al incrementarse el número de variables en el sistema observado, la simplificación sería más significativa. La red bayesiana permite la actualización de los valores conforme se incrementa la experiencia de Smith; Jesen muestra los detalles en la implementación.6 El modelo de la figura 1 muestra que solamente el conocimiento en I tiene efecto directo sobre H y W. Así, se debe asignar una certidumbre a I basada en el conocimiento disponible. Las redes bayesianas resuelven el problema de las observaciones sucesivas hechas por el tomador de decisiones. Sin embargo, el enfoque bayesiano presenta otros problemas, como el ya mencionado abuso de la teoría cuando los valores de probabilidad son estimados subjetivos, y la falta de distinción entre los conceptos de ignorancia (falta de información) e incertidumbre (ambigüedad), pues ambos conceptos afectan la magnitud de la probabilidad. Los enfoques que se presentan a continuación atacan estos problemas. LÓGICA DIFUSA Existen dos proposiciones que son esenciales para el uso de la lógica formal tradicional. La primera es con respecto a la membresía: para cualquier elemento y un conjunto perteneciente a cualquier universo, el elemento es miembro del conjunto o en caso contrario es miembro del conjunto complemento. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 La segunda proposición afirma que un elemento no puede pertenecer al mismo tiempo a un conjunto dado y a su complemento. Ambas proposiciones son violadas en la teoría de conjuntos difusos de Lotfi Zadeh.7 A las leyes de conjuntos y razonamiento de la lógica tradicional se les llama estrictas desde el punto de vista de los conjuntos difusos.1 La teoría de conjuntos difusos describe las propiedades de los conjuntos difusos, una clase de objetos con grados de membresía continuos en el intervalo [0,1]. Esta idea contrasta con la teoría de probabilidad tradicional, en la cual los objetos tienen un valor de membresía tomados del conjunto {0,1}. Cada objeto x en el conjunto difuso X tiene asignado un grado de membresía a un conjunto Y∈X dado por una función usualmente denotada por µ(x), cuyos valores se encuentran entre 0 y 1. Frecuentemente se confunde la idea de una función de membresía µ(x) con una función de densidad de probabilidad f(x), sin embargo la integral de f(x) debe sumar 1, mientras µ(x) no tiene esa restricción.8 La lógica difusa maneja el concepto de la vaguedad en la evidencia. El lenguaje natural está lleno de conceptos vagos e imprecisos, como por ejemplo decir “Juan es alto” o “El día está caliente”. Estas oraciones son difíciles de traducir en un lenguaje más preciso sin perder su valor semántico. Por ejemplo, decir “Juan mide 170 cm” no indica que Juan sea alto. Por ello, para añadir precisión es necesario buscar otra forma de formularlas. Existen muchas clases de objetos en el mundo real que no tienen un criterio definido para describirlas como pertenecientes a un grupo u otro, por ejemplo, la clase de automóviles caros, la clase de ingenieros mal pagados, etc. Sin embargo, este tipo de categorías sin una definición precisa juegan un papel importante en el pensamiento humano, particularmente en el dominio de reconocimiento de patrones, comunicación de información, toma de decisiones y abstracción. La teoría de conjuntos difusos ha sido muy utilizada para manejar este problema. Por ejemplo, los japoneses han sido pioneros en esta rama aplicando teoría de control difuso a cualquier cosa, desde procesos de control industrial, operación de trenes automáticos, reconocimiento de habla e imágenes, horarios de autobuses, sistemas de toma de decisiones, diagnóstico médico, programación 35 �Toma de decisiones mediante técnicas de razonamiento incierto / José Fernando Reyes Saldaña, et al multi-objetivos, elevadores, enfocado en cámaras de video y manufactura de automóviles. Una de las mejores explicaciones en cuanto a cómo la teoría de conjuntos difusos es auxiliar en la toma de decisiones es dado por Yager9: “Debemos de tener en mente que el uso de conjuntos difusos no elimina la naturaleza subjetiva o difusa de los conceptos con los que trabajamos… pero nos da una manera de manejar los conceptos subjetivos en una forma racional, en una forma similar a cómo el método utilizado por los tomadores de decisiones bayesianos les permite manejar probabilidades subjetivas”. Ejemplos de conjuntos difusos se presentan en la figura 2 y figura 3.1 En la figura 2, S es el conjunto de enteros positivos y F el subconjunto difuso de S llamado enteros pequeños. Ahora, varios valores enteros pueden tener la distribución de “posibilidad” definiendo su función de membresía en el conjunto de enteros pequeños: µ(1) = 1.0, µ(2) = 1.0, µ(3) Fig. 2. La representación del conjunto difuso para enteros pequeños. Fig. 3. Una representación difusa para el conjunto de estaturas para una población masculina, describiéndolos como bajo, medio, alto. 36 = 0.9, µ(4) = 0.8, …, µ(50) = 0.001, etc. Para la proposición “el entero positivo X es un entero pequeño”, crea una distribución de posibilidad en todos los enteros positivos (S). En la figura 3 se muestra una función de membresía para el concepto de estatura de una población masculina, definiéndolos como bajo, medio y alto. Hay que notar que cualquier persona puede pertenecer a más de un conjunto, por ejemplo alguien que mide 1.77 m pertenece tanto al conjunto de medio como al de alto. La teoría de los conjuntos difusos no se preocupa por cómo estas distribuciones de posibilidad son creadas, sino en las reglas de cómo se calcularán las posibilidades combinadas cuando se combinan varias expresiones que contienen variables difusas. Así, la teoría de conjuntos difusos permite manejar la vaguedad en la evidencia, la cual se define como la dificultad al hacer una distinción precisa entre varios elementos del mundo real, es decir, el no poder definir de forma precisa el grupo al que pertenece cierto elemento, en contraste con la teoría de la evidencia, que maneja la ambigüedad, definida como la situación en la que cualquiera de dos elecciones es totalmente válida para la clasificación de un elemento.10 Enseguida se describirá el marco teórico de la teoría de la evidencia y el concepto de ambigüedad. TEORÍA DE LA EVIDENCIA La teoría de Dempster-Shafer11 ha sido propuesta como un método para describir incertidumbre en la evidencia. Esta teoría se centra en la credibilidad asignada a que un evento pueda ocurrir (o haya ocurrido), desde el punto de vista y de acuerdo a la experiencia del tomador de decisiones, en contraste con la probabilidad clásica, que supone la existencia de valores de probabilidad asociados a eventos determinados independientemente de que el observador pueda conocer el valor real de la probabilidad. DS permite que la evidencia adquirida mediante observaciones o experimentos apoye al mismo tiempo varias conclusiones mutuamente excluyentes o ninguna conclusión en particular. Para facilitar la investigación y el desarrollo de aplicaciones utilizando los conceptos de DS, los Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Toma de decisiones mediante técnicas de razonamiento incierto / José Fernando Reyes Saldaña, et al Fig. 4. Interface de protocolo de aplicación de la biblioteca numérica LIDSET autores han desarrollado la biblioteca numérica LIDSET, cuya interface de protocolo de aplicación (API) se muestra en la figura 4. LIDSET es una biblioteca de funciones programada en lenguaje Java totalmente orientada a objetos, portable e independiente de plataforma. Los resultados de los ejemplos que se presentan a continuación fueron obtenidos utilizando LIDSET. Principios de la teoría de Dempster-Shafer DS nos permite representar la imprecisión e incertidumbre por medio de la definición de dos funciones: plausibilidad ([ϕ]p) y credibilidad ([ϕ]b), derivadas de una asignación básica ([ϕ]m). Se utilizará la notación propuesta por Haenni et al.12 debido a su generalidad y conveniencia. Tendremos una pieza de evidencia (el potencial de credibilidad ϕ), la cual puede tener varias representaciones, como son la asignación básica [ϕ]m, la plausibilidad [ϕ]p, la credibilidad [ϕ]b) etc., que se definirán a continuación. El potencial de credibilidad ϕ se define en un conjunto finito de variables D = {x1, x2, …, xn}, el cual Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 es llamado dominio de ϕ. Cada variable xi tiene un conjunto correspondiente de valores posibles. El producto cartesiano Θ D = Θ x1 × ... × Θ xn es el conjunto de todos los valores posibles de D, y es llamado el marco de discernimiento de ϕ. Si no ha sido especificado D, al dominio de ϕ se le denotará como d(ϕ). La función de asignación básica en D asigna a cada conjunto un valor en el intervalo [0,1], el cual se denotará como . Usualmente la siguiente condición debe de cumplirse: ∑[ϕ ( A)] A∈Θ D m =1 (2) Los potenciales de credibilidad para los cuales esta ecuación se cumple se llaman completos. Denotaremos por ΦCD al conjunto de todos los potenciales completos en D. Algunas veces se impone otra condición, . Un potencial de credibilidad para el cual esta condición se cumple se llama normalizado, 37 �Toma de decisiones mediante técnicas de razonamiento incierto / José Fernando Reyes Saldaña, et al de otro modo ϕ se llama no normalizado y es la masa en conflicto. La asignación básica indica el grado de evidencia que respalda la afirmación que un elemento específico de pertenezca a A, pero no a un subconjunto en particular. Los conjuntos A ⊆ ΘD para los cuales son llamados elementos focales o conjuntos focales. FS(ϕ) denota el conjunto de todos los conjuntos focales de ϕ y FS ' (ϕ ) = FS (ϕ ) \ {∅} el conjunto correspondiente de todos los conjuntos focales no vacíos. Más aún: ϕ := FS ' (ϕ ) (3) define el tamaño de ϕ. Un potencial ϕ es representado usualmente por el conjunto {(F 1, m1),…, (Fk, mk)} de todas las parejas (Fi,mi) con Fi ∈ FS(ϕ) y mi = [ϕ(Fi)]m. [ϕ ( A)]p := ∑ [ϕ ( B)]m = ∑ [ϕ ( B)]m B ∩ A≠ ∅ B ∩ A≠ ∅ B∈FS '(ϕ ) (5) y estoimplicaque para todos los subconjuntos . Además de contar con la siguiente propiedad [ϕ ( A)]p [ = 1 − ϕ (A) ] (6) b como Ejemplo 1. Se tiene el dominio para un potencial de credibilidad Θ D = Θ x = {x1 , x 2 , x3 } y con FS (ϕ ) = {∅ , { x1 }, { x 3 }, { x1 , x 2 }, {x 2 , x 3 }} . Por ejemplo, x1, x2 y x3 representan respectivamente el resultado de un partido de fútbol, siendo x1 que el equipo local gane, x2 que el equipo visitante gane y x3 que el partido quede empatado. Dadas las asignaciones básicas [ϕ ( A)] m de la tabla I (provenientes tal vez del juicio de un experto), se puede calcular su credibilidad y plausibilidad por Las funciones de credibilidad pueden ser definidas de acuerdo a su función de masa correspondiente como: [ϕ ( A)]b := ∑ [ϕ ( B)]m = ∑ [ϕ ( B)]m ∅≠ B⊆ A B⊆ A B∈FS '(ϕ ) (4) . lo cual implica que La credibilidad se interpreta como el grado de credibilidad que se tiene en que un elemento de se encuentre en el conjunto A. Además, la función de plausibilidad en D está definida por Tabla I. Tabla de asignación básica, credibilidad y plausibilidad para un potencial no normalizado. Conjunto focal ൺ Representación ൻ 38 [ϕ ( A)] m 0.2 0.2 0 0.1 0.2 0 0.3 0 [ϕ ( A)] b 0 0.2 0 0.1 0.4 0.3 0.4 0.8 [ϕ ( A)] p 0 0.4 0.5 0.4 0.7 0.8 0.6 0.8 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Toma de decisiones mediante técnicas de razonamiento incierto / José Fernando Reyes Saldaña, et al medio de las fórmulas (4) y (5) y que aparecen también en la tabla. Por ejemplo, para el cálculo de Y para la credibilidad y plausibilidad, se tiene , [ϕ ( A)]B := ∑ [ϕ ( B)]M = 0.2 + 0 + 0.2 [ϕ ( A)]P := ∑ [ϕ ( B)]M B⊆ A [ϕ ({x1 , x 2 })]b = [ϕ ({x1 })] m + [ϕ ({x 2 })] m + [ϕ ({x1 , x 2 })] m [ϕ ({x1 , x 2 })]b = 0.4 y ∑ [ϕ ( B)] M B⊆ A B∈FS (ϕ ) B ∩ A≠0 = = [ϕ ( A)]b 1 − cϕ ∑ [ϕ ( B)] B ∩ A≠ 0 B∈FS (ϕ ) M = (8) [ϕ ( A)]p (9) 1 − cϕ denotando con subíndices en letras mayúsculas los valores normalizados y subíndices en letras minúsculas los valores originales. De esta manera, la tabla II se obtiene normalizando los datos de la tabla I. que representa el grado de credibilidad (dada la evidencia de la tabla I) que apoya las afirmaciones x1 o x2. , [ϕ ({x1 , x 2 })] p = [ϕ ({x1 })] m + [ϕ ({x 2 })] m + [ϕ ({x1 , x 2 })] m Aquí se debe notar que y que . Además, ya se sabe que para todos los subconjuntos ({x1 , x3 })]m + [ϕ ({x 2 , x3 })] m + [ϕ ({x1 , x 2 , x3})] m + [ϕ = 0.2 + 0 + 0.2 + 0 + 0.3 + 0 [ϕ ({x1 , x 2 })]b = 0.7 . De otra manera, la normalización se puede definir como una transformación ν: ΦD→ΦD de un potencial no normalizado ϕ ∈ ΦD a un potencial normalizado v(ϕ)∈ΦD en la siguiente ecuación: [ν (ϕ )]m := [ϕ ]M (10) Claro está que esto implica que [ν(ϕ)]b = [ϕ]B y [ν(ϕ)]p = [ϕ]P. Más aún, FS(ν(ϕ)) = FS’(ν(ϕ)) = FS’(ϕ). Las operaciones básicas para realizarse sobre potenciales de credibilidad son la combinación y marginalización. Combinación corresponde a la agregación de evidencia. Ésta toma dos potenciales y y produce un nuevo potencial ϕ1⊗ϕ2 en el dominio D1∪D2. En esta fórmula se supone que ϕ1 y ϕ2 son potenciales definidos en el las Que puede interpretarse como el grado hasta el cual no podemos dudar de las afirmaciones x1 y x2. Nótese que el experto asigna un valor al conjunto vacío, lo que significa que asigna posibilidad de ser a una afirmación no especificada en el dominio. Ahora bien, la tabla I muestra un potencial no normalizado. Para obtener el potencial normalizado se debe distribuir la proporción de masa en conflicto cϕ entre todos los elementos focales FS’(ϕ), como sigue: Asignación básica normalizada [ϕ ( A)]M = si A = 0 ⎧ 0, ⎪ [ϕ ( A)] := ⎨ m , otro ⎪ 1 − cϕ ⎩ (7) Tabla II. Tabla de asignación básica, credibilidad y plausibilidad normalizados. Conjunto focal ൺ Representación ൻ [ϕ ( A)] M 0 0.25 0 0.125 0.25 0 0.375 0 [ϕ ( A)] B 0 0.25 0 0.125 0.5 0.375 0.5 1 [ϕ ( A)] P 0 0.5 0.625 0.5 0.875 1 0.75 1 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 39 �Toma de decisiones mediante técnicas de razonamiento incierto / José Fernando Reyes Saldaña, et al mismo dominio D. De otro modo, ϕ1 y ϕ2 pueden siempre ser extendidos al dominio D 1∪D 2. La combinación de ϕ1 y ϕ2 en el potencial ϕ1⊗ϕ2 en D que se determina por: [ϕ1 ⊗ ϕ 2 ( A)]m := ∑ [ϕ1 ( B)]m ⋅ [ϕ 2 (C )]m B ∩C = A = ∑[ ] ⋅ [ϕ 2 (C )]m ϕ1 ( B ) m B ∩C = A B∈FS (ϕ1 ),C∈FS (ϕ 2 ) (11) Esta forma de combinar evidencia de dos potenciales diferentes se conoce como la regla de combinación de Dempster. Descansa en la suposición de que ϕ1 y ϕ2 representan dos piezas de evidencia independientes. Desde el punto de vista del cómputo de este resultado, combinar los potenciales de ϕ1 y ϕ2 significa el intersectar cada conjunto focal B ∈ FS(ϕ1) con cada conjunto focal C ∈ FS(ϕ2), después multiplicar los valores correspondientes de [ϕ1(B)]m y [ϕ2(C)]m, y finalmente sumar los valores resultantes para las mismas intersecciones. Ejemplo 2. La regla de combinación se ejemplificará con un diagnóstico médico. Se supone Q como el dominio del problema, con cuatro elementos focales: gripa (C), resfrío (F), migraña (H) y meningitis (M). La tarea será poner asignación básica a los elementos del dominio Q. Se puede asignar un valor a conjuntos de estas hipótesis, por ejemplo, el tener fiebre podría apoyar {C, F, M}. Dado que los elementos de Q son hipótesis mutuamente excluyentes, la evidencia a favor de una puede afectar la credibilidad hacia otra. Se supone que la primera pieza de evidencia es que el paciente tiene fiebre, la cual tiene un apoyo . Si esta fuera la única de hipótesis, entonces , que indica que el resto del apoyo se reparte entre todos los elementos de Q. Ahora se obtiene nueva evidencia para el diagnóstico, pues el paciente tiene mucha náusea, lo que nos sugiere y . Ahora bien, con la regla de Dempster se intersectan los conjuntos focales de con , como se muestra en la tabla III, obteniendo un nuevo potencial con las asignaciones básicas combinadas mediante la fórmula (11). Debido a que el espacio focal es pequeño, las intersecciones que se pueden encontrar son pocas, que son solamente las que se ven en la tabla, obteniendo los valores para ϕ3 por simple multiplicación. Tabla III. Cálculo de los potenciales combinados para el diagnóstico de gripa (C), resfrío (F), migraña (H) y meningitis (M). [ϕ 3 (C , F )]m = 0.42 [ϕ 3 (C , F , H )]m = 0.28 [ϕ 3 (C , F , M )]m = 0.18 [ϕ 3 (Q )]m = 0.12 40 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Toma de decisiones mediante técnicas de razonamiento incierto / José Fernando Reyes Saldaña, et al La marginalización toma un potencial de credibilidad ϕ en un dominio D y produce un nuevo potencial ϕ↓D’ en D’ ⊆ D. Es usado para concentrar la información contenida en ϕ a un dominio más pequeño D’, y es definida por: [ϕ ↓ D ' ( A)] m := B ∑ [ϕ (B)] ↓D' =A m = ∑ [ϕ (B)] ↓D' m B =A B∈FS (ϕ ) (12) En donde B↓D’ denota la proyección del conjunto B ⊆ ΘD al nuevo dominio D’. Una nota importante es que la normalización puede ser realizada tanto antes como después de la combinación o marginalización, es decir: ν (ϕ 1 ⊗ ϕ 2 ) = ν (ϕ 1 ) ⊗ ν (ϕ 2 ) (13) ν (ϕ ↓D ' ) = ν (ϕ ) ↓ D ' (14) Así, la normalización puede siempre ser pospuesta hasta el final de los cálculos. El potencial práctico para la toma de decisiones del marco teórico recién expuesto consiste en: 1) Su capacidad para modelar el conocimiento adquirido por el tomador de decisiones a través de observaciones o experimentos, y 2) Su habilidad para distinguir entre ignorancia e incertidumbre. Esta última característica es crucial, pues tradicionalmente se ha considerado a la falta de información como una situación indeseable y perjudicial para la toma de decisiones. Dadas las limitaciones del marco teórico existente hasta hoy, siempre se ha optado por ignorar la incertidumbre, eliminar los datos ambiguos o faltantes y considerar únicamente la información que se conoce con certeza. Sin embargo, DS nos permite adoptar una perspectiva distinta, tratando de aprovechar la falta de información para lograr un mejor conocimiento de la situación del tomador de decisiones. Para lograr esto, DS considera la ignorancia como la diferencia entre credibilidad y plausibilidad, mientras que al mismo tiempo proporciona una serie de medidas de incertidumbre relacionadas con la entropía,2, 10, 13, 14 también implementadas en LIDSET pero cuya presentación está más allá del alcance de este artículo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 Así, la teoría de la evidencia enriquece a la probabilidad mediante un marco teórico más general, que permite distinguir entre ignorancia (la diferencia entre la plausibilidad y la credibilidad) e incertidumbre (cuantificada con las medidas de incertidumbre relacionadas con la entropía). Estos conceptos pueden aportar información valiosa sobre la estructura del problema que sería ignorada usando el enfoque tradicional. Sin embargo, esta teoría tiene algunas desventajas, como su costo computacional para casos no triviales, y la posibilidad de asignar valores positivos al evento vacío, incrementando la incertidumbre sobre el fenómeno. COMENTARIOS FINALES En la vida diaria los seres humanos se enfrentan a situaciones en las que deben tomar decisiones de acuerdo a datos inciertos o incompletos. En este artículo se han mostrado los principales enfoques matemáticos existentes para el tratamiento de la incertidumbre, como la teoría de la probabilidad, las redes bayesianas, la lógica difusa y la teoría de la evidencia de Dempster-Shafer. Se ha explicado por qué se considera que esta última es una de las que tiene mayor potencial y se ha presentado la biblioteca numérica LIDSET para la investigación y desarrollo en el área de razonamiento automático bajo incertidumbre, creada por los autores. La teoría de la probabilidad es el marco teórico más desarrollado para el manejo de incertidumbre hasta el día de hoy, pero tiene varias limitaciones. Entre ellas están: 41 �Toma de decisiones mediante técnicas de razonamiento incierto / José Fernando Reyes Saldaña, et al 1) El suponer la existencia de un valor de probabilidad asignado a un evento, independientemente de que el tomador de decisiones tenga la posibilidad de observarlo o no. 2) Si este es el caso, se obliga al decisor a estimar estos valores mediante juicios subjetivos. 3) Su incapacidad para modelar por separado ignorancia e incertidumbre. Las redes bayesianas resuelven únicamente el primero de estos problemas. Se ha dicho que el usar valores subjetivos libera al analista de la necesidad de usar la maquinaria teórica de la probabilidad, pues ésta fue desarrollada para el manejo de probabilidades calculadas por conteo; al estimar valores, es tan válido usar probabilidad como otras aproximaciones. Este argumento ha dado lugar al desarrollo de alternativas como la lógica difusa y a la teoría de la evidencia de DempsterShafer, cuyos principios básicos se presentaron aquí. Esta última teoría en particular es muy rica en conceptos, adopta de manera natural el punto de vista del tomador de decisiones, y resuelve el problema de modelado de ignorancia e incertidumbre, cuyas magnitudes pueden decir algo sobre la estructura del problema a resolver. Sin embargo, esta aproximación al problema tiene varias desventajas que hoy son materia de investigación, tales como su complejidad computacional. La biblioteca numérica LIDSET es una herramienta con enorme potencial práctico que apoyará el trabajo futuro de investigación. REFERENCIAS 1. Luger, G.F., Artificial intelligence: Structures and strategies for complex problem solving. Addison Wesley, 4th. Ed., Addison Wesley, Edinburgh, 2002. 2. Beynon, M., Curry, B., Morgan, P., The DempsterShafer theory of evidence: an alternative approach to multicriteria decision modeling, Omega 28, June 1999. 42 3. Ross S., Introduction to Probability Models, Séptima Edición, Harcourt Academic Press, 2000. 4. Díaz-Ortiz, L., Pacheco-Leal, S., García-Flores, R., El clasificador Naïve Bayes para la extracción de conocimiento en bases de datos, Revista Ingenierías, No. 27, 2004. 5. Pearl, J., Probabilistic Reasoning in Intelligent Systems: Networks of Plausible Inference, Morgan Kaufmann, September 1988. 6. Jensen, F. V., An introduction to Bayesian networks. Aalborg University. Springer. 1996. 7. Zadeh, L., Fuzzy sets, Information and Control, Vol. 8, 338-353, 1965. 8. Sii, H.S., Ruxton, T., Wang, J., Synthesis using fuzzy set theory and a Dempster-Shafer-based approach to comprise decision-making with multiple-attributes applied to risk control options selection, Proceedings of IMechE Vol.216 Part E, Pg. 15-29, 2002. 9. Yager, R. 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Expert Systems with Applications, 20, 2001, 357-367 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Los rostros del científico MANUEL ROJAS GARCIDUEÑAS La actividad científica es un ejercicio que puede efectuarse de diversas maneras. En el presente trabajo se caracterizan los diferentes facetas presentadas por los diferentes actores de la ciencia, con el fin de aclarar, en la mayor medida posible, algunos conceptos a los jóvenes interesados en seguir este tipo de carreras. EL CIENTÍFICO COMO INVESTIGADOR El investigador orientado a la ciencia básica indaga sobre fenómenos más o menos generales cuya explicación es insuficiente o debatible; para ello elabora hipótesis, las contrasta con otras alternativas y las prueba con experimentos. El investigador aplicado procede de igual forma, pero, a diferencia del investigador en ciencia básica, descansa en las explicaciones generales y las aplica para solucionar problemas específicos. En ambos casos la ciencia es creación. En general, el investigador es imaginativo pero procede de modo analítico en su indagatoria. Una característica que debe cumplir un buen científico es: que sus conocimientos sean actualizados y expuestos a la crítica de otros científicos, evitando “casarse con sus ideas”. También debe dominar las técnicas que le permitan diseñar y ejecutar los experimentos probatorios. Otra cualidad necesaria es el tesón para perseguir soluciones. Algo digno de resaltar es que la libertad en su trabajo es una exigencia, por ello el entorno ideal es la universidad o el instituto. Es cierto que actualmente se realiza mucha investigación en las grandes empresas, pero aun ahí los investigadores deben tener libertad para crear; aun exigiendo el secreto tecnológico, la empresa debe entender que la verdadera investigación no puede comprometerse a llegar a los resultados que se desean o resolver incógnitas en un tiempo predeterminado. El investigador en ciencia básica no es, en general, muy apreciado en países con poco desarrollo, ya que existen prioridades, necesidad de resultados a corto plazo y escasez de dinero que exigen solucionar problemas específicos de interés social. Sin embargo, debe considerarse que la investigación básica es la fuente del desarrollo tecnológico, y sin ésta, un país estará siempre supeditado a otros. Artículo publicado en la revista CienciaUANL, Vol. VIII, No. 2, abr-jun 2005. EL CIENTÍFICO COMO PROFESOR El perfil del científico dedicado a la docencia de modo total o prioritario es diferente al del investigador. La ciencia es acumulativa y si bien el profesor debe Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 43 �Los rostros del científico / Manuel Rojas Garcidueñas estar actualizado (cualidad primordial en el ámbito superior), es conveniente que al exponer tópicos importantes haga referencia a cómo se llegó a éstos y cómo, a la vez que han cambiado a lo largo del tiempo, han modificado la visión del mundo, lo que exige cierto conocimiento de la historia de la ciencia y su concepción, tópicos que usualmente no interesan al puro investigador. También es de capital importancia para su labor educativa que el profesor posea una cultura general, así podrá relacionar el conocimiento científico con la vida cotidiana y con otras ramas del saber, engrosando el caudal de conocimiento que transmite a sus alumnos. Además de conocer los principales textos de su materia y ser asiduo lector de revistas científicas, el profesor de ciencias en el ámbito superior debe ser fiel a su profesión, acudir a congresos y publicar en revistas apropiadas, es decir, debe crear a partir de lo que conoce, de otro modo sólo será repetidor de conocimientos ya superados. El investigador tiene mente analítica, pero el profesor, además, necesita saber seleccionar y sintetizar los conocimientos para su exposición. Debe equilibrar la justicia con la comprensión y cierto carisma sin el cual los alumnos lo sentirán distante. La educación científica supone enseñanza experimental; el profesor de ciencias debe saber utilizar tanto los medios de enseñanza teóricos 44 como las destrezas prácticas. Asimismo, el profesorinvestigador debe saber redactar escritos científicos y transmitir este conocimiento a sus alumnos, ya que algunos de éstos van a escribir tesis, otros más escribirán reportes de trabajo, ensayos, etc., los cuales deben presentarse con lógica, claridad y concisión, tal como lo exige el espíritu científico. Como se ha mencionado líneas arriba, la libertad en el trabajo científico es una exigencia; si bien el profesor debe ceñirse al programa establecido, necesita libertad en la exposición de sus cursos; la libertad académica es básica en la educación superior, pero debe aplicarse con equilibrio y con respeto a la verdad científica y a los fines del curso. Entre la docencia y la investigación existen rasgos poco compatibles, pero al aunarlas surgen infinidad de ventajas, y con un poco de esfuerzo puede cumplirse con ambas con bastante provecho para los estudiantes, aunque es cierto que pocos investigadores de excelencia poseen la misma calidad como profesores, también es cierto que la motivación que su personalidad brinda a sus alumnos es muy positiva. EL CIENTÍFICO COMO PROFESIONISTA El profesional en alguna área de la ciencia o la tecnología, o profesionista como se le denomina comúnmente en México, es el científico más conocido por la sociedad, porque interactúa con ésta. Es el practicante de la ciencia de mayor importancia social, pues lleva a la gente común los bienes y logros del conocimiento. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Los rostros del científico / Manuel Rojas Garcidueñas Algunos dudarán en llamar científico a un médico, químico o ingeniero, no obstante, ellos basan su actividad en conocimientos científicos y los aplican para solucionar problemas específicos que no podrían enfrentar sin las bases teóricas y las destrezas adquiridas en su profesión. El profesionista no especializado simplemente aplica el saber adquirido, y su labor en algunos casos se aproxima a una labor técnica, a diferencia de éste, el especialista se aproxima al verdadero científico, porque a veces precisa investigar o hacer una indagatoria bibliográfica o experimental para solucionar un caso difícil. La frontera entre ciencia aplicada y tecnología es muy tenue en ocasiones. El profesional en alguna ciencia debe tener conocimientos actualizados y un gran sentido de responsabilidad social, manteniendo, como el profesor, una doble lealtad: a su profesión y a la institución en la que labora. No siempre es fácil; existen casos en los cuales los nuevos productos desarrollados por los tecnólogos de una compañía son patentados para impedir que éstos salgan al mercado, porque representan la exigencia de cambiar las líneas de producción de la empresa. Ésta es una deslealtad a los propósitos de la investigación científica o tecnológica. EL CIENTÍFICO COMO ADMINISTRADOR Cualquier comunidad científica (universidad, hospital, instituto, etc.) necesita una estructura de gobierno y administración. Estas tareas exigen habilidad de mando y energía aunada al respeto del personal, pues es de sobra conocido que los académicos suelen ser susceptibles y, según decía un dirigente universitario, “tienen los callos muy grandes”. En México es común colocar en puestos directivos al investigador o al profesor más destacado, por lo tanto, con frecuencia se pierde a un buen científico para ganar un mal administrador. Sin embargo, es mayor error todavía colocar en estos puestos a quienes teniendo dotes de jefe y administrador carecen de visión científica, pues una institución dedicada a la ciencia no debe manejarse como una empresa cuya meta sean logros económicos, y la asignación de recursos y los programas de trabajo Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 deben hacerlos quienes conozcan las necesidades y prioridades pertinentes al desarrollo científico, sea básico, aplicado o educacional. Afortunadamente hay casos en que un buen científico posee dotes de dirigente y accede a tal puesto sin abandonar la práctica de la ciencia. EL CIENTÍFICO COMO DIFUSOR La ciencia no puede desarrollarse en una sociedad que no la entienda ni la aprecie. Es importante que existan personas que comuniquen a la gente no sólo las novedades originadas en otros países, sino conceptos que lleven a una comprensión del quehacer científico, qué persigue, y una visión científica, si bien somera, de la naturaleza de la sociedad. El difusor de la ciencia, aunque quizá en algunas cosas no la practique, debe conocer el tópico que difunde, lo que le obliga a la lectura atenta de libros y revistas apropiadas. Ya sea que escriba artículos o prepare charlas radiofónicas o audiovisuales, deberá hacerlo en forma clara, atractiva y de modo interesante, apropiado al público a quien se dirige: niños, estudiantes medios o avanzados, etc. En realidad, es muy difícil dirigirse a un público general, y pocos textos pueden considerarse realmente útiles para ello; muchas revistas consideradas de difusión científica quedan fuera del alcance de personas con no más de seis años de escolaridad, como muchos mexicanos, lo que constituye un rezago para el avance científico. 45 �Los rostros del científico / Manuel Rojas Garcidueñas salud” en lugar del correcto “productos químicos”, pues “varios químicos importantes para la salud” significa un grupo de farmacéuticos. El lector puede meditar sobre esto, comparando la significación y traducción del nombre de dos conocidas revistas de difusión científica: American Scientist y Scientific American. Actualmente, el difusor de ciencia debe ser capaz de traducir del inglés. Por desgracia, a veces lo más deficiente es el español, cuyo lenguaje técnico se ha ido deteriorando, y no es raro encontrar aun en libros “epidermal” por epidérmico; “estomatas” por estomas, etc. Hoy día traducen “chemical” como químico, pero lo usan como sustantivo y hablan de productos con “varios químicos importantes para la COMENTARIOS FINALES En resumen, el quehacer científico no es sólo estar inmerso en un laboratorio con matraces, tubos de ensayo, microscopios y muchos otros instrumentos, ni se supedita sólo a las ciencias que utilizan estos objetos. La actividad científica se puede desarrollar de otras formas no menos importantes; el quehacer científico también existe al interactuar con otras personas, con otros científicos; al investigar y estar en constante aprendizaje, sobre todo al difundir y, lo que parece más importante, aplicar, transmitir y generar el conocimiento. El INSTITUTO MEXICANO DE ACÚSTICA Invita al 12th CONGRESO INTERNACIONAL MEXICANO DE ACÚSTICA 26 - 28 de Octubre de 2005 STA. CRUZ, TLAXCALA, MEXICO Instituciones colaboradoras: Cenidet, Centro Nacional de Metrología, Colegio de Ingenieros en Comunicaciones y Electrónica, Instituto Politécnico Nacional, Tecnológico de Veracruz, Universidad Autónoma de Nuevo León, Universidad de Guadalajara, Universidad de Guanajuato, Universidad Latina de América, Universidad Tecnológica Vicente Pérez Rosales. Temáticas: Audio, Acústica Arquitectónica, Música, MIDI, Vibraciones Mecánicas, DSP, Bioacústica, Acústica Física, Ruido, Comunicaciones, Normas, Etc. Conferencias, Posters, Cursos, Exposición. INFORMACIÓN Coordinador General M.C. Sergio Beristain; sberista@hotmail.com Apartado Postal 12-1022, Col. Narvarte 03001 México D. F. Tel. (01 55) 5682-2830, 5682-5525, Fax (01 55) 5523-4742. Región Norte: M.C. Fernando Elizondo Garza; fjelizon@hotmail.com Región Occidente: Dra. Martha G. Orozco M.; morozco@maiz.cucba.udg.mx 46 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Aplicación del cálculo fraccional en el modelado de la viscoelásticidad en polímeros Parte II: Manifestación dieléctrica de la viscoelasticidad Martín Edgar Reyes Melo, Carlos Alberto Guerrero Salazar, Ubaldo Ortiz Méndez DIMAT FIME-UANL Pedro de Alba S/N, San Nicolás de los Garza 66451, Nuevo León México. cguerrer@ccr.dsi.uanl.mx Juan Jorge Martínez Vega Laboratoire de Génie Électrique de Toulouse. Université Paul Sabatier 118, route de Narbonne 31062, Toulouse Cedex 4 France. juan.martinez@lget.ups-tlse.fr RESUMEN La manifestación viscoelástica dieléctrica de los polímeros implica un almacenamiento y disipación parcial de la energía cuando se aplica un estímulo eléctrico a dichos materiales. A nivel molecular la disipación parcial de energía (fenómeno de relajación) está asociada a diversos tipos de movimientos de segmentos dipolares presentes en las cadenas poliméricas, lo que se traduce en variaciones importantes de sus propiedades macroscópicas, como la permitividad relativa, εr. En este trabajo presentaremos el modelado de la permitividad relativa compleja (εr*) de los materiales poliméricos. En dicho análisis se modificó el modelo clásico de Debye sustituyendo la resistencia eléctrica por un nuevo elemento fraccional eléctrico denominado “cap-resistor”, cuya ecuación constitutiva relaciona el voltaje aplicado con la carga eléctrica, por medio de un operador diferencial de orden fraccionario entre 0 y 1. Para la validación de dicho Modelo Fraccional Dieléctrico (MFD), fueron comparadas las predicciones teóricas con resultados experimentales de un polímero importante a nivel industrial; el Polinaftalato de etilen glicol o PEN. PALABRAS CLAVE Cálculo fraccional, viscoelasticidad, relajaciones dieléctricas, PEN. ABSTRACT The dielectric viscoelasticity of polymers is a simultaneous storage and dissipation of energy under an electric stress applied. At a molecular level, the partial energy dissipation (dielectric relaxation phenomenon) is Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 47 �Aplicación del cálculo fraccional en el modelado... / Martín Edgar Reyes Melo, et al associated to several types of molecular motions of polymer chains. These molecular movements are manifested as important variations of the polymer macroscopic properties, as for example the complex permittivity,εr. In the second part of this work the aim is the modeling of the complex permittivity, which represents the dielectric manifestation of the polymer viscoelasticity. The Dielectric Fractional Model is based on the concepts of differential and integral operators of arbitrary order (fractional calculus). With these fractional operators we have modified the classical Debye Model changing electric resistances for a new fractional element named “cap-resistor” to obtain a better description of the viscoelasticity than the classical models having differential equations of integer order. For the validation of this dielectric Fractional Model (DFM), theoretical predictions with experimental results of a polymeric material (PEN) were compared. KEYWORDS Fractional calculus, viscoelasticity, dielectric relaxations, PEN. INTRODUCCIÓN El comportamiento viscoelástico de los polímeros es producto de su compleja estructura semicristalina. Bajo la aplicación de un esfuerzo (mecánico, eléctrico, o térmico, entre otros) la parte amorfa presenta movilidad molecular relacionada con fenómenos de relajación, los cuales se definen como los ajustes de un sistema a nuevas condiciones de equilibrio, cuando una variable externa se modifica. Los movimientos moleculares se traducen en variaciones importantes de las propiedades macroscópicas de los polímeros. Es evidente, entonces, la importancia del estudio de la movilidad molecular en estos materiales y una vía es el modelado de algunas de sus propiedades macroscópicas, como por ejemplo, el módulo elástico complejo (E*) y la permitividad relativa compleja (εr*). Dichas propiedades se miden a partir de un análisis dinámico, en el cual el estímulo (mecánico o eléctrico) se aplica de una manera periódica sinusoidal.1-3 En la Parte I de este trabajo4 se presentó el desarrollo del Modelo Fraccional Mecánico (MFM) 48 . En ese para la representación del caso se utilizaron nuevos elementos reológicos denominados “spring-pots”. La ecuación constitutiva para un “spring-pot” define la relación esfuerzodeformación bajo el marco del cálculo fraccional. Con el MFM, se obtuvieron espectros de las partes real (E’) e imaginaria (E’’) de E*, que predicen de manera correcta la manifestación mecánica de la viscoelásticidad del Politereftalato de etilen glicol o PET. Dichos espectros de E’(T) y de E’’(T) son producto de 3 tipos de movilidad molecular en un intervalo de temperatura entre –150 y 150°C. En esta segunda parte presentaremos una extensión del MFM a las propiedades dieléctricas de los polímeros. Es decir, bajo el mismo marco del cálculo fraccional obtener un Modelo Fraccional Dieléctrico (MFD) para la representación de la εr* en un amplio intervalo de frecuencias y temperaturas. Las mediciones de la εr* se obtienen a partir del Analizador Dieléctrico Dinámico (ADD), cuyo principio de funcionamiento se esquematiza en la figura 1. En esta técnica, el polímero es sometido a una tensión eléctrica periódica de tipo sinusoidal (producida por el generador) a una frecuencia de pulsación angular, , en donde f es la frecuencia en Hertz. La corriente compleja, I*, que atraviesa la película polimérica se convierte en un voltaje con la ayuda de una resistencia eléctrica, R, y con la ayuda de 2 voltímetros se miden los voltajes complejos V1* y V2*, de tal manera que la impedancia compleja Z* se calcula con la ecuación de la figura 1. Fig. 1. Esquema del analizador dieléctrico dinámico. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Aplicación del cálculo fraccional en el modelado... / Martín Edgar Reyes Melo, et al Debido a la viscoelasticidad del polímero, el voltaje y la corriente tienen un ángulo de desfase, θ, lo que permite expresar dichas variables como números complejos, ver figura 2. Fig. 2. Cálculo de εr*, en donde es el factor de pérdida, A es el área de los electrodos (fig.1), d es el espesor de la película polimérica y ε0 es la permitividad del vacío. Entonces, la permitividad relativa también se puede expresar como un número complejo (εr*=εr’- iεr’’). La parte real (εr’) está asociada al almacenamiento de energía y la parte imaginaria (ε r’’) traduce la disipación de la misma. Las mediciones experimentales se pueden efectuar de dos maneras: 1. A temperatura constante, se obtienen los espectros de ε r’ y de ε r’’ en función de la frecuencia (condiciones isotérmicas) 2. A una frecuencia constante, se obtienen los espectros de ε r’ y de ε r’’ en función de la temperatura (condiciones isócronas). Consecuentemente, el modelo que se necesita para describir la manifestación dieléctrica de la viscoelasticidad debe ser capaz de predecir el comportamiento en función de la frecuencia y en función de la temperatura. Cabe hacer mención que los espectros experimentales en función de la temperatura se obtienen con menor dificultad que los espectros en función de la frecuencia. Los modelos que tradicionalmente se utilizan como una primera aproximación para el análisis de la εr* son ecuaciones con operadores diferenciales e integrales de orden entero.5 Dichos modelos se Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 pueden representar a través de circuitos eléctricos análogos a base de elementos eléctricos simples: resistencias y condensadores, los cuales no pueden predecir de manera precisa los espectros de εr’ y de εr’’ de los sistemas poliméricos. El objetivo de este trabajo es el desarrollo del MFD para la representación de los tres fenómenos de relajación dieléctrica que caracterizan a los materiales poliméricos que son de amplia utilización en la industria eléctrica y electrónica, tal es el caso del Polinaftalato de etilen glicol o PEN. La validación del modelo propuesto se efectuó comparando las predicciones teóricas con los resultados experimentales para el PEN obtenidos a partir del ADD. Tal y como el PET, el PEN es un polímero termoplástico semicristalino que pertenece a la familia de los poliésteres, pero el PEN presenta dos anillos aromáticos en su unidad repetitiva, ver figura 3. El grupo naftalato del PEN es mucho más rígido que el grupo tereftalato del PET, lo que le confiere al PEN mejores propiedades6 térmicas, mecánicas y de barrera a los gases. El PEN presenta un punto de fusión el cual es 10°C más elevado que el Tm del PET. La Tg es de 122°C lo que representa 50°C por encima de la Tg del PET. Con respecto a la barrera a los gases, la permeabilidad al oxígeno es una quinta parte de la del PET. Fig. 3. Unidad repetitiva del PET y del PEN 49 �Aplicación del cálculo fraccional en el modelado... / Martín Edgar Reyes Melo, et al PARTE EXPERIMENTAL Las muestras de PEN estudiadas son películas de 45µm de espesor, las cuales presentan su grado máximo de cristalización, χ = 43% . Dichas películas fueron recubiertas con una delgada capa de oro en ambas caras con la finalidad de obtener un mejor contacto con los electrodos del espectrómetro dieléctrico utilizado: DEA2970 TA-Instruments. Las mediciones experimentales de ε r * se efectuaron en condiciones isócronas entre –100 y 180°C. La figura 4 muestra los espectros de εr’ y de εr’’ para el PEN ( χ = 43% ) a una frecuencia de 10 Hz. PEN. La movilidad molecular en α se efectúa de manera simultánea y coordinada (cooperatividad), estos movimientos son de largo alcance y son inducidos por rearreglos conformacionales de toda la cadena7,8 y que se traducen por una variación importante de εr’(T) de 3.86 a 4.44. Los espectros experimentales de la figura 4 son la manifestación dieléctrica del comportamiento viscoelástico del PEN. Dichos espectros no pueden obtenerse con los modelos clásicos análogos representados por circuitos de capacitores y resistencias eléctricas, tal como el modelo de Debye mostrado en la figura 5. Fig. 4. εr’(T) y εr’’(T) para una muestra de PEN con un estado de cristalinidad saturado χ≈43%. Las relajaciones dieléctricas se identifican como picos en la curva εr’’(T). Cada pico corresponde a un incremento importante de εr’ cuando la temperatura aumenta. A bajas temperaturas (T≈-60°C) en εr’’(T) se presenta un pico denominado β (de amplitud 0.015) asociado a un aumento de εr’ (de 3.49 a 3.62) cuando la temperatura se incrementa. El proceso β se presenta a lo largo de un intervalo de temperaturas extenso y está relacionado con movimientos moleculares localizados de los grupos carboxilo de las cadenas de PEN7,8. A T≈70°C, εr’’(T) presenta un pico β* (de amplitud 0.026) asociado también a una variación de εr’(T) (de 3.62 a 3.86). La movilidad molecular relacionada con β* corresponde a movimientos moleculares parcialmente cooperativos de los grupos naftalatos.7,8 Finalmente a T≈140°C εr’’(T) presenta un máximo denominado α, que corresponde a la manifestación dieléctrica de la transición vítrea del 50 Fig. 5. Circuito eléctrico que representa el modelo clásico de Debye. En la figura 5 se puede constatar que los espectros εr’(T) y εr’’(T) calculados a partir del modelo de Debye no corresponden a la forma de las curvas experimentales del PEN presentadas en la figura 4. Esto se debe, en parte a que los operadores diferenciales en el modelo clásico de Debye son de orden entero. Además, solamente se obtiene un pico en εr’’(T) que correspondería a un solo fenómeno de relajación dieléctrica. Ante esta problemática, los operadores diferenciales e integrales de orden fraccionario son una alternativa para poder representar la manifestación dieléctrica de la viscoelasticidad de los polímeros, caracterizada por un comportamiento eléctrico intermediario entre un capacitor y una resistencia eléctrica. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Aplicación del cálculo fraccional en el modelado... / Martín Edgar Reyes Melo, et al En la figura 6 se presenta este nuevo elemento eléctrico denominado “cap-resistor”, cuya ecuación constitutiva presenta un operador diferencial de orden fraccionario entre 0 y1. embargo, podemos recurrir de una manera análoga a como se hizo para la parte mecánica,4 es decir modificar el modelo de Debye remplazando en este caso las resistencias eléctricas por “cap-resistors”, y como es necesario representar 3 relajaciones dieléctricas será necesario construir un circuito en paralelo de 3 modelos de Debye modificados con “cap-resistors”. MODELO FRACCIONAL DIELÉCTRICO (MFD) El Modelo Fraccional Dieléctrico propuesto (figura 7) está constituido por un arreglo en paralelo de 3 Modelos de Debye Modificados (MDM). Cada MDM está asociado a un proceso de relajación dieléctrica. El primer MDM está relacionado con los movimientos moleculares cooperativos de la relajación α, para lo cual ha sido necesario utilizar dos “cap-resistors”, a representa los tiempos de relajación cortos (a baja temperatura) de la relajación α y el “cap-resistor” b representa los tiempos largos (alta temperatura). El segundo MDM está asociado a Fig. 6. El “cap-resistor” En donde C y R son la capacitancia y la resistencia eléctrica, respectivamente, asociadas al “capse define resistor”. El operador diferencial 5,9,10 de la siguiente manera. Dta Q(t ) = t 1 −a D ∫ (t − y ) Q(y )dy Γ(1 − a ) 0 (1) en donde Γ es la función gamma: ∞ Γ(m ) = ∫ e −u u m−1du, con m>0 0 (2) La ecuación 1 se obtiene a partir de la definición de una integral de orden fraccionario entre c y t, que se conoce con el nombre de operador de Rieamann-Liouville y que se expresa de la siguiente manera:5,9,10 −a c Dt Q (t ) = t 1 (t − y )a −1 Q(y )dy Γ(a ) ∫c con a>0 (3) Con un “cap-resistor” no es posible representar las curvas experimentales εr’(T) y εr’’(T) del PEN.5 Sin Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 Fig. 7. Modelo Fraccional Dieléctrico (MFD). 51 �Aplicación del cálculo fraccional en el modelado... / Martín Edgar Reyes Melo, et al la movilidad molecular de los grupos naftalato de las cadenas del PEN. En este caso, solamente se requiere un “cap-resistor”, c. El último MDM también con un solo “cap-resistor”, d, está asociado a la movilidad molecular de los grupos carboxilo del PEN. La permitividad relativa compleja calculada para el MFD es igual a la suma de las permitividades relativas complejas individuales de los MDM 1, 2 y 3: 3 3 3 k =1 k =1 k =1 ε r * = ε r '−iε r ' ' = ∑ εk r * = ∑ εk r ' − i ∑ εk r ' ' (4) La ecuación 4 nos muestra que es posible calcular εr* a partir de las permitividades individuales del MFD, lo cual puede hacerse a partir de las ecuaciones constitutivas individuales que representan a los MDM 1, 2 y 3. Las ecuaciones 5, 6, y 7 corresponden respectivamente a los elementos 1, 2 y 3 de nuestro MFD14: Q1 = C1∞V 1 + (C1S − C1∞ ) . ⎡ − −⎛ Q1 − C1∞V 1 ⎞⎟ −b −b ⎛⎜ Q1 − C1∞V 1 ⎞⎟ ⎤ + τ b Dt ⎜ V 1 − ⎢τ a a Dt a ⎜⎜ V 1 − ⎟ ⎟⎥ C1S − C1∞ ⎠ C1S − C1∞ ⎠ ⎥⎦ (5) ⎢⎣ ⎝ ⎝ V2 = V3 = c c τ Q2 − C 2∞ V 2 + Dtc (Q 2 − C 2 ∞ V 2 ) C 2 S − C 2 ∞ C 2 S − C 2∞ (6) Q3 − C3∞ V 3 τ cc Dtc (Q3 − C3∞ V 3) + C3S − C3∞ C3S − C3∞ (7) Aplicando la transformada de Fourier a las ecuaciones 5, 6 y 7, fueron calculadas las ecuaciones necesarias para definir εkr* (tabla I). La transformada de Fourier para un operador diferencial de orden fraccional a (0<a<1) es la siguiente:5,9,10,11 [ ] F Dta [f (t )] = (iω ) F [f (t )] en donde manera: a (8) se define de la siguiente ∞ F [f (t )] = ∫ f (t )exp (− iωt )dt = f * (iω ) 0 (9) A partir de las ecuaciones 10, 11 y 12 fueron calculadas las partes real e imaginaria de cada permitividad compleja individual, lo que 52 Tabla I. Permitividades relativas complejas individuales. MDF número k 1 (α) 2 (β∗) 3 (β) Permitividad relativa compleja (εkr*) ε 1r * = ( ε1r∞ + ε 1rs (iωτ a ) + (iωτ b ) −a −b 1 + (iωτ a ) + (iωτ b ) ε 2 r * = ε 2 r∞ + ε 3 r * = ε 3 r∞ + −a −b ) (10) ε 2 rs − ε 2 r∞ c 1 + (iωτ c ) (11) ε 3 rs − ε 3 r∞ 1 + (iωτ d ) d (12) permitió calcular las partes real e imaginaria de la permitividad compleja global (εr*) del MFD.5 Los parámetros τa, τb, τc y τd, son función de la temperatura y su expresión analítica depende de la naturaleza cooperativa o no cooperativa de la movilidad molecular correspondiente.5,12,13,14 Para los movimientos moleculares no cooperativos de la relajación β la expresión analítica de τ sigue un comportamiento de tipo Arrhenius.12-14 ⎛ Ea ⎞ ⎟⎟ τ = τ 0 exp⎜⎜ ⎝ k BT ⎠ (12) En donde Ea es la energía de activación, kB es la constante de Boltzman, τ0 es un factor preexponencial que presenta valores entre 10-16 y 1013 segundos. Los valores de τ0 alrededor de 10-13 segundos corresponden a los tiempos de relajación de la vibración atómica y los valores alrededor de 10-16 segundos están asociados a una contribución de la entropía del sistema.14 Para los movimientos cooperativos α y los parcialmente cooperativos β* la expresión analítica sigue una ley de potencia (ecuación 13), en donde la energía de activación depende del número de entidades elementales (Z*) que se mueven de una manera cooperativa.5,13,14 ⎡ ⎛ ∆µ ⎞ ⎤ ⎛ Z * (∆µ )⎞ ⎟⎟ = τ 0 ⎢exp⎜⎜ ⎟⎟⎥ τ = τ 0 exp⎜⎜ ⎝ k BT ⎠ ⎣ ⎝ k B T ⎠⎦ Z* (13) Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Aplicación del cálculo fraccional en el modelado... / Martín Edgar Reyes Melo, et al El término es la energía de activación individual de los movimientos de base que constituyen la movilidad cooperativa y representa la energía de activación del conjunto de movimientos cooperativos. El parámetro Z* depende de la estructura del polímero y para su cálculo se utilizó la siguiente relación.5,13,14 Z* ≈ La figura 9 muestra los diagramas de la figura 8 en el plano complejo, dichos diagramas se conocen como diagramas de Cole-Cole. T T * −T0 T * T − T0 (14) La temperatura T* para el caso de polímeros en un estado semi-cristalino saturado es equivalente a la temperatura de fusión.13 T0 es la temperatura por debajo de la cual el tiempo de relajación tiende a infinito, para el caso de la relajación α muchos polímeros13,14 presentan un valor de T0 ≈ T − 50°C . COMPARACIÓN ENTRE LAS PREDICCIONES T E Ó R I C A S Y L O S R E S U LTA D O S EXPERIMENTALES La figura 8 muestra como nuestro MFD representa de una manera precisa los resultados experimentales del PEN estudiado, a excepción de la contribución de la conductividad5,7 que se presenta a temperaturas superiores a 160°C y que se manifiesta por un incremento de εr’’ cuando T aumenta. Fig. 9. Diagrama de Cole-Cole correspondiente a los espectros de la figura 8. A partir de los diagramas experimentales de la figura 9 se calcularon los órdenes fraccionarios para cada “cap-resistor” del MFD. La figura 10 es un esquema en el que se muestra la relación que existe entre los órdenes fraccionarios b, a, c y d, y los diagramas de Cole-Cole individuales de los elementos 1, 2, y 3 del MFD. Fig. 10. Diagramas de Cole-Cole individuales del MFD. Fig. 8. Comparación de las predicciones teóricas y resultados experimentales de εr’(T) y de εr’’(T) a una frecuencia de 10 Hz. Los resultados experimentales son los presentados en la figura 4. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 Los valores numéricos de los parámetros del MFD que fueron utilizados para reproducir los valores experimentales se muestran en la tabla II. 53 �Aplicación del cálculo fraccional en el modelado... / Martín Edgar Reyes Melo, et al Tabla II. Valores numéricos de los parámetros utilizados en las figuras 7, 8, y 9. Movilidad molecular α Movimientos moleculares cooperativos β* Movimientos moleculares parcialmente cooperativos β Movimientos moleculares no cooperativos Parámetros a 0.41 b 0.24 ε1rs-ε1r∞ 0.58 c 0.19 ε2rs-ε2r∞ 0.25 d 0.17 ε3rs-ε3r∞ 0.24 Los órdenes fraccionarios presentan la siguiente relación: b>a>c>d. El valor más pequeño d, corresponde a la relajación β que se presenta a muy bajas temperaturas (por debajo de –60°C), mientras que el valor más alto b, está asociado a los movimientos moleculares de la relajación α, a temperaturas ligeramente superiores a 120°C. El parámetro c corresponde a la relajación β*. En la figura 8 puede constatarse que para la curva εr’’(T) el mínimo localizado entre β* y α está asociado a los parámetros c y a. Por otra parte, el mínimo localizado entre β* y β está asociado a los parámetros c y d. Se ha demostrado para otros polímeros amorfos que el mínimo entre la relajación principal α y una relajación secundaria es muy sensible al proceso de envejecimiento físico que sufren dichos materiales.10 En lo referente a los parámetros cinéticos utilizados para definir los tiempos de relajación τa, τb, τc y τd, podemos decir que para el caso de la relajación α, la energía de activación (en el intervalo T*>T>T0) depende de la temperatura, ver figura 11. Como referencia se tiene que la energía del enlace covalente carbono-carbono es de 334kJ/mol. Para el caso de la relajación α, hemos podido constatar que Toα≈Tg-50°C y T*≈Tm del PEN, estos valores concuerdan con los reportados para muchos polímeros semicristalinos. 13 Con respecto a la relajación β*, la dependencia en temperatura de la energía de activación es menos pronunciada, en este caso T*≈Tm y Toβ*<Tg-50°C. 54 Fig. 11. Predicciones de las energías de activación calculadas a partir de los parámetros de activación utilizados en las figuras 8 y 9. En el caso de la relajación β, la energía de activación es constante y de una magnitud tal que pueden asociarse a movimientos moleculares muy localizados, es decir, movimientos moleculares no cooperativos. CONCLUSIÓN Los operadores diferenciales e integrales de orden arbitrario han permitido desarrollar un modelo capaz de predecir la manifestación dieléctrica de la viscolelasticidad de un polímero que presenta tres fenómenos de relajación dieléctrica. La comparación entre los resultados experimentales y los predicciones teóricas muestran que las mediciones experimentales son reproducidas por nuestro MFD. Considerando que cuando el orden fraccionario de un “cap-resistor” se acerca a la unidad la disipación de energía se incrementa (comportamiento de una resistencia eléctrica) y por el contrario cuando dicho parámetro tiende a 0 la energía almacenada se hace más importante que la disipada (comportamiento de un capacitor), podemos concluir que a medida que la temperatura se incrementa los movimientos moleculares correspondientes disipan más energía (b>a>c>d). Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Aplicación del cálculo fraccional en el modelado... / Martín Edgar Reyes Melo, et al AGRADECIMIENTOS Los autores agradecemos a los organismos ECOS (Francia), ANUIES y la UANL de México, por el apoyo financiero aportado durante la realización de este trabajo. REFERENCIAS 1. Ferry, J.D. “Viscoelastic properties of polymers”, 3th edition, John Wiley & Sons, USA 1980. 2. 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Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 7. Martínez-Vega, J. J., Zouzou, N., Boudou, L., Guastavino, J.; “Molecular mobility in amorphous and partially crystalline PEN after isothermal crystallization”, IEEE Tand. DEI, 2001, Vol.8, No.5, pp.776-784. 8. Hardy, L., Stevenson, I., Fritz, A., Boiteux, G., Seytre, G., Schönhals, A. ; “Dielectric and dynamic mechanical relaxation behaviour of poly(ethylene 2,6-naphthalene dicarboxylate). II.Semicrystalline oriented films”, Polymer, 2003, Vol.44, pp.4311-4323. 9. Koeller, R.C.; “Applications of fractional calculus to the theory of viscoelasticity”, Journal of Applied Mechanics, Transactions ASME, 1984, Vol.51, No.2, pp.299-307. 10. Alcoutlabi, M., Martínez-Vega, J. J.; “Application of fractional calculus to viscoelastic behaviour modelling and to physical ageing phenomenon in glassy amorphous polymers”, Polymer, 1998, Vol.39, No.25, pp.6269-6277. 11. Le Méhuaté, A., Nigmatullin, R.R., Nivanen, L.; “Fléches du temps et géométrie fractale”, Hermes, 2e édition, Paris, France, 1998. 12. Lewis, T.J., “Ageing-a perspective”, IEEE Electrical Insulation Magazine, 2001, Vol.17, No.4, pp.6-16. 13. Rault, J., “Origin of the Voguel-FulcherTammann law in glass-forming materials: the α-β bifurcation”, Journal of Non-Crystalline Solids, 2000, Vol.271, pp.177-217. 14. Matsuoka, S.; “Entropy, free volume, and cooperative relaxation”, Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 1997, Vol.102, No.2, pp.213-228. 55 �Localización de fallas en un proceso químico mediante redundancia analítica Plinio de León Cantón, Efraín Alcorta-García División de Posgrado, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Universidad Autónoma de Nuevo León, MÉXICO ealcorta@ieee.org Oscar Alberto Zanabria Sotomayor, Darci Odloak Departamento de Ingeniería Química, Escuela Politécnica Universidad de Sao Paulo, BRASIL oscar@lscp.pqi.ep.usp.br RESUMEN En este trabajo se considera el desarrollo de un esquema para el diagnóstico de fallas en los componentes de una Unidad Separadora con Fluido Catalítico (Fluid Catalytic Cracking Unit (FCC)). El algoritmo considerado está basado en una linealización de la unidad FCC no lineal y en un procedimiento que utiliza observadores para el diagnóstico. Se modelan y simulan cuatro fallas en los componentes. El diseño resultante es verificado usando simulación no lineal de la unidad FCC. El desempeño del algoritmo utilizado para el diagnóstico es mostrado mediante simulaciones en los diferentes escenarios de falla. Se muestra que el método lineal basado en observadores es adecuado para la detección y localización de fallas en la unidad FCC, esto a pesar de la característica no lineal del proceso. PALABRAS CLAVE Refinación, redundancia analítica, fallas, observadores, linealización. f subs. 1 y1 subs. 2 y2 u ABSTRACT In this work the design of a fault diagnosis schema for the components of a Fluid Catalytic Cracking Unit (FCCU) is considered. The proposed algorithm is based on a linearization of the nonlinear model of the FCCU and observer-based fault detection. Four component faults are modeled and simulated. The proposed design is tested using nonlinear simulation of the FCCU. The performance of the algorithm is shown using simulation results in different fault sceneries. The linear observer-based approach considered could be used effectively in the detection and isolation of faults at the FCCU. KEYWORDS Refination, analytical redundancy, faults, observers, linearization. 56 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Localización de fallas en un proceso químico mediante redundancia analítica / Plinio de León Cantón, et al INTRODUCCIÓN La mejora del desempeño y seguridad de los procesos industriales reclama cada vez una mayor atención por parte de la comunidad científica. Un ejemplo de esto puede ser encontrado en la industria del petróleo, la cual es una de las más productivas en el mundo. Actualmente el área petroquímica reporta grandes pérdidas debidas a fallas en sus componentes. En estos procesos, debido a las cantidades de materia prima procesadas diariamente, inclusive pequeños incrementos en la eficiencia dan como resultado importantes dividendos económicos. Uno de los subprocesos más importantes dentro de la industria de refinación es la unidad de separación con fluido catalítico. La separación es un proceso lento, multivariable, fuertemente acoplado y no lineal. La detección y localización oportuna de fallas permite mejorar la seguridad y confiabilidad de los procesos industriales. Las técnicas de diagnóstico de fallas han sido estudiadas intensamente en los últimos 30 años.1, 2, 3, 4, 5 Los métodos basados en redundancia analítica hacen uso de mediciones, que se utilizan para el control, y del modelo matemático del proceso. En este trabajo se considera la unidad Separadora con Fluido Catalítico (FCC) “Kellog Orthoflow F” reactor/regenerador6 como planta sujeta a estudio, que en el contexto de diagnóstico de fallas ha sido considerada previamente. Se considera un esquema7 para la versión discretizada del AMOCO Model IV FCC. En este caso se utilizó un filtro de Kalman extendido y se presentó el análisis para dos fallas de los componentes. También en,8 basado en una metodología causal y heurística, un esquema Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 de diagnóstico fue aplicado a un proceso piloto FCC. Aquí fue explotado el conocimiento del operador para determinar el origen físico de una falla previamente localizada mediante diagnóstico utilizando gráficas causales. Sólo se consideraron resultados para dos variables medidas: presión en el piloto del striper y válvula de regulación de presión en el piloto del riser. El modelo IV FCC es un caso de estudio para una W-ASTRA (Wavelet theory-based Adaptive System for Trend Analysis).9 Note, sin embargo, que sólo se consideraron fallas en los sensores. Una metodología para configurar una red neuronal aplicada a la detección de fallas en una unidad FCC para ESSO ya ha sido propuesta.10 El resultado correspondiente se muestra en forma de histogramas para fallas simples, dobles y triples (pérdida de catálisis en la reacción del reactor y en el regenerador y pérdida de producción). En este trabajo se aplica un algoritmo de diagnóstico basado en observadores para la localización de fallas de la unidad FCC “Kellog Orthoflow F” reactor/regenerador considerando cuatro fallas. Se utilizan residuos estructurados para el modelo linealizado para detectar y localizar las cuatro fallas en cuestión. Los resultados obtenidos permiten detectar y localizar todas las fallas en los componentes estudiados lo que representa un avance con respecto a los resultados existentes en la literatura.7, 8, 9 y 10 DIAGNÓSTICO DE FALLAS MEDIANTE MÉTODOS BASADOS EN OBSERVADORES Los métodos de diagnóstico basados en observadores pertenecen al grupo de procedimientos basados en modelos y básicamente utilizan redundancia analítica para detectar y localizar fallas. El diagnóstico de fallas se lleva a cabo en dos pasos11: ● Primero se obtienen señales que dependen solamente de las fallas, las cuales son llamadas residuos. Un residuo debe de ser idealmente cero en ausencia de fallas y diferente de cero en otros casos. ● Se realiza una evaluación de los residuos generados previamente. Esto con la finalidad de poder determinar si una falla está presente y dónde se encuentra. 57 �Localización de fallas en un proceso químico mediante redundancia analítica / Plinio de León Cantón, et al Aún y cuando existen diferentes formas de calcular los observadores requeridos para la generación de residuos, la idea puede ser resumida como se muestra en la figura 1. Entrada en términos de variables de entrada conocidas a excepción quizá de las fallas a ser detectadas (figura 2). En caso de que la salida no proporcione toda la información sobre los estados perturbados del primer subsistema, se requiere aplicar recursivamente el procedimiento descrito por Hou.12 Salida Sistema f + ganancia - + Modelo Salida estimada u f y sistema subs. 1 y1 subs. 2 y2 u Residuo Fig. 2. Desacoplo Fig. 1. Idea básica del generador de residuos. Para la localización de fallas se requiere diseñar el residuo sensible a una falla e insensible a otras fallas. A este tipo de diseño se le denomina residuo estructurado.4, 11, 3 Diseño de residuos estructurados La sensibilidad a ciertas fallas requerida en los residuos se puede obtener mediante el uso de observadores con entradas desconocidas (UIO).4, 12 En este trabajo fue aplicado el método reportado por Hou.12 Considerar un sistema lineal e invariante en el tiempo descrito por x� (t ) = Ax( t ) + Bu ( t ) + E a f (t ) y (t ) = Cx( t ) + Du ( t ) donde es el vector de estado, es el vector de entrada, es el vector de salida, f son corresponde al vector de fallas y A, B, C, D y matrices constantes de dimensiones apropiadas. El UIO se diseña en dos pasos: primero se transforma el sistema original para separar el efecto de las fallas. Como resultado se tienen dos subsistemas: uno con la conexión directa a las fallas indeseables y otro libre de éstas. La parte del estado en el segundo subsistema perteneciente al primero debe de ser obtenido de la salida. De ser así, el segundo subsistema puede ser representado 58 Una representación esquemática del generador de residuos estructurado se presenta en la figura 3. sistema u y1 observador - + r Fig. 3. Generador de residuos estructurado. Evaluación de residuos Para el segundo paso, se requiere de una función de evaluación de residuos,13 así como un valor de umbral. Una manera de definir una función de evaluación es mediante el uso de normas de señales.13 El resultado de la función de evaluación se compara con un valor de umbral para decidir cuando una falla está presente. En este trabajo la evaluación de residuos se hace usando la sumatoria ponderada del valor absoluto de las muestras en una ventana de tiempo de longitud : rk T i 1 k i rk i donde T es el periodo de muestreo y una Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Localización de fallas en un proceso químico mediante redundancia analítica / Plinio de León Cantón, et al ponderación del residuo. La idea de ponderar la contribución de los residuos en cada instante k es para dar mayor valor a los residuos recientes. Lo anterior es para poder regular la sensibilidad a cambios en el residuo. Además de la función de evaluación se requiere también definir un valor de umbral.13 La dimensión del sistema bajo consideración dificulta la aplicación de un procedimiento analítico. En lugar de éste, se utilizó el valor más grande de la función de evaluación con residuos nominales (caso libre de fallas) para evitar falsas alarmas. En éste trabajo se utilizó una ventana de tiempo con longitud de muestras. En donde una asignación pequeña de se acerca al valor instantáneo del residuo y un valor muy grande de resulta en un residuo con una reacción lenta a cambios. LA UNIDAD DE SEPARACIÓN CON FLUIDO CATALÍTICO En general la unidad de Separación con Fluido Catalítico (FCC) juega un papel clave en la refinación como un proceso de conversión primario. La unidad recibe múltiples alimentaciones consistentes de componentes de alto punto de ebullición (gas oil) de otra unidad de proceso de refinación y separa este fluido en componentes ligeros. Una representación esquemática de la unidad FCC Kellog Orthoflow F reactor/regenerador se muestra en la figura 4. Como inicio del ciclo se alimenta combustible pre-calentado, de bajo valor, y se mezcla con vapor para ser inyectado en el riser del reactor. Una vez adentro se mezcla este fluido con catalizador caliente regenerado. El catalizador caliente provee el calor sensible, calor de vaporización y calor de reacción necesario para la reacción de separación endotérmica. Un material con carbono (coke) se deposita sobre la superficie del catalizador como resultado de la reacción de separación. El carbón coke desactiva al catalizador, por lo que se requiere una regeneración continua del catalizador. El catalizador utilizado pasa a través de una zona de recuperación, donde se inyecta vapor para remover hidrocarburos depositados. En el regenerador se quema el coke dejando activo el catalizador para ser utilizado nuevamente. El catalizador regenerado fluye a través de una válvula de control al riser. Una descripción Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 Fig. 4. FCC Kellog Orthoflow F reactor/regenerador.6 A, Riser (reactor tubular); B, Tanque del reactor; C, Cama del reactor (catalizador utilizado); D, Primer estado del regenerador fase densa; E, Segundo estado del regenerador fase densa; F, Fase diluida general; G, Válvula de catalizador regenerado; H, Válvula de catalizador utilizado; I, Ciclones del reactor ; J, Fase diluida segundo estado; K, Fase diluida primer estado; L, Regenerador; M, Stripper; N, Ciclones del regenerador. detallada del modelo lo presenta Lautenschlager.6 El modelo presentado está constituido por 26 ecuaciones diferenciales no lineales acopladas. El código de simulación para este sistema está escrito en lenguaje C y fue implementado en MATLAB/SIMULINK. 6 El modelo incluye un controlador PID para la presión del reactor, el nivel del catalizador en el reactor y la presión diferencial del regenerador/reactor. El sistema tiene la siguiente forma general: x g x ,u y h x donde es el vector de estado, es el vector de entradas y es el vector de salidas. En este caso se consideraron 26 estados, 9 entradas y 9 salidas. La planta opera en lazo cerrado. Se utiliza un control predictivo similar al presentado por Rodríguez.14 Se regulan cuatro salidas (temperatura del primer estado del regenerador en fase densa, temperatura del segundo estado del regenerador en fase densa, estimado de la severidad de la reacción de 59 �Localización de fallas en un proceso químico mediante redundancia analítica / Plinio de León Cantón, et al separación, temperatura de la mezcla de separación en el riser) utilizando cuatro entradas (radio de flujo de aire al regenerador, señal de la válvula de control de temperatura, radio del flujo de alimentación total y temperatura en la entrada del riser) del sistema. Linealización La linealización se realizó con ayuda del software simbólico de MATLAB para hacer una expansión en series de Taylor y truncarla en la parte lineal. g g x ,u x x 0, u 0 x A h h x x g x ,u u x 0, u 0 u B x 0, u0 x C Entonces el sistema linealizado puede escribirse como: x A y C x B x u Para probar el modelo obtenido los dos sistemas (el no lineal y el linealizado) se utiliza un cambio en el flujo de alimentación en el tiempo t=200 minutos. Además se agregó ruido blanco en las variables de la relación de flujo de aire al regenerador, la temperatura de entrada al riser y la señal de la válvula para el control de temperatura. Los resultados muestran que todas las salidas del modelo linealizado están cercanas a las correspondientes del modelo no lineal. Las desviaciones son menores al 3%. Modelado de fallas Tanto el tipo como la intensidad de las fallas fueron sugeridos por trabajadores de una Unidad FCC. Se ponen a consideración cuatro diferentes escenarios: ● Falla 1: Incremento del 10% en la densidad del catalizador gama. Cambios en las propiedades físicas del catalizador pueden ocasionar problemas de circulación. Una falla mecánica puede ocasionar pérdida de finura o densidad del catalizador. El indicador más obvio de que hay un problema con la circulación del catalizador es un cambio dramático en la presión en las válvulas. ● Falla 2: Decremento en 15% de la constante de estancamiento entre primer y segundo estado ). ( 60 ● Falla 3: Decremento de 10% de la constante de ( ). La unidad FCC la relación opera en balance de calor. La fuente primaria de energía en la unidad FCC es el coke. La combustión del coke en el regenerador de la unidad FCC proporciona la energía para realizar el proceso de separación. La relación entre CO y es un factor importante en el calor de la combustión de coke en el regenerador. ● Falla 4: Incremento del 5% del catalizador retenido en el reactor ( ). El catalizador retenido en el reactor es función de la relación de regeneración y flujo de catalizador usado. Para el modelado de fallas en los componentes, el programa original fue modificado de tal forma que se incluyeran las fallas multiplicativas antes mencionadas. Sin embargo, para el diseño del esquema de diagnóstico se utilizó una representación aditiva de fallas. Escenarios de falla En este trabajo se considera que sólo una falla puede ocurrir a la vez. Cada falla ocurre en t=200 minutos con la magnitud descrita en la sección de fallas. DISEÑO DE RESIDUOS Basados en la información sobre el número de fallas y el tipo de residuos estructurados, se requiere diseñar cuatro residuos. El primero será insensible a gama, pero sensible a las otras tres fallas. El segundo será sensible a gama, y pero insensible a . El tercero se diseña sensible a gama, y pero insensible a . El último debe ser insensible a y sensible a las demás fallas, como se aprecia en la tabla 1, en donde sensible. Cada residuo X significa insensible y está formado mediante el diseño de un observador de orden 25. El diseño de los residuos fue realizado en tiempo continuo, sin embargo fueron simulados en tiempo discreto para hacer el tiempo de simulación más corto. El periodo de muestreo utilizado en la discretización fue t=1 min. La escala de tiempo mostrado en las simulaciones está dada en minutos. Los polos de los observadores fueron asignados como los elementos del vector siguiente: [-1, -2, ..., -25] para todos los casos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Localización de fallas en un proceso químico mediante redundancia analítica / Plinio de León Cantón, et al Tabla I. Sensibilidad de los residuos diseñados. Residuo gama 1 X 2 X 3 X 4 X Resultados de simulación En todas las graficas el eje horizontal representa al tiempo y está dado en minutos mientras que el vertical corresponde a la salida de la función de evaluación. En la figura 5, se muestra la evaluación de los residuos cuando aparece una falla en gama (escenario 2). La función de evaluación del residuo 1 es menor que el valor de umbral (fijo en 0.8). En este caso con un umbral fijo de 0.8 la falla en gama puede ser detectada claramente. Fig. 6. Función de evaluación para el escenario 3 (falla en en t=200 min). El caso en el que la falla en de 10% está presente (escenario 4) se muestra en la figura 7. La función de evaluación correspondiente al residuo 3 es menor al umbral. Fig. 7. Función de evaluación para el escenario 4 (falla en en t=200 min) La última falla es un cambio de 5% en en t=200 minutos (escenario 5). La función de evaluación de los residuos se muestra en la figura 8. También en este caso la falla puede ser detectada y localizada con el valor de umbral seleccionado. Fig. 5. Función de evaluación para el escenario 2 (falla en gama en t=200 min.) La función de evaluación para los residuos cuando la falla en de 15% (escenario 3) está presente se muestra en la figura 6. es menor que el valor de umbral. Con esto se puede detectar la falla de cambio en . A medida que el tiempo transcurre, el residuo 2 también sobrepasa el valor de umbral. Esto es debido a la acción “correctiva” del control. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 Fig. 8. Función de evaluación para el escenario 2 (falla en en t=200 min) 61 �Localización de fallas en un proceso químico mediante redundancia analítica / Plinio de León Cantón, et al CONCLUSIONES Los resultados muestran que el esquema de residuos y evaluadores de residuos propuesto permite la detección y localización de las cuatro fallas estudiadas. A diferencia de resultados previos de la literatura en los que sólo se logra detectar dos. Trabajos futuros incluyen el uso de señales medidas (aplicación a una planta piloto) para los residuos, el diseño para localizar fallas simultáneas, la consideración de un número mayor de fallas en los componentes así como la comparación de diferentes estrategias para diagnóstico. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue financiado parcialmente por el CONACYT-México así como por FAPESP-Brasil (Proceso N 02/08119-2). BIBLIOGRAFIA 1. M. Basseville. Information criteria for residual generation and fault detection and isolation. Automatica, 33(5):783-803, 1997. 2. P. M. Frank, S. X. Ding, and B. Köppen-Seliger. Current developments in the theory of FDI. In IFAC conference on SAFEPROCESS 2000, pages 15-27, 2000. 3. J. Gertler. Analytical redundancy methods in fault detection and diagnosis. In IFAC / IMACS Symp. SAFEPROCESS, Baden-Baden, Germany, pages 9-21, 1991. 4. J. Chen and R. Patton. Robust model-based fault diagnosis for dynamic systems. Kluwer Academic publishers, Boston, 1999. 5. R. Patton, P. Frank, and R. Clark. Issues of fault diagnosis for dynamic systems. Springer, 2000. 62 6. L. F. Lautenschlager Moro and D. Odloak. Constrained multivariable control of uid catalytic cracking converters. Journal of Process Control, 5(1):29-39, 1995. 7. Y. Huang S. Dash G. V. Reklitis V. Venkatasubramanian. EKF based estimator for FDI in the model IV FCCU. In IFAC conference SAFEPROCESS 2000, June 2000. 8. B. Heim, S. Cauvin, and S. Gentil. FCC process diagnosis based on a causal and heuristic approach. In 4th IFAC Workshop on on-line fault detection and supervision in chemical process, CHEMFAS-4, 2001. 9. H. Vedam and V. Venkatasubramanian. A wavelet theory-based adaptive trend analysis system for process monitoring and diagnosis. In American Control Conference, pages 309-313, June 1997. 10. S.Sengupta and Hema Khurana. Neural network application for fault diagnosis in fccu. In IEEE/ IAS International Conference on Industrial Automation and Control, pages 445-450, 5-7 June 1995. 11. P. M. Frank. Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based redundancy - a survey. Automatica, 26:459-474, 1990. 12. M. Hou and P. C. Müller. Fault detection and isolation observers. Int. J. of Control, 60 : 827846, 1994. 13. X. Ding and P. M. Frank. Frequency domain approach and threshold selector for robust model-based fault detection and isolation. In IFAC/IMACS Symp. SAFEPROCESS, pages 307-312, 1991. 14. Marco A. Rodrigues and Darci Odloak. MPC for stable linear systems with model uncertainty. Automatica, 39(4):569-583, July 2003. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Eventos y reconocimientos I. RECONOCIMIENTOS A LA LABOR DOCENTE COMO MAESTROS DE LA FIME-UANL Con motivo del “Día del Maestro” la dirección de la FIME-UANL efectuó un reconocimiento a los profesores de mayor antigüedad laboral, así como a los que cumplieron 35, 30, 25, 20 y 15 años como catedráticos de dicha institución. Los maestros que durante el año 2004 cumplieron 30 años de labor docente se listan a continuación. M.C. Pedro Álvarez Reyna Ing. Clemente Ávalos Mendoza Ing. Víctor Manuel Calderón Gonzaléz M.C. Guadalupe Ignacio Cantú Garza M.C. Miguel Luis Castillo Marco M.C. David Cavada Hernández Ing. Miguel Cupich Rodríguez M.C. Humberto Figueroa Martínez Ing. Gorgonio García Patiño M.C. Emilio González Elizondo M.C. César Augusto Leal Chapa Ing. Héctor López Pardo Ing. Jesús Enrique Martínez Covarrubias Ing. Eduardo Martínez Garza M.C. Abel Montemayor Alanís M.C. Gabino Morales Sánchez M.C. María del Carmen Morín Coronado M.C. Juan Sarabia Ramos Ing. José Luis Uzeta Martínez M.C. Jaime César Vallejo Salinas M.C. Sergio Gerardo Velázquez Castro Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 El MEC Rogelio G. Garza Rivera, Director de la FIME-UANL y el Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, Secretario Académico de la UANL, acompañan a los profesores de la FIME que cumplen 30 años de antigüedad laboral. II. JUBILADOS Durante el periodo comprendido de junio 2004 a mayo 2005 se jubilaron los siguientes maestros de FIME-UANL: M.C. José Estrada Rodríguez M.C. Sergio Javier Pérez Guerra Ing. José Antonio Medina Villanueva Ing. Eduardo Verduzco Martínez Ing. Francisco Mares Vargas Ing. José Gustavo González Garza Ing. Raúl Ramírez Gutierrez M.C. Josefat Gamez Gómez M.C. Juan Diego Garza González Ing. Mariano García Ochoa Ing. Víctor Manuel Calderón González Ing. Rogelio Montalvo Flores Ing. Clemente Avalos Mendoza 63 �Eventos y reconocimientos III. MÉRITO ACADÉMICO En ceremonia realizada el 31 de mayo de 2005 se entregó el Reconocimiento al Mérito Académico a la alumna más destacada de la FIME-UANL durante el semestre agosto-diciembre de 2004: Rocío Lilian Salas Zamarripa, quien cursa la carrera de IMA y obtuvó de calificación promedio 97.22. IV. MENCIÓN HONORÍFICA En ceremonia presidida por el Director de la FIME-UANL, el 31 de mayo de 2005, se realizó la tradicional entrega de Menciones honoríficas a los estudiantes que sobresalen por su desempeño académico en la FIME-UANL. A continuación se listan las alumnas, su carrera y su calificación promedio. Norma Yáñez Almaguer IMA 93.29 Adruaba Lizeth Besanilla Sánchez IMA 92.03 y caracterización de películas semiconductoras metálicas para su implementación en circuitos electrónicos” y el Ing. Alejandro Aranda presentó el tema “Proceso de Galvanizado”. En lo relativo a Manufactura y Máquinas Herramientas se ofrecieron las conferencias a cargo del Ing. Adán Díaz con el tema “Métodos de prueba no destructivas para uniones soldadas”; del M.C. Roel González con el tema “Metodología Six Sigma”; del M.C. Mario Céspedes con el tema “Global Technology Design Center México”; del Ing. Luis López con el tema “Sensores de proximidad y aplicaciones en la automatización”; del Ing. Alejandro Escudero con el tema “Aplicación de herramientas CAD-CAM-CAE en los procesos de fundición”y del D.I. Juan Daniel Camacho Rangel con el tema “Tecnología de Cinturones de Seguridad”. En Térmica e Hidráulica se contó con la participación del M.C. Miguel García con el tema “Aplicación y modo de operación de una máquina CFR”; del Dr. Simón Martínez con el tema “Caracterización de chorros diesel evaporados mediante la técnica de backlighting”; del Ing. Tomás Terrazas con el tema “Simulador de Robótica” y del Ing. Guillermo Montemayor con el tema “Recuperadores entálpicos para el ahorro de energía”. También se impartieron cinco talleres: El taller de maquinado impartido por el M.C. Bernardo González, el taller COSMOS impartido por la Ing. El Director de la FIME-UANL, MEC Rogenio G. Garza Rivera, con las alumnas que recibieron el Reconocimiento al Mérito Académico y Menciones Honoríficas por sus altas calificaciones. V. CONGRESO DE INGENIERÍA MECÁNICA Del 24 al 26 de mayo de 2005 se llevó a cabo en la FIME-UANL el Congreso de Ingeniería Mecánica 2005. En este evento, en las áreas de Materiales y Diseño el M.C. Roberto Mireles expuso el tema “Técnicas de Diseño y Manufactura”; el M.C. José Ramírez el tema “Diseño de recipientes a presión”; el Dr. Manuel García el tema “Fabricación 64 Alumnos durante las pruebas del Concurso de Creatividad organizado por la FIME-UANL como parte del Congreso de Ingeniería Mecánica 2005. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Eventos y reconocimientos Nelda Gámez, el taller de AUTOCAD por la M.C. Sandra Rocha, el taller Prototipos de Resina por Roberto Ortiz y el taller Aplicación del HC12 para Automatización de Procesos de Manufactura por el M.C. Javier de la Garza. Además en esta ocasión se llevaron a cabo los concursos de “Creatividad” y de “Diseño Mecánico”. El primero consistió en impulsar por medio de un fluido un vehículo a la mayor distancia posible con un dispositivo diseñado por cada uno de los equipos, y el concurso de diseño mecánico consistió en contruir un vehículo que escale un tubo vertical en el menor tiempo. VI. ALUMNOS DE FIME PARTICIPAN EN EL “ROBOCHALLENGE 2005” Alumnos de la carrera de Ingeniero en Electrónica y Automatización construyeron dos robots autónomos con la capacidad de evadir obstáculos y dirigirse hacia un faro de luz infraroja para participar en el “RoboChallenge 2005” que se llevó a cabo el 7 de abril dentro del marco del Tercer Congreso Internacional de Mecatrónica en el ITESM. El primer robot, “FIME1”, fue diseñado y construido por Ernesto Palacios, Jesús López, Edgar A. Martínez, Carlos Torres y Ramiro Reyna, asesorados por el MC Juan José Rodríguez Salinas, quien es maestro del área de automatización y electrónica en esta facultad. También asesorados por el MC Rodríguez, un segundo equipo formado por Ismael Leal, Jorge A. García, Roberto Mendoza, Carlos A. Torres y Karla Treviño, diseñaron y construyeron al robot “FIME2”. El concurso tomó en cuenta la descripción del robot, el diseño, la originalidad, el tiempo de recorrido y la fidelidad de la trayectoria. El robot FIME1 logró el segundo lugar, mientras que FIME2 quedo en quinto. VII. ESCUELA DE SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES AVANZADOS Del 24 al 27 de mayo de 2005 se llevó a cabo en la FIME-UANL la “Escuela de Síntesis y Caracterización de Materiales Avanzados”. Esta escuela forma parte de las actividades del plan de trabajo de la Red de Cuerpos Académicos en Materiales, en la cual uno de sus integrantes es el Cuerpo de Síntesis y Caracterización de Materiales, que se encuentra integrado por profesores de la FIME. Durante este evento los miembros y colaboradores de los cuerpos que integran la red presentaron el desarrollo de sus líneas de investigación, cubriendo aspectos teóricos y experimentales, con el objetivo de incrementar la colaboración entre los cuerpos académicos de esta red que han sido reconocidos por el PROMEP. Participantes de la Escuela de Síntesis y Caracterización de Materiales Avanzados. Robot FIME1 diseñado por alumnos de la FIME-UANL, el cual obtuvo el 2do. lugar en el “Robochallenge 2005”. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 Esta red se encuentra formada por los siguientes Cuerpos Académicos Consolidados (CAC): • CAC Síntesis y Caracterización de Materiales de la Universidad Autónoma de Nuevo León. • CAC Materiales de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí. • CAC Metalurgia de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. 65 �Eventos y reconocimientos VIII. TITULADO DE DOCTOR EN CIENCIAS PEDAGÓGICAS En el Centro de Estudios de Ciencias de la Educación “Enrique José Varona” de la Universidad de Camagüey, Cuba, tuvó lugar el 9 de junio de 2004 el examen doctoral en Ciencias Pedagógicas de Ricardo Garza Castaño, catedrático de la FIMEUANL. Su tesis: “Modelo pedagógico de desarrollo de las cualidades emprendedoras de los profesionales universitarios”, la realizó bajo la tutoría del Dr. Fernando Fernández Viñas y la Dra. Natalia García Luna. IX. CICLO DE CONFERENCIAS EN LA RAMA ESTUDIANTIL UANL DE ASHRAE El día 19 de mayo tuvo lugar un ciclo de conferencias organizado por la Rama Estudiantil UANL de la Sociedad Americana de Ingenieros en calefacción, refrigeración y aire acondicionado (ASHRAE) la cual contó primeramente en un taller, impartido por el Ing. Ricardo de la Garza González, de Texas Instruments. Posteriormente hubo una conferencia de Victaulic dada por el Ing. Nicolás Suárez sobre tubos de unión ranurada, seguida de una conferencia impartida por el Ing. Felipe Cerda sobre sistemas de refrigeración. El Dr. Ricardo Garza Castaño acompañado de sus asesores y sinodales después de su examen doctoral. Conferencia organizada por la rama estudiantil de la UANL del ASHRAE. 66 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Marzo-Mayo 2005 José de Jesús Villalobos Luna, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Diseño Mecánico, “Rediseño de estructura para transporte de rollos de lamina”, 3 de marzo de 2005. Constantino González Flores, M.C. Administración con especialidad en Producción, “Selección de condensador adecuado para una unidad ciclo combinado para generar energía eléctrica ubicada en el Área Metropolitana de Monterrey”, 7 de marzo de 2005. Humberto Arroyo Balderas, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Diseño Mecánico, “Diseño de un reductor con 20 h. p.”, 8 de marzo de 2005. Carlos Hugo Cervo Chávez, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Análisis del clima organizacional del hospital San José Tec de Monterrey y cómo influye en la implantación del Sap”, 15 de marzo de 2005. Juan José Delgado Vega, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Propuesta para mejorar el perfil profesional del docente en la materia de probabilidad y estadística en la facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la U. A. N. L.”, 17 de marzo de 2005. Josué Elías Obregón Lozano, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Medición de la eficiencia a motores de inducción utilizando el método de deslizamiento”, 18 de marzo de 2005. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 Ángel Alfonso Lozano Garza, M. C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Métodos aplicables para abatir la deserción en el bachillerato general de la preparatoria # 16 de la U. A. N. L.”, 12 de abril de 2005. Mayra Deyanira Flores Guerrero, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Comportamiento organizacional en el estudiante”, 14 de abril de 2005. Salvador Luna Álvarez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Cimentación sólida de aceros”, 27 de abril de 2005. Rafael Durazo Durazo, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Telecomunicaciones, “Sistema automatizado de medición remota de pesos en camiones de carga de una compañía cementera” 29 de abril de 2005. Jesús Ruiz Briones, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Arranque de motores de inducción de alta potencia”, 4 de mayo de 2005. Saturnino Soria Tello, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Aplicación de oph03 en el uso eficiente de la energía eléctrica”, 11 de mayo de 2005. Alex Ademir Peralta Castillo, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Calidad de los sistemas de capacitación como una educación para el desarrollo empresarial”, 30 de mayo de 2005. 67 �Acuse de recibo Revista INNOVATION Revista UTILLAJE La revista Innovation de la empresa alemana Carl Zeiss (ISSN 1431-8040) es la envidia de cualquier editor. Adjetivos le sobran: bella, bien impresa, variada, pulcra, actual, interesante, etc. Está enfocada a la óptica, y sus muchas ramas, balancea su contenido presentando desde revisiones históricas, hasta lo último en tecnologías. Por ejemplo en el No. 14 de diciembre de 2004, se presentan artículos sobre el fenómeno de la fluorescencia que incluye una línea de tiempo, los desarrollos instrumentales y aplicaciones; también hay un artículo sobre el futuro de las operaciones microscópicas en medicina; y otros sobre oftalmología y cámaras espaciales. Esta revista internacional puede consultarse o obtenerse completa por Internet, como archivos pdf, a partir de la página principal en la dirección www. zeiss.com dando un click en “more news” y luego en “innovation”. Esta publicación mensual presenta una amplia información mundial sobre fabricantes de maquinaria y proveedores de equipos nuevos y usados, para una gran variedad de industrias, incluyendo: aeronáutica, de alimentos, automotriz, de materiales, de la construcción, electrónica, farmacéutica, por mencionar algunas de las muchas disponibles. Este catálogo da una idea de la cantidad de equipo, que uno podría considerar obsoleto, y que aun tiene vida útil. Para comprar se pueden hacer ofertas registrándose por Internet con los códigos de los productos. Se ofrece un directorio de fabricantes y distribuidores de quipo nuevo, así como un directorio internacional de anunciantes. Los editores de “Utillaje” ofrecen avisar imparcialmente a los proveedores de equipos nacionales y extranjeros sobre las necesidades que se les planteen. Hay más información en http:// www.utillaje.com. (JAAG) (FJEG) 68 Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Revista PLANNING Catálogo EDMUND OPTICS Planning for Higher Education es una revista tetramestral de la Society for Collage and University Planning, una asociación de profesionales de la planeación en instituciones académicas. La revista busca transmitir conocimientos, ideas, investigación y experiencias que coadyuven a la definición de políticas de planeación de la educación superior. En los artículos se discuten aspectos que ayudan a entender las dificultades que implica la toma de decisiones en aspectos educativos, tales como: cerrar o no cerrar un programa académico, proponer o no uno nuevo, las medidas para evitar la deserción escolar y así aumentar la eficiencia terminal, entre otros. En el último número (marzo-mayo 2005) se presenta el artículo “Entendiendo los costos de la educación superior” en el cual se discute sobre la inversión que se hace en este rubro y los logros obtenidos. Hay mayor información sobre esta revista en http://www.scup.org/ (JAAG) El ya clásico catálogo de la compañía Edmund Optics pone a disposición de especialistas en óptica, desde diseñadores hasta ingenieros de mantenimiento, un amplio rango de aparatos, dispositivos y componentes, en las áreas de lentes, fibras ópticas, lasers, video, fuentes de iluminación, espectrocopía y colorimetría, etc. Al día de los avances de la ciencia y la tecnología, este catálogo incluye una amplia sección sobre sistemas electrónicos de visión y posicionamiento para máquinas, impresindibles en las actuales líneas de producción y robots. La empresa ofrece tener el mayor inventario del mundo en componentes ópticos a disposición de sus clientes, pudiéndose hacer pedidos por teléfono, fax, email o Internet. A través de la página en Internet, en la dirección: www.edmundoptics.com, usted puede consultar “en línea” el catálogo, solicitar un catálogo gratuito, recibir asesoría técnica o hacer una compra. Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 (FJEG) 69 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Profesor investigador del Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la UANL. Obtuvo su licenciatura y su maestría en el Instituto Tecnólogico de Saltillo y el doctorado en Ingeniería de Materiales en la UANL. Realizó una estancia de investigación en el Centro para Recursos Energéticos y Ambientales de la Universidad de Texas en Austin. Es miembro del SNI nivel I. García Flores, Rodolfo Ingeniero químico por la Facultad de Química de la UNAM y doctor por la Universidad de Leeds (Reino Unido), con especialidad en inteligencia artificial aplicada a la toma de decisiones. Trabajó para una empresa química en Pudsey, Inglaterra, durante 2001, donde empleó métodos de Inteligencia Artificial para la resolución de problemas. Más información en http://yalma.fime.uanl.mx/~rodolfo/ Alcorta García, Efraín Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones, y M.C. de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control ambas de la FIME-UANL. Doctor en Ingeniería Eléctrica especialidad en Control de la Universidad Gerhard Mercator de Duisburgo, Alemania. Actualmente profesor-Investigador y Coordinador de Investigación en Ingeniería Eléctrica de la FIME en la UANL. González González, Virgilio Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales otorgado por la FIME-UANL. Ha sido investigador científico en el campo de los polímeros desde 1975, con más de 40 publicaciones técnico-científicas y de difusión. Es miembro del SNI nivel II. Es profesor de tiempo completo de la FIME desde 1998. Chávez Guerrero, Leonardo Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2001) y Maestría en Ingeniería de Materiales (2004) por la FIME-UANL, ganó el premio a la mejor tesis de Licenciatura de la UANL 2001 en el área de Ciencias Exactas. Actualmente realiza su Doctorado en Nanotecnología en el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT) en San Luis Potosí. Guerrero Salazar, Carlos Alberto Ingeniero Químico (1976) y M.C. con especialidad en Ingeniería Química (1982) por la UANL. Ph. D. en Ingeniería Química por la Escuela Politécnica de Montreal en 1986. Desde 1987 es profesor del Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. Desde 2004 es Director General de Estudios de Posgrado de la UANL. Es Miembro de la Academia Mexicana de Ciencias, miembro del SNI, Nivel 1. Ganó el Premio de Investigación UANL en 1999 y 2000, y el Premio a la Mejor Tesis de Maestría UANL en 1997 y 1999. De León Cantón, Plinio Ingeniero en Control y Computación en 2001, y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control en 2004, ambas de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) de la UANL. Actualmente estudia el doctorado en Universidad del Ruhr en Alemania. 70 Hinojosa Rivera, Moisés Ingeniero Mecánico Administrador (1988), Maestría (1991) y Doctorado (1996) en Ingeniería de Materiales Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �Colaboradores por la FIME-UANL, Postdoctorado en ONERA (Chatillôn, Francia, 1997-1998), Investigador Nacional Nivel I y Miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Profesor-Investigador de la FIME-UANL desde 1998. Actualmente es Subdirector Académico de la FIME-UANL. Martínez Vega, Juan Jorge Licenciatura en Física (1982 FCFM-UANL). Maestría (1983) y Doctorado en Ciencias de Materiales (1986) por la Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechinique, Pointiers, Francia. Es profesor investigador con habilitación y Coordinador General de la Comisión de Relaciones Internacionales en la Universidad Paul Sabatier en Toulouse, Francia. Es miembro de 6 comités de revistas científicas internacionales. Odloak, Darci Es profesor en el Departmento de Ingeniería Química de la Escuela Politécnica en la Universidad de Sao Paulo en Brasil. Recibió su grado de M.C. en la Universidad de Río de Janeiro (COPPE) en 1977 y el grado de Doctor en la Universidad de Leeds-UK en 1980. Ortiz Méndez, Ubaldo Egresado de la Facultad de Ciencias FísicoMatemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencias de Materiales en la Universidad Claude Bernard de Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de la FIME-UANL, miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y miembro del SNI nivel I. Actualmente es Secretario Académico de la UANL. Palomo González, Miguel A. Profesor en la Jefatura de Ingeniería Industrial de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Tiene estudios de Doctorado en “Estrategia Internacional de la Empresa” (I.A.E., Grenoble, Francia) y especialidad en “Administración de Tecnología” (Battelle Memorial Institute, Columbus, Ohio, E.U.A.) Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. M.C. en Ingeniería Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 Mecánica con Especialidad en Materiales en la FIME-UANL. Doctorado en Ingeniería de Materiales en la Université Paul Sabatier de Toulouse, Francia, en el 2004. Ganador de la Mejor Tesis de Maestría UANL 1999 y del Premio de Investigación UANL 1999. Es catedrático investigador en la FIMEUANL. Reyes Saldaña, José Fernando Estudia actualmente la Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas en la división de Posgrado de la FIME-UANL. Realizó sus estudios de ingeniero administrador de sistemas en la FIME-UANL. Actualmente trabaja sobre su tesis que trata sobre descubrimiento de conocimiento en bases de datos bajo incertidumbre. Rebolloso Gallardo, Roberto Licenciado en Antropología Social por la UANL. Estudios de posgrado en antropología en la Universidad Estatal de Wayne, Detroit, Michigan, y maestría en informática administrativa en la FACPYA-UANL. Ha sido coordinador de investigación en la Dirección General de Estudios de Posgrado de la UANL y coordinador de estudios internacionales en la UDEM. Actualmente es catedratico en la FFYL-UANL Rojas Garcidueñas, Manuel Biólogo egresado de la UNAM. M Sc por la University of Minnesota; profesor emérito del ITESM. Ha sido profesor de fisiología vegetal. Autor de varios libros de su especialidad, de una historia de la ciencia y un pequeño libro de difusión: De la vida de las plantas y de los hombres, así como de más de 30 artículos de investigación y académicos. Su Fisiología vegetal aplicada se ha convertido en libro de texto en varias universidades latinoamericanas. Ha sido profesor en la Facultad de Biología de la UANL. Pertenece a la Academia Mexicana de Ciencias. Zanabria Sotomayor, Oscar Alberto Ingeniero en Electrónica en 1994 por la Universidad Ricardo Palma en Perú. Maestro en Ingeniería Eléctrica en 1997 por la Universidad de Sao Paulo y Doctor en Ingeniería Química de la Universidad de Sao Paulo en Brasil. Actualmente es investigador en la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Sao Paulo. 71 �Información para colaboradores Se invita a profesores e investigadores de las diferentes áreas de la ingeniería a colaborar en la Revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes, convocatorias, etc. Es requisito indispensable que las colaboraciones estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. No deberán estar redactadas en primera persona. Solamente se aceptarán trabajos en inglés de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos serán sujetos a arbitraje tipo doble anónimo siendo inapelable el veredicto de los revisores. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la FIME-UANL LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras y carta de cesión de derechos, en formato electrónico .doc de Word, en disquete, CD o por E-mail a las direcciones: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx jaguilar@gama.fime.uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por 72 artículo es cuatro. La extensión de los artículos no deberá exceder de 8 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como inglés. Las referencias deberan ir numeradas en el orden que fueron citadas en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, en formato jpg, con 300 dpi y con al menos 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales. Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4020 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Julio-Septiembre 2005, Vol. VIII, No. 28 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2005 Volumen Volumen de la revista 8 Número Número de la revista 28 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2005, Vol 8, No 28, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2005 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020791 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Exponente de Hurst Linealización Modelo bayesiano PEN PYMES Redundancia analítica https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20750/Ingenierias_2005_Vol_8_No_27_Abril-Junio.pdf 8cbabda909c6d23ca399e8b44c130cb5 PDF Text Text �Editorial: Ética y formación universitaria: el rol social del ingeniero Carlos Gómez Díaz de León Director de Innovación, Competitividad y Profesionalización de la Administración Pública del Estado de Nuevo León cgomez@nl.gob.mx Cuando en una charla social se habla de ética, comúnmente se relaciona ésta con la corrupción, la cual se muestra cotidianamente en los medios de comunicación sin que parezca que alguien pueda ponerle fin o control. La explicación de ello radica en que atribuimos los escándalos que todos los días llenan las páginas de los diarios y de las notas televisivas a la falta de ética de encumbrados hombres y mujeres de la política y los negocios de nuestra sociedad. Esta perspectiva resulta ser una visión parcial de la cuestión ética y evidencía un grave problema de formación profesional, la cual es responsabilidad de las universidades. En el ámbito académico, como estudiantes obtenemos nuestra información básica sobre este tema al transitar por la educación media y posteriormente la universidad, nos ofrecen algún curso de ética en el ejercicio profesional u otro sobre valores y temas afines para complementar la formación universitaria. La UANL, por ejemplo, desde hace algunos años estableció como cursos obligatorios horizontales la ética profesional y los valores en todas las facultades. Por lo general, a pesar de las buenas intenciones ambos abordajes de la cuestión ética nos dejan el sabor de que ese tema es de una complejidad filosófica que sólo puede interesar a los moralistas, y no a los profesionales egresados en general. La consecuencia es que los estudiantes lo toman como un curso de relleno que hay que cubrir sin ver la utilidad inmediata y sobre todo su relevancia. En realidad, el tema de la ética en nuestros días rebasa con mucho la poca atención que se le ha puesto en la parte formativa de los estudiantes, sin distingo de su disciplina o vocación, incuyendo la formación en ingeniería. Bajo esta premisa debemos iniciar con algunas precisiones conceptuales. Para darle la verdadera dimensión a la cuestión ética debe partirse de una definición operativa de ésta, es decir, debemos definirla de tal modo que nos permita ubicarla en el contexto de la conducta humana y el comportamiento social. En este sentido debe considerarse como filosofía de la acción, como la rama de la filosofía que se encarga del estudio de lo que es bueno o malo por sí mismo (Russell, 1993, p13).1 Significa entonces la reflexión sobre la acción y sobre todo la bondad o la maldad de esta acción. Por estas razones se parte de una ética universal que se va contextualizando por el propio individuo en diferentes situaciones y que son determinadas en última instancia por su jerarquía de valores en esa específica situación. Evidentemente desde el punto de vista profesional se establecen Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 3 �Editorial / Carlos Gómez Díaz de León determinados valores que orientan el adecuado ejercicio profesional y eso es lo que llamamos la ética profesional (Menéndez: 1992, p 12).2 Para el médico será la preservación de la salud y la vida, para el abogado la búsqueda de la justicia con apego a la ley, para el economista la eficiencia y para el ingeniero el desarrollo y la operación de proyectos con aplicabilidad y utilidad social. Su vocación se encuentra en el diseño y la fabricación de cosas que sirvan al mejoramiento de condiciones de vida de la sociedad. En ello estriba su misión social. Sus actividades se enfocan a la resolución de problemas, su método preferido es el arte del diseño y su soporte es el rigor científico. Podríamos decir que la profesión de ingeniero, está en primera instancia basada en el uso de las ciencias exactas (matemática, física, química y biología), en segundo lugar, en el estado en que se encuentran las tecnologías en un momento dado y en tercer lugar en las leyes económicas y jurídicas. El motor de ello será en todo caso la creatividad del propio ingeniero quien en el ejercicio de su profesión diseña, construye y opera artefactos, estructuras o sistemas, aplicando y combinando conocimientos científicos y tecnológicos, y considera los aspectos económicos, jurídicos y sociales. Por esta razón la formación universitaria en ingeniería está considerada dentro del marco de las disciplinas fuertemente estructuradas como la medicina, a diferencia de los campos disciplinarios universitarios sociales que no tienen esa caracterización.3 Ver figura 1. Fig. 1. Distribución de los miembros del Sistema Nacional de Investigadores de acuerdo a su especialidad. El número dentro o junto al círculo corresponde a la cantidad de miembros pertenecientes al SNI en 1998. 4 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Editorial / Carlos Gómez Díaz de León Con fundamento en lo anterior debe entonces establecerse la cuestión ética no desde la perspectiva de la corrupción y ni siquiera desde la limitada perspectiva legal, sino que debe abordarse como una norma de conducta que orienta la acción a la realización plena del ser, lo cual en el contexto de las organizaciones productivas lleva hacia la excelencia. Bajo este modelo,4 la ética mínima corresponde al cumplimiento de lo que establece la norma, sin ir más allá del cumplimiento del deber. La doble ética corresponde a conductas diferenciadas según los diversos contextos, sociales, académicos, profesionales o familiares: el individuo muestra diferentes facetas éticas. En el extremo opuesto tenemos el vacío ético, que significa el ejercicio irresponsable de las funciones profesionales asignadas debido a la impunidad y a la ausencia de mecanismos de rendición de cuentas a nivel profesional. Fig. 2. Rango de los posibles comportamientos de los profesionales. Desde la perspectiva de la ética profesional del ingeniero y tomando en consideración que su trabajo se realiza con el instrumental riguroso de las ciencias duras y con las tecnologías de avanzada, sin lugar a dudas que el producto de la ingeniería es el desarrollo tecnológico y la optimización de procesos de todo tipo. Sin embargo, muchas veces este tipo de innovaciones y avances no generan una contribución social en el sentido amplio del término, es decir, como efecto directo en la resolución de los problemas sociales. Pueden afirmar incluso que ese no es su problema. Entonces la pregunta sería de quién es el problema. Por lo anteriormente expuesto se considera fundamental reforzar la sensibilización de los estudiantes hacia aspectos sociales que aunque en apariencia no tienen relación directa con la vocación de la formación universitaria, como es el caso de ingeniería y que sin embargo tiene fuertes repercusiones económicas, legales y sociales que muchas veces no son tomadas en cuenta. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 5 �Editorial / Carlos Gómez Díaz de León Esto último tiene que ver con la deshumanización del progreso que está convirtiendo a la humanidad en una esclava de la tecnología y en algunos casos en su rehén. La única posibilidad de rescatar el carácter social de la formación universitaria es fortalecer un enfoque que integre a la ética como una perspectiva aplicada de los problemas sociales a los cuales todas las potencias educativas y consecuentemente profesionales deben aportar: democracia, desarrollo y equidad. REFERENCIAS 1. Russell, Bertrand. Ensayos Filosóficos. Madrid, España, ediciones Altaya, 1993, 236 pgs. 2. Este autor la define como la Ciencia normativa que estudia los deberes y los derechos de los profesionistas como tales. Menéndez, Aquiles. Ética profesional. México, D.F. Herrero Hermanos, 1992, 281pgs. 3. Para mayor ahondamiento sobre el particular ver, Montaño Hirose, Luis. 2001. Dilemas y Desafíos de la Investigación en Administración en México. Revista de Contaduría y Administración, número 202, de julio-septiembre de 2001. México. 4. Este modelo ético fue adaptado de un trabajo de Jorge Etkin sobre la cuestión etica pero aplicada al sector público. Etkin, Jorge. La cuestión ética en el sector público. Revista del CLAD Reforma y Democracia, número 7, de enero de 1997. Caracas. 6 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Aplicación del cálculo fraccional en el modelado de la viscoelasticidad en polímeros Parte I. Manifestación mecánica de la viscoelasticidad Martín Edgar Reyes Melo, Carlos Alberto Guerrero Salazar, Ubaldo Ortiz Méndez DIMAT FIME-UANL Pedro de Alba S/N, San Nicolás de los Garza 66451, Nuevo León México. cguerrer@ccr.dsi.uanl.mx Juan Jorge Martínez Vega Laboratoire de Génie Électrique de Toulouse. Université Paul Sabatier 118, route de Narbonne 31062, Toulouse Cedex 4 France. juan.martinez@lget.ups-tlse.fr RESUMEN Los operadores diferenciales e integrales de orden arbitrario (cálculo fraccional) son una potente herramienta en el estudio del comportamiento viscoelástico de materiales poliméricos. Dichos operadores permiten una mejor descripción de la viscoelasticidad que los modelos tradicionales basados en ecuaciones diferenciales de orden entero. La viscoelasticidad de los polímeros implica simultáneamente el almacenamiento y disipación de energía bajo la aplicación de un esfuerzo (mecánico, eléctrico y/o térmico). A nivel molecular la disipación parcial de energía (fenómeno de relajación) está asociada a diversos tipos de movimientos de las cadenas poliméricas, los cuales se manifiestan a través de variaciones importantes de las propiedades macroscópicas. En esta primera parte se presenta el modelado del módulo elástico complejo (E*), es decir de la manifestación mecánica de la viscoelasticidad. Para la validación del Modelo Fraccional Mecánico (MFM), fueron comparadas las predicciones teóricas con resultados experimentales de un polímero importante a nivel industrial; el politereftalato de etilen-glicol o PET. PALABRAS CLAVE Cálculo fraccional, viscoelasticidad, relajaciones mecánicas, polímeros, PET. ABSTRACT Differential and integral operators of arbitrary order (fractional calculus) are a strong tool for the study of polymer viscoelastic behavior. These fractional Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 7 �Aplicación del cálculo fraccional... / Martín Edgar Reyes Melo, et al operators allow to obtain a better description of the viscoelasticity than with the classical models having differential equations of integer order. The polymer viscoelasticity implies a simultaneous storage and dissipation of energy under an applied stress (mechanic, electrical, thermal, etc). At molecular level, the partial energy dissipation (relaxation phenomenon) is associated to several types of molecular motions of polymer chains. These molecular movements are manifested as important variations of their macroscopic properties. In this first part, the modeling of the dynamic elastic modulus, representing the mechanical manifestation of the polymer viscoelasticity is presented. For the validation of this Mechanical Fractional Model (MFM), theoretical predictions with experimental results of a polymer material (PET) were compared. KEYWORDS Fractional calculus, viscoelasticity, mechanical relaxations, polymers, PET. INTRODUCCIÓN La importancia de los polímeros desde el punto de vista científico y tecnológico puede resumirse en los 3 aspectos siguientes: 1. La facilidad (bajo costo y rapidez) con que pueden ser sometidos a procesos de cambio de forma, ejemplo: extrusión, rotomoldeo, calandreo, sinterizado y soplado, entre otras. 2. Propiedades mecánicas que le confieren una buena estabilidad dimensional. 3. Excelentes propiedades dieléctricas, por lo que pueden utilizarse también como materiales aislantes eléctricos. Aunado a éstos tres puntos, existe la posibilidad de manipular la morfología de dichos materiales y por ende también de controlar sus propiedades. Estos aspectos hacen importantes a los polímeros en diversos campos de la industria, particularmente en la mecánica, eléctrica y electrónica. En la mayoría de los casos los dispositivos construidos a base de materiales poliméricos son sometidos simultáneamente a esfuerzos mecánicos, eléctricos y térmicos. Estos esfuerzos, pueden ocasionar cambios 8 importantes en sus propiedades macroscópicas, que son consecuencia de diversos tipos de movimientos en la cadenas poliméricas. Los polímeros son materiales constituidos de cadenas macromoleculares de elevado peso molecular. Consecuentemente presentan una estructura semicristalina compleja (íntima mezcla de material amorfo y cristalino) que les confiere propiedades de viscoelasticidad. Desde un punto de vista mecánico, los polímeros sometidos a deformaciones pequeñas (s<0.01) presentan una relación esfuerzo-deformación con un comportamiento lineal. En este caso la viscoelasticidad puede interpretarse como un comportamiento intermediario entre un sólido elástico ideal (ley de Hooke) y un líquido viscoso puro (ley de Newton). Bajo la aplicación de un esfuerzo (mecánico o eléctrico) los movimientos moleculares involucrados en las cadenas poliméricas son función de su estructura y morfología y tienen lugar con una rapidez que se incrementa con la temperatura. Esta movilidad molecular se lleva a cabo buscando maximizar la entropía del sistema (segunda ley de la termodinámica), lo que corresponde en la mayoría de los casos a una estructura conformacional de las cadenas con un nivel energético menor (disipación de energía). Debido a esto último a dicho proceso se le conoce también como fenómeno de relajación. Un fenómeno de relajación puede ser definido como el ajuste a nuevas condiciones de equilibrio por parte de un sistema cuando una variable exterior ha sido modificada. En la práctica una vía para el estudio de los movimientos moleculares o fenómenos de relajación en un material polimérico, es el análisis de algunas de sus propiedades macroscópicas, apoyándose en modelos matemáticos que sean capaces de predecir e interpretar de una manera cuantitativa el comportamiento viscoelástico. En este trabajo, la propiedad macroscópica analizada fue el módulo elástico. Para lo cual se utilizó el Análisis Mecánico Dinámico (AMD), en este caso el polímero se somete a un esfuerzo mecánico periódico de tipo sinusoidal a una determinada frecuencia. La respuesta obtenida es una deformación macroscópica que también tiene una forma sinusoidal, pero que debido a la Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Aplicación del cálculo fraccional... / Martín Edgar Reyes Melo, et al viscoelasticidad de las cadenas tiene un ángulo de desfasamiento (δ) con respecto al esfuerzo aplicado. El módulo elástico se calcula a partir de la deformación y el esfuerzo. Debido a que tanto el esfuerzo como la deformación se pueden expresar como números complejos, el módulo elástico es también un número complejo (E*=E’+iE’’), en el que la parte real (E’) está asociada al almacenamiento elástico de energía y la parte imaginaria (E’’) representa la disipación viscosa de la misma. El ángulo de desfasamiento puede ser calculado a partir de la siguiente relación ⎛ E '' ⎞ δ = tan −1 ⎜ ⎟. ⎝ E' ⎠ Para un material completamente elástico (δ) presenta un valor nulo, para un viscoso puro δ=π/2 y para un viscoelástico 0<δ<π/2. Los modelos clásicos1,2 utilizados para el análisis del E* presentan ecuaciones con operadores diferenciales de orden entero. Entre dichos modelos podemos citar el de Maxwell, el de Voigt-Kelvin, el de Bürger y el de Zener, los cuales no pueden describir de manera precisa los espectros de E’ y de E’’ en un amplio intervalo de temperaturas o de frecuencias. Por otra parte existe abundante evidencia experimental que muestra que los polímeros presentan características con patrones Analizador mecánico dinámico “Metravib DMA50”. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 fractales caracterizados por fuertes irregularidades asociadas a cambios en la escala.3-5 Dichas irregularidades son el origen de dimensiones no enteras en los conjuntos fractales y explican en parte el porqué de la dificultad para poder manipularlos analíticamente. Los operadores diferenciales e integrales de orden entero (cálculo tradicional) están limitados para la descripción de este tipo de estructuras y en ese sentido el uso de operadores diferenciales e integrales de orden arbitrario (orden fraccional) son una alternativa. El objetivo de este trabajo es desarrollar un modelo basado en la utilización de operadores diferenciales e integrales de orden arbitrario que sea capaz de predecir el módulo elástico complejo (E*=E’+iE’’) en una gran gama de frecuencias y temperaturas. La validación del modelo propuesto se efectuó comparando las predicciones teóricas con los resultados experimentales de un polímero ampliamente utilizado en la industria, el poli tereftalato de etilen-glicol o PET. PARTE EXPERIMENTAL El PET es un polímero que se obtiene por policondensación del ácido tereftálico y el etilenglicol. En la figura 1 se presenta la unidad repetitiva en las cadenas del PET. Las muestras utilizadas son placas de dimensiones 300mm x 300mm x 1mm, con bajo porcentaje de cristalinidad (PET amorfo). El análisis mecánico dinámico se efectuó en condiciones isócronas a tres frecuencias (0.01, 0.1 y 1 Hz) entre –150 y 150°C con una rampa de 2°C/min. El dispositivo utilizado fue un péndulo de torsión Metravib.6 Fig. 1. Unidad repetitiva del PET 9 �Aplicación del cálculo fraccional... / Martín Edgar Reyes Melo, et al La figura 2 muestra los espectros de las partes real e imaginaria de E* del PET amorfo a una frecuencia de 0.1 Hz. En dichos diagramas se observan las relajaciones mecánicas identificadas como picos en la curva E’’(T). Cada pico está asociado a una disminución importante de E’ cuando la temperatura aumenta. la temperatura se incrementa. Este comportamiento corresponde a la manifestación mecánica de un proceso de cristalización fría por parte del PET amorfo.6 La figura 3 es un diagrama obtenido a partir de un análisis de calorimetría diferencial de barrido. En dicho diagrama se corrobora la presencia de la relajación α y del proceso de cristalización fría, éste último es consecuencia de la baja cristalinidad de las muestras de PET analizadas. Las temperaturas correspondientes a dichos procesos presentan un ligero desfasamiento con respecto a las temperaturas de α y de cristalización fría en los espectros de E’’(T), esto puede explicarse por el hecho de que, aunque son los mismos procesos analizados, las dos técnicas muestran aspectos diferentes del mismo fenómeno. Fig. 2. E’(T) y E’’(T) a una frecuencia de 0.1 Hz A bajas temperaturas (T=-83°C) y para una frecuencia de 0.1Hz en E’’(T) se presenta un pico denominado β (de amplitud 2.987x107Pa) asociado a una disminución de E’ (de 1x109Pa a 6.57x108) cuando la temperatura se incrementa. β se presenta a lo largo de un intervalo de temperaturas extenso y está relacionado con dos tipos de movilidad molecular. El lado de altas temperaturas del pico β, denominado β1 corresponde a movimientos moleculares de los grupos fenilo de las cadenas de PET y el lado de bajas temperaturas de β, denominado β2 está asociado al movimiento de los grupos carboxilo.7 Por otra parte a T=80°C, E’’(T) presenta un pico α asociado a un cambio abrupto de E’(T). Dichos comportamientos son la manifestación mecánica de la transición vítrea del PET. El pico α es menos disperso que β y su máximo es 5.4 veces el máximo de β. En este caso los movimientos moleculares involucrados en α se efectúan de manera simultánea y coordinada (cooperatividad), estos movimientos son de largo alcance y son inducidos por rearreglos conformacionales de toda la cadena. Un tercer pico en E’’(T) se observa a T=121°C, el cual está asociado a un aumento de E’ cuando 10 Fig. 3. Análisis de Calorimetría Diferencial de Barrido del PET amorfo. Tal y como se mencionó anteriormente los espectros de la figura 2 pueden representarse utilizando modelos clásicos análogos a base de elementos mecánicos convencionales (resortes y amortiguadores). El modelo de Zener (figura 4) es el más utilizado como una primera aproximación para la representación del módulo elástico de materiales poliméricos en el estado “sólido”. Dicho modelo es un arreglo en paralelo del modelo de Maxwell (recuadro superior en la figura 4) con un resorte y sus ecuaciones constitutivas presentan operadores diferenciales de orden entero, ver figura 4. Tal y como se puede constatar en la figura 4 los espectros E’(T) y E’’(T) calculados a partir del Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Aplicación del cálculo fraccional... / Martín Edgar Reyes Melo, et al de Rieamann-Liouville y se expresa de la siguiente manera:8,9,10,14 t (t − y )b−1 s(y )dy −b c Dt s (t ) = ∫ Γ(b ) con b>0 (4) c Un “spring-pot” (ecuación 1) puede ser considerado como un arreglo fractal de un número infinito de resortes y amortiguadores, tal y como se muestra en la figura 5. En este caso ha sido demostrado9-14 que el orden fraccionario es b=0.5. También ha sido demostrado que un solo “springpot” no es capaz de predecir la forma de las curvas de las partes real e imaginaria de E*. Fig. 4. El modelo clásico de Zener modelo de Zener no corresponden a la forma de las curvas experimentales del PET presentadas en la figura 2, esto se debe en parte a que los operadores diferenciales en el modelo clásico de Zener son de orden entero, además solamente se obtiene un pico en E’’(T) que correspondería a un solo fenómeno de relajación mecánica. MODELO FRACCIONAL MECÁNICO PROPUESTO El modelo propuesto se fundamenta en la siguiente idea: utilizando un operador diferencial de orden fraccionario, es posible obtener una ecuación constitutiva que represente el comportamiento intermediario entre un resorte (ley de Hooke) y el de un amortiguador (ley de Newton). Este nuevo elemento reológico fraccional se denomina SPRING-POT y su ecuación constitutiva es la siguiente.8-14 σ = η b E 1−b Dtb s = Eτ b Dtb s con 0<b<1 (1) En donde η y E son la viscosidad y el módulo asociados al “spring-pot”. El operador diferencial se define de la siguiente manera:8, 9, 10, 14 (t − y )−b s(y )dy Γ(1 − b ) 0 t D b s(t )= D ∫ (2) en donde Γ es la función gamma: ∞ (3) Γ(m )= ∫ e −u u m−1du, con m > 0 0 La ecuación 2 se obtiene a partir de la definición de una integral de orden fraccionario entre c y t, dicha integral se conoce con el nombre de operador Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 Fig. 5. Representación esquemática de un spring-pot para b=0.5 En trabajos de investigación previos a éste se ha modificado el modelo clásico de Zener sustituyendo el amortiguador de la figura 4 por “spring-pots”, lo cual permite una mejor representación de las propiedades mecánicas de los polímeros.10-14 En el caso particular del PET el modelo propuesto (figura 6) está constituido por un arreglo en paralelo de 3 Modelos de Zener Modificados (MZM). Cada MZM está asociado a un tipo de movilidad molecular del PET. El primer MZM está relacionado con los movimientos moleculares cooperativos de la relajación α, para lo cual ha sido necesario utilizar dos “spring-pots”, a representa los tiempos cortos (a baja temperatura) de la relajación α y el “spring-pot” b representa los tiempos largos (alta temperatura). El segundo MZM está asociado a la movilidad molecular de los grupos fenilo de las 11 �Aplicación del cálculo fraccional... / Martín Edgar Reyes Melo, et al Tabla I. Módulos complejos individuales del MFM. Elemento Módulo complejo individual (Ek*) número k 1 (α) 2 (β1) 3 (β2) Fig. 6. Modelo Fraccional Mecánico (MFM). cadenas del PET, en este caso solamente se requiere un “spring-pot”, c. El último MZM también con un solo “spring-pot”, d, está asociado a la movilidad molecular de los grupos carboxilo del PET. El módulo elástico complejo calculado para el Modelo Fraccional Mecánico, MFM, es igual a la suma de los módulos complejos individuales de los elementos 1, 2 y 3:14 3 3 3 k =1 k =1 k =1 E* = E '+ iE '' = ∑ Ek * = ∑ Ek ' + i ∑ Ek '' (5) La ecuación 5 nos muestra que es posible calcular E* a partir de los módulos complejos individuales del MFM, lo cual puede hacerse a partir de las ecuaciones constitutivas individuales que representan a los MZM 1, 2 y 3. Las ecuaciones 6, 7, y 8 corresponden respectivamente a los elementos 1, 2 y 3 de nuestro MFM:14 (E1U − E10 )s1(t )= [σ 1(t )− E10 s1(t )]+τ a−a Dt−a [σ1(t )− E10 s1(t )]+τ b−b Dt−b [σ1(t )− E10 s1(t )] (6) σ 2(t )+ τ cc Dtcσ 2(t ) = E 2 0 s 2(t )+ E 2U τ cc Dtc s 2(t ) (7) σ 3(t )+ τ D σ 3(t ) = E 3 0 s3(t )+ E 3U τ D s3(t ) (8) d d d t d d d t Aplicando la transformada de Fourier a las ecuaciones 6, 7 y 8, fueron calculados los módulos complejos individuales (Ek*) que se presentan en la tabla I. La transformada de Fourier para un operador diferencial de orden fraccional a (0<a<1) es la siguiente.7,8 [ ] F Dta [f (t )] = (iω ) F [f (t )] a ∞ en donde 12 F [f (t )] = ∫ f (t )exp (− iωt )dt = f * (iω ) 0 . (9) E1* = ( −a −b σ 1 * E1U + E10 (iωτ a ) + (iωτ b ) = −a −b s1* 1 + (iωτ a ) + (iωτ b ) ) (10) E 2* = σ 2 * E 2 0 + E 2 U (iωτ c ) = c s2 * 1 + (iωτ c ) (11) E 3* = σ 3 * E 3 0 + E 3U (iωτ d ) = d s3 * 1 + (iωτ d ) (12) c d A partir de las ecuaciones 10, 11 y 12 fueron calculadas las partes real e imaginaria de cada módulo complejo individual, lo que permitió calcular las partes real e imaginaria del módulo complejo global (E*) del MFM.11-14 Los parámetros τa, τb, τc y τd, son función de la temperatura y su expresión analítica depende de la naturaleza cooperativa o no cooperativa de la movilidad molecular correspondiente.14-16 Para los movimientos moleculares no cooperativos (β1 y β2) la expresión analítica de τ sigue un comportamiento de tipo Arrhenius.14,16 ⎛ Ea ⎞ ⎟⎟ τ = τ 0 exp⎜⎜ ⎝ k BT ⎠ (12) En donde Ea es la energía de activación, kB es la constante de Boltzman, τ0 es un factor preexponencial que presenta valores entre 10-16 y 1013 segundos. Los valores de τ0 alrededor de 10-13 segundos corresponden a los tiempos de relajación de la vibración atómica y los valores alrededor de 10-16 segundos están asociados a una contribución de la entropía del sistema.14-16 Para los movimientos cooperativos la expresión analítica sigue una ley de potencia (ecuación 13), en donde la energía de activación depende del número de entidades elementales (Z*) que se mueven de una manera cooperativa.14-16 ⎡ ⎛ ∆µ ⎞ ⎤ ⎛ Z * (∆µ )⎞ ⎟⎟ = τ 0 ⎢exp⎜⎜ ⎟⎟ ⎥ τ = τ 0 exp⎜⎜ ⎝ k BT ⎠ ⎣ ⎝ k B T ⎠⎦ Z* (13) En donde es la energía de activación individual de los movimientos de base que Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Aplicación del cálculo fraccional... / Martín Edgar Reyes Melo, et al constituyen la movilidad cooperativa y representa la energía de activación del conjunto de movimientos cooperativos. El parámetro Z* depende de la estructura del polímero y para su cálculo se utilizó la siguiente relación:15,16 Z* ≈ T T * −T0 T * T − T0 (14) La temperatura T* es del orden de 1.3Tg para los polímeros amorfos y en el caso de los semicristalinos saturados es equivalente a la temperatura de fusión.15 T0 es la temperatura por debajo de la cual el tiempo de relajación tiende a infinito, para el caso de la relajación α muchos polímeros15,16 presentan un valor de T0 ≈ T − 50°C . COMPARACIÓN ENTRE LAS PREDICCIONES TEÓRICAS Y LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES Las figuras 7 y 8 muestran como nuestro MFM describe de una manera precisa los resultados experimentales del PET amorfo estudiado, a excepción del proceso de cristalización fría. También se muestran las contribuciones individuales de los 3 MZM del MFM. Esta especie de deconvolución nos da una idea de como contribuyen individualmente cada tipo de movimiento molecular del PET al espectro global de relajación mecánica. En las figuras 7 y 9 se muestra como pueden calcularse los parámetros EU y E0 (módulo relajado Fig. 7. Comparación de las preediciones teóricas y resultados experimentales de E’(T) a una frecuencia de 0.1 Hz Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 Fig. 8. Comparación de las preediciones teóricas y resultados experimentales de E’’(T) a una frecuencia de 0.1 Hz y no relajado): EU = E1U + E 2U + E 3U (15) E0 = E10 + E 2 0 + E 30 (16) Estas ecuaciones son importantes porque nos permiten reducir los parámetros de nuestro MFM. Los órdenes fraccionarios de cada “spring-pot” del MFM fueron calculados a partir de un diagrama de tipo Cole-Cole, el cual es un diagrama en el plano complejo de las curvas experimentales E’(T) y E’’(T). La figura 9 es un esquema en el que se muestra la relación que existe entre los órdenes Fig. 9. Diagramas de Cole-Cole individuales del MFM. 13 �Aplicación del cálculo fraccional... / Martín Edgar Reyes Melo, et al fraccionarios b, a, c y d (ver figura 8) y los diagramas de Cole-Cole individuales. Los valores numéricos de los parámetros del MFM que fueron utilizados para reproducir los valores experimentales se muestran en la tabla II. Los órdenes fraccionarios presentan la siguiente relación: b>a>c>d. El valor más pequeño d, corresponde a la relajación β2 que se presenta a muy bajas temperaturas (por debajo de –83°C), mientras que el valor más alto b, está asociado a los movimientos moleculares de la relajación α, a temperaturas ligeramente superiores a 80°C. Tabla II. Valores numéricos de los parámetros utilizados en las figuras 7 y 8. Movilidad molecular α Movimientos moleculares cooperativos β1 Movimientos moleculares no cooperativos β2 Movimientos moleculares no cooperativos Parámetros a 0.34 b 0.94 E1U-E10 6.59 X 108 Pa c 0.32 E2U-E20 1.76 X 108 Pa d 0.2 E3U-E30 8 1.74 X 10 Pa En la figura 8 puede constatarse que el mínimo localizado entre β1 y α está asociado a los parámetros c y a. Se ha demostrado para otros polímeros amorfos que el mínimo entre la relajación principal α y una relajación secundaria es muy sensible al proceso de envejecimiento físico que sufren dichos materiales.10 En lo referente a los parámetros cinéticos utilizados para definir los tiempos de relajación τa, τb, τc y τd, podemos decir que para el caso de la relajación α, la energía de activación (en el intervalo T*>T>T0) depende de la temperatura, ver figura 10, como referencia se tiene que la energía del enlace covalente carbono-carbono es de 334kJ/mol. En este caso hemos podido constatar que T0=Tg-50°C y T*=1.3Tg, estos valores concuerdan con los reportados para muchos polímeros amorfos.15,16 14 Fig. 10. Predicciones de las energías de activación calculadas a partir de los parámetros de activación utilizados en las figuras 7 y 8. En el caso de β1 y β2 las energías de activación son constantes y de magnitudes que pueden asociarse a movimientos moleculares muy localizados es decir movimientos moleculares no cooperativos. CONCLUSIÓN Los operadores diferenciales e integrales de orden arbitrario nos han permitido desarrollar un modelo capaz de predecir la manifestación mecánica de la viscolelasticidad de un polímero caracterizado por tres tipos de movilidad molecular. La comparación entre los resultados experimentales y los cálculos teóricos muestran que las mediciones experimentales son reproducidas por nuestro MFM. Considerando que cuando el orden fraccionario de un “spring-pot” se acerca a la unidad la disipación de energía se incrementa y por el contrario cuando dicho parámetro tiende a 0, la energía almacenada se hace más importante que la disipada, podemos concluir que a medida que la temperatura se incrementa los movimientos moleculares correspondientes disipan más energía (b>a>c>d). Como continuación de este trabajo la segunda parte será dedicada al desarrollo de un modelo fraccional capaz de predecir la manifestación dieléctrica de la viscoelasticidad en los materiales poliméricos. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Aplicación del cálculo fraccional... / Martín Edgar Reyes Melo, et al AGRADECIMIENTOS Los autores agradecemos a los organismos ECOS (Francia), ANUIES y la UANL de México, por el apoyo financiero aportado durante la realización de este trabajo. REFERENCIAS 1. Perez, J. “Matériaux non cristallins et science du désordre”, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, Lyon France 2001. 2. Carreau, P.J., De Kee, D.C.R., Chhabra, R.P., “Rheology of polymeric systems”, Hanser/ Gardner Publications, USA 1997. 3. Novikov, V.U., Kozlov, G.V.; “Structure and properties of polymers in terms of the fractal approach”, Russian Chemical Reviews, 2000, Vol.69, No.6, pp.523-549 4. Guerrero, C., Reyes, E., González, V., “Fracture surface of plastic materials: the roughness exponent”, Polymers, 2002, Vol.43, pp.66836693. 5. González, V.A., Alanís, M., Guerrero, C., and Ortiz, U.; “Surface roughness in dynamically crystallized isotactic polypropylene films”; Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 2004, Vol.42, No.4, pp.646-655. 6. Reyes-Melo, M.E., Martínez-Vega, J.J., Salvia, M.; “Modélisation du module dynamique en conditions isochrones des isolants organiques à l’état solide. Application du calcul fractionnaire”, Electrotechnique du Futur (EF’2003) Supélec, Gif-sur-Yvette, Paris 2003. 7. Maxwell, A.S., Monnerie, L., Ward, I.M.; “Secondary relaxation processes in polyethylene terephthalate-additive blends: Dynamic mechanical and dielectric investigations”; Polymer; 1998, Vol.39; No.26, pp.6851-6859. 8. Bagley, R.L., Torvik, P.J.; “A theoretical basis for the application of fractional calculus to viscoelasticity”, Journal of Rheology, 1983, Vol.27, No.3, pp.201-210. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 9. Schiessel, H., Blumen, A.; “Hierarchical analogues to fractional relaxation equations”, Journal Phys. A: Math. Gen., 1993, Vol.26, pp.5057-5069. 10. Alcoutlabi, M., Martínez Vega, J.J.; “Application of fractional calculus to viscoelastic behaviour modelling and to physical ageing phenomenon in glassy amorphous polymers”, Polymer, 1998, Vol.39, No.25, pp.6269-6277 11. Reyes-Melo, E., Martínez Vega, J., GuerreroSalazar, C., Ortiz-Méndez, U.; “Modélisation de la viscoélasticité des polymères à l’état solide. Application du calcul fractionnaire”, Revue des Composites et des Matériaux Avancés, 2002, Vol.12, No.2, pp.337-359. 12. Reyes-Melo, E., Martínez Vega, J., GuerreroSalazar, C., Ortiz-Méndez, U.; “On the modelling of the dynamic-elastic modulus in polymer materials under isochronal conditions”, Journal of Applied Polymer Science, 2004, Vol.94, pp.657-670. 13. Reyes-Melo, M.E., Martínez-Vega, J.J., Guerrero-Salazar, C.A., Ortiz-Méndez, U.; “Modelling of relaxation phenomena in organic dielectric materials. Application of differential and integral operators of fractional order”, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 2004, Vol.6, No.3, pp.1037-143. 14. Reyes-Melo, M.E., “Modélisation des manifestations mécanique et diélectrique de la viscoélasticité des isolants organiques par la méthode de dérivation et d’intégration fractionnaire”, Thèse (Doctorat), Université Paul Sabatier Toulouse, France Juillet 2004. 15. Rault, J., “Origin of the Voguel-FulcherTammann law in glass-forming materials: the α-β bifurcation”, Journal of Non-Crystalline Solids, 2000, Vol.271, pp.177-217. 16. Matsuoka, S.; “Entropy, free volume, and cooperative relaxation”, Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 1997, Vol.102, No.2, pp.213-228. 15 �Tiempo psicológico en los estudiantes y carga de información Cesáreo Morales Velázquez Institute for the Integration of Technology into Teaching and Learning. Universty of North Texas. cmorales@coe.unt.edu RESUMEN Según Flaherty (1999), dependiendo del tipo de situación el paso del tiempo se puede percibir como lento (duración prolongada – protracted duration), como rápido (compresión temporal – temporal compression) o como convencional (tiempo sincronizado - synchronicity). Para el estudiante, el paso del tiempo puede sentirse muy lento o muy rápido dependiendo del tipo de tarea a desarrollar que tenga en ese momento y de su actitud hacia ésta. La discusión de estos conceptos ha conducido a proponer un modelo sobre la percepción del tiempo enfocado en el estudiante, el cual está basado sobre tres dimensiones: el estado de alerta (awareness), el dominio (expertise) sobre la tarea y la carga de información (information load). Estas tres dimensiones, de manera combinada, podrían prever si se daría una percepción de tiempo prolongado o comprimido cuando el alumno estuviera en su sesión de estudio. Se maneja la hipótesis de que hay mayor probabilidad de que el estudiante experimente un tiempo comprimido cuando emplea la tecnología, y que se dará una duración prolongada cuando no haga uso de ésta. PALABRAS CLAVE Tiempo psicológico, percepción temporal, educación, estudiantes, carga de información ABSTRACT According to Flaherty (1999), the passage of time is perceived as slow (protracted duration), as fast (temporal compression), or as conventional (synchronicity), depending on the situation. For the student, time might pass too slow or too fast, depending on the nature of the task at hand, and his/her disposition toward it. The discussion of these concepts has resulted in a proposed model of the psychological time for the student, based on three dimensions: awareness, expertise, and information load. Combined, these dimensions could predict protracted duration or temporal compression when the student is engaged in a study session. It is hypothesized that the student more likely will experience temporal compression when using technology, and protracted duration when no use of technology is involved. KEYWORDS Psychological time, time perception, education, students, information load. 16 Originalmente publicado en idioma inglés en la revista Tecnología y Comunicación Educativas, año 18, No 39, ene-jun 2004. Traducido y publicado con autorización del Instituto Latinoamericano de la Comunicación Educativa y del autor. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Tiempo psicológico en los estudiantes y carga de información / Cesáreo Morales Velázquez INTRODUCCIÓN/ TIEMPO PSICOLÓGICO Las actividades cotidianas de la gente están delimitadas por dos esquemas cronológicos: uno es el tiempo convencional, formado por horas y minutos y el otro es el psicológico; la percepción del paso del tiempo relacionada al tipo de actividad que se está llevando a cabo. Si sentimos que tal actividad es extremadamente aburrida el paso del tiempo parece ser muy lento y, por el contrario, si dicha tarea es sumamente interesante pareciera que el tiempo se va “volando”. Nuestra percepción psicológica del tiempo se ve marcada por el flujo del pensamiento o sucesión consciente que subyace en los procesos mentales que llevamos a cabo durante el día. Cuando estamos en estado de fascinación, hipnotizados, haciéndonos ilusiones o durmiendo, la sensación común que se tiene posteriormente es que el tiempo se detuvo repentinamente y luego reanudó su paso, dejando un vacío entre estas etapas. Según las palabras de Schutz y Luckman (1973, citado por Flaherty, 1999, p. 4). La articulación temporal del flujo de pensamiento está determinada por la tensión del conciente, la cual se altera haciendo transiciones que van de una parte de la realidad, con su estructura de significados finitos, hacia una menos definida, acompañada con transiciones de una situación a otra en el mundo cotidiano. (p. 56). Obtener una explicación completa de la percepción psicológica del tiempo en el individuo ha sido difícil y se ha visto plagada de incertidumbre. Un intento serio para someter a escrutinio lo que sucede con nuestra percepción del tiempo durante cambios extremos de actividad fue documentado por Flaherty (1999), en el que clasificó más de 700 textos provenientes de estudiantes entrevistados, testimonios de la prensa y otros medios. El autor descubrió que aproximadamente la mitad de los textos entraban en la categoría de “alta complejidad de estimulación”, y la otra mitad podría clasificarse como de “baja complejidad de estimulación”, tales conceptos se tomaron de Hogan (1978). Algunos ejemplos de alta complejidad de estimulación serían los terremotos, los tornados, combates o violencia a nivel personal, el uso de drogas alucinógenas, o los accidentes automovilísticos. Ejemplos de baja complejidad de estimulación serían estar “en espera” durante una llamada telefónica, permanecer en una Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 cámara de aislamiento sensorial, esperar a que llegue el vuelo de alguien, el día de un dependiente con poca clientela en la tienda o el confinamiento solitario cuando se está en prisión. De hecho, según Flaherty (1999), comparado con el transcurrir del tiempo real, el tiempo psicológico (o la percepción psicológica del tiempo) muestra tres variantes: la percepción de que el tiempo pasa lentamente (duración prolongada), la percepción de que el tiempo transcurre de acuerdo con los relojes y los calendarios (sincronía), y la sensación de que el tiempo ha pasado rápidamente (tiempo comprimido). Estas tres situaciones también caracterizan nuestra reacción ante el tiempo; la duración prolongada se experimenta cuando hay una complejidad alta o baja en la situación dada, pero la actividad que se desarrolla no ha llegado a establecerse como rutinaria. La sincronía es la forma típica de experiencia temporal. Por lo común, percibimos el tiempo a través de las relaciones mutuas y las normas cronológicas que establecemos con los demás para medir los días las semanas o los años. Lo que lo psicólogos denominan memoria episódica (Sternberg, 2003, p. 163) es el recuerdo de eventos sincronizados, como puntos de referencia en base a los cuales podemos reconstruir nuestra vida. El tiempo comprimido es producto de las labores “automáticas” en las que nos involucramos a lo largo del día y puede ser resultado de pasar el tiempo de manera distraída con rutinas sumamente complejas que hemos dominado a través de la acción repetitiva, las cuales no necesitan mucho de nuestra atención, pero sí requieren de cierta habilidad. En este tipo de actividades, contrario a lo que pasa con la duración prolongada y la sincronía, el nivel de conciencia se disminuye. Podría afirmarse, a manera de hipótesis, que se experimenta un “acortamiento” del tiempo 17 �Tiempo psicológico en los estudiantes y carga de información / Cesáreo Morales Velázquez de manera inversamente proporcional al nivel de conciencia. Por ejemplo, en una condición de extrema falta de conciencia, el tiempo se contrae y se percibe como un “vacío”, mientras que en un estado de conciencia o alerta extrema el tiempo se percibe como exageradamente lento. Se supone que debe existir un incremento gradual en el “acortamiento del tiempo percibido” al acercarnos cada vez más al estado de inconsciencia. Otra fuente de exploración en cuanto a la percepción psicológica del tiempo proviene de un punto de vista con características más sociológicas. Hogan (1979), consideraba el paso del tiempo a nivel personal como inherente a diferentes factores de tipo social y cultural, como el nivel social, los intervalos de trabajo-esparcimiento o el entorno ambiental. Al discutir este punto en cuestión, Hogan consideraba a los sistemas educativos como un tipo de ambiente en el que la sincronía temporal del estudiante y las características cronológicas del entorno escolar deberían de tener especial importancia. De lo contrario, las mentes de los alumnos “volarán” hacia otro lugar más interesante o simplemente “ocuparán” un asiento. Hogan aborda una serie de hipótesis interesantes sobre la relación que hay entre la percepción personal del tiempo y el ambiente circundante. En cuanto al contexto educativo él establece que: (los estudiantes) que experimentan una asimilación de estímulos sensoriales de manera relativamente rápida sentirán que el tiempo pasa incómodamente lento cuando leen materiales que carecen de apoyo visual o ilustraciones. Esta suposición nos remite directamente a los textos y publicaciones educativas, que pudieran ser poco consultadas debido a que se les asocia, perceptivamente, al tiempo lento o “aburrido”(p.220). Por lo tanto, el alumno podría aburrirse si no hay ilustraciones que acompañen al texto, y tomando en cuenta la tecnología de la actualidad, lo afirmado por Hogan podría reflejarse de manera más pronunciada en los estudiantes. Después de interactuar con la Internet, los medios electrónicos y con velocidades cada vez mayores en el procesamiento de información por computadora, lo que Hogan denomina como la capacidad de procesar rápidamente lo percibido se está convirtiendo en algo común entre los estudiantes. Es posible que algunos estudiantes 18 tengan la capacidad incluso de manejar cargas de información considerables, puesto que están cada vez más inmersos en una sociedad que se mueve velozmente y deja a un lado a aquellos que se niegan a seguir el paso. TIEMPO TECNOLÓGICO Y RITMO Cada vez que la tarea a desempeñar se percibe como “demasiado sencilla” (por ejemplo, una tarea de poca dificultad), existe el riesgo de la predisposición a que se va a tener un “rato aburrido”. No obstante, la complejidad es sólo una de las variables que influyen en la percepción del tiempo; en un contexto más amplio, existe una tendencia histórica en las sociedades occidentales por acelerar los procesos. Como señala Eriksen (2001), la estandarización y el ahorro de tiempo son descendientes de la revolución industrial, en donde se comenzó con la aceleración de los procesos. Su análisis de la tecnología contemporánea tiene un revestimiento nostálgico por aquellos tiempos de menor rapidez, aun así, se hace un sólido recuento de lo que significa la velocidad en el uso de la tecnología. Según Eriksen (2001) la velocidad influye el estilo y la sintaxis en la escritura; no ha quedado un espacio para los procesos lentos, cuidadosamente pensados y llevados a cabo meticulosamente. El estilo de comunicación inquieto y cambiante introducido por MTV se ha convertido en una imagen bien definida de esta era…llenamos los momentos de poca velocidad con el uso de teléfonos celulares cuando caminamos por una calle o esperamos el cambio de luz en un semáforo (p. 60). Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Tiempo psicológico en los estudiantes y carga de información / Cesáreo Morales Velázquez De acuerdo con Eriksen (2001), la velocidad nos conduce a la simplificación y a la pérdida de precisión, creando un efecto tipo línea de ensamblaje, demanda su propio espacio, es contagiosa y es una “droga que causa adicción” de manera que una vez que se empieza a experimentar, no hay vuelta atrás hacia tiempos de menor rapidez. Una de sus afirmaciones es que los cambios en la tecnología y en la velocidad conducen a efectos secundarios inesperados. Según él, nadie esperaba que a mitad de los 90 los usuarios más activos de los teléfonos celulares serían adolescentes, y que los usarían en gran parte como SMS (sistema de mensajes cortos) con el solo propósito de mantenerse en contacto con sus amistades todo el tiempo. Una de las hipótesis más ilustrativas desarrolladas por Eriksen (2001) es que el cerebro humano está en desventaja al tratar de procesar información en un ambiente sumamente sobrecargado. Cada vez más y más información, actividades y consumo se tienen que acomodar dentro del tiempo disponible, que sigue siendo el mismo (al menos en teoría), pero que está seccionado ya en tantas piezas que conduce inevitablemente a una falta de movimiento. Al estarse aproximando el tiempo a cero, la alegoría de Zenón sobre la carrera entre Aquiles y la tortuga se vuelve más clara; el querer lidiar con la carga de información procesándola cada vez más rápido sólo puede llevarnos a una falta de procesamiento. Desde hace ya algún tiempo, la capacidad de procesamiento por cómputo paralelo ha permitido estructurar sistemas que llevan a cabo varios procesos de manera simultánea. Los programas de cómputo pueden manejar multimedia con video en tiempo real y comunicación por medio de audio, video y texto sin perder sus características como estación de trabajo. La movilidad de las computadoras le ha otorgado un valor adicional a estos sistemas, en especial para los consumidores jóvenes. Al expandirse progresivamente las capacidades de las computadoras, ofreciendo con esto una amplia variedad de usos, no es sorpresa que los estudiantes se acerquen a la computadora con varios objetivos en mente; elaborar una tarea, escuchar música o comunicarse con los amigos. Los psicólogos que estudian la manera en la que expertos y novatos resuelven un problema han Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 detectado una tendencia en la gente experta a buscar y obtener información que sea relevante para una solución de manera estratégica, mientras que los novatos revisan toda la información disponible, sobrecargando de esta manera su memoria a corto plazo (Bransford, Brown y Cocking, pp. 42-43). Cuando los jóvenes dominan el uso de la computadora, se valen de ciertos “atajos” y logran hacer las cosas en menor tiempo que muchos adultos, quienes parecen ser los novatos. Ya que dicha habilidad les ahorra algo de tiempo, los jóvenes “rellenan los vacíos” haciendo varias cosas de manera simultánea. No obstante, existe un límite en el procesamiento efectivo de la información. Marvin Minsky (1986), afirma: la necesidad de recordar eventos recientes es la razón de que nuestros “recuerdos a corto plazo” ¡estén en nuestra memoria a corto plazo! Para poder hacer su trabajo de manera rápida y efectiva cada dispositivo de micromemoria debe ser parte de un sistema de mecanismos, con numerosas conexiones intrincadas y especializadas. De ser así, nuestro cerebro no puede elaborar tantos duplicados de dicho sistema, por lo tanto debemos reutilizar el que ya tenemos para diferentes labores. Cada vez que volvemos a usar un dispositivo de micromemoria, es necesario borrar la información que está almacenada –o al menos moverla a un lugar menos importante. Sin embargo, esto tomaría tiempo y se interrumpiría el flujo de pensamiento. Nuestra memoria a corto plazo debe de trabajar demasiado rápido para que nos quede tiempo de estar conscientes (p. 161). La computadora y los dispositivos de telecomunicación agregados a este sistema pueden ofrecer una gran variedad de tareas simultáneas, representaciones conceptuales o redes de contenido semántico, pero las limitantes en el aprendizaje siguen existiendo; quizá no debido a la falta de capacidad, ya que Baddeley (1999, p. 47) ha demostrado la capacidad humana de aprendizaje bajo condiciones extremas (como al estar buceando a 30 mts. de profundidad), sino debido a la falta de objetivos y a un enfoque erróneo a la hora de usar la computadora. El tiempo pudiera pasar de forma inadvertida para el estudiante y la sensación de logro pudiera ser enorme, pero al final, ¿qué es lo que permanece en la mente del estudiante después de la sesión de cómputo? ¿serán las canciones, el chat o la tarea? 19 �Tiempo psicológico en los estudiantes y carga de información / Cesáreo Morales Velázquez UNA PERCEPCIÓN DESEABLE DEL TIEMPO DEDICADO AL APRENDIZAJE La escuela y la tarea se han convertido en sinónimos de un momento aburrido en muchos aspectos, y aunque hoy en día las aulas están equipadas con mayores recursos y los maestros están más relacionados con el enfoque constructivista de enseñanza, la actitud de los alumnos hacia la escuela se va tornado negativa de manera constante a lo largo de la educación básica (Knezek & Christensen, 2002, pp. 44-45). En lo concerniente al rubro, sería interesante poner a prueba hipótesis correlacionadas en diferentes situaciones educativas, con diversos grados de inclusión de tecnología y diferentes etapas de integración tecnológica. ¿En qué punto percibirían los estudiantes que el tiempo se ha ido “volando” mientras que aprendían? Un factor clave en el logro de este objetivo es el mantener vivo el interés del alumno a lo largo de la clase, influyendo en su motivación y en el nivel de atención puesta sobre la tarea a desarrollar. El nivel de atención está relacionado a la edad, así que el planear actividades de 15 minutos para los niños es una práctica común entre los educadores de prescolar; el tiempo de instrucción se va incrementando en los niveles educativos posteriores a medida que van aumentando la madurez del alumno y sus habilidades sociales. La instrucción combina la aplicación de conocimientos con el uso de marcos conceptuales y el desarrollo de habilidades; el margen de atención y la tarea a resolver en clase son indicadores objetivos del interés y la motivación. Sin embargo, ¿qué información se está procesando, asimilando 20 o construyendo? Una medida que tal vez pueda contestar con mayor seguridad esta cuestión sería la carga de información a la que están expuestos los alumnos, el nivel de procesamiento requerido para la tarea que se lleva a cabo y la condición del alumno como experto o novato. LA TAREA La tarea a desempeñar es un componente básico de la motivación en el estudiante; el diseñar actividades para atraer al alumno hacia el proceso de aprendizaje no es en sí una tarea fácil. Una buena tarea cognitiva implica una combinación de objetivos de aprendizaje y el logro de éstos; el establecer objetivos de aprendizaje por sí mismos puede resultar poco atractivo para los alumnos, pero si se combinan con un conjunto de normas o rúbricas que aborden el cómo lograr dichos objetivos podrían obtenerse tareas motivantes. Stipek (2002) presenta un listado de lineamientos para diseñar tareas que motiven: • Los alumnos deben entender el propósito de la tarea y lo que se espera exactamente que ellos hagan para llevarla a cabo. • Las tareas deben constituir un reto, es decir, que los alumnos deban aplicar un genuino esfuerzo para completarlas. • La tarea debe involucrar al alumno en una actividad mental de tipo superior, solución activa de problemas y preguntas de tipo abierto (p. 259). Si se trata de una tarea usando la computadora, es importante tener en mente que la búsqueda de información sin tener un proyecto basado en la investigación, o al menos un propósito claro para ello, podría resultar en una tarea larga y aburrida. El uso de la World Wide Web como una enciclopedia gigante es un desperdicio de tiempo cuando se tiene la posibilidad de involucrar a los alumnos en proyectos mejor estructurados y diseñados para desarrollar las habilidades de pensamiento a nivel superior (diSessa, 2000, p. 221). En términos de cuanto tiempo se dedica a una tarea, la carga podría sentirse más pesada para el estudiante cuando no hay estructuración o un objetivo claro de lo que está haciendo, incrementando la sensación de que está “desperdiciando el tiempo”. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Tiempo psicológico en los estudiantes y carga de información / Cesáreo Morales Velázquez EL ESTUDIANTE Como en cualquier otro grupo social, los estudiantes son una multitud diversa, y sus diferencias individuales juegan un papel importante en el proceso de enseñanza- aprendizaje. El reconocer las diferentes necesidades existentes en aspectos como la motivación y el aprendizaje ha llevado a una intensa investigación de las características que definen a un estudiante como conocedor o inteligente, la manera en que adquiere, organiza y transforma información en conocimiento y sobre todo, la forma en que aplica dicho conocimiento para resolver problemas. Bransford y otros autores (2000, p. 31) enumeran varias diferencias notables entre expertos y novatos: 1. Los expertos detectan características y patrones importantes de información que los novatos no distinguen. 2. Los expertos han adquirido un gran cúmulo de conocimiento que está organizado de forma que reflejan una profunda comprensión de la materia en cuestión. 3. El conocimiento de los expertos no puede reducirse a grupos de cifras o información aislada, sino que se extiende hasta contextos de aplicación. 4. Los alumnos expertos pueden recordar de manera flexible aspectos importantes de sus conocimientos sin grandes esfuerzos de atención. 5. Los expertos tienen niveles variados de flexibilidad en su aproximación hacia situaciones nuevas. En términos del tiempo y esfuerzo dedicados a una tarea, es importante notar que aun cuando el experto pudiera ahorrar tiempo al recordar información debido a que ya conoce la materia, esto no significa necesariamente que sea más rápido que un novato al resolver un problema en particular. La necesidad de entender un problema de manera minuciosa pudiera jugar un papel importante a la hora de resolverlo; por lo que, el tiempo ahorrado en encontrar la información –lo cual es una carga mayor para el novato- es un tiempo “perdido” para el experto en tanto dedica ese tiempo a explorar diferentes posibilidades de solución, en lugar de apegarse a una en específico desde el inicio. Otra característica importante del estudiante experto es que llevar a cabo una tarea requiere poca de su atención, esto es, que el desempeño de una tarea en particular podría convertirse en un proceso Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 automatizado llevado a cabo en un ambiente normal. No obstante, el experto puede dejar de ser cuidadoso al considerar sus habilidades; la confianza en su propia pericia pudiera llevar a sucesos desagradables o peligrosos en un laboratorio o ambiente de alta seguridad. Por lo tanto, estar conscientes del tipo de situación bajo la cual se desarrollan las tareas con tiempo medido es importante no sólo para el estudiante novato, sino también para el experto. MODELO PROPUESTO SOBRE EL TIEMPO PSICOLÓGICO EN EL ESTUDIANTE La discusión sobre los aspectos principales de cómo los estudiantes perciben el paso del tiempo fue la base para la siguiente propuesta de un modelo conceptual del tiempo psicológico el cual busca explicar los dos extremos del paso del tiempo en una sesión de estudio: duración prolongada y compresión temporal. Si concebimos cualquier posible percepción del tiempo mientras se estudia, el estudiante deberá experimentar algo entre un tiempo extremadamente lento (duración prolongada), a la sensación del tiempo que “pasa volando” (compresión temporal). Estas experiencias se dan en un marco de juicio tridimensional relacionadas a una auto percepción de la situación y las habilidades propias así como a la carga que representa la tarea a realizar. El modelo conceptual (figura 1) considera las tres dimensiones y la dirección en la sensación extrema del paso del tiempo. Fig. 1. 21 �Tiempo psicológico en los estudiantes y carga de información / Cesáreo Morales Velázquez La primera dimensión, en la parte inferior, describe el estado de alerta del estudiante, esto es, la percepción de la situación contextual al estar estudiando. Con el fin de llevar a cabo una sesión de estudio, es necesaria una condición básica de alerta física, sin embargo, una condición extrema de alerta física puede ser contraproducente, conduciendo a la experiencia de inquietud y tensión. Se presume que la percepción del paso del tiempo está directamente relacionada con el nivel en que se experimenta el estado de alerta: Altos niveles de alertamiento llevan a una mayor conscientización del paso del tiempo, haciendo más plausible la percepción de duración prolongada. El estar totalmente consciente de lo que está pasando alrededor de la situación en que se estudia va en decremento de una deseable concentración en la tarea que se realiza. La situación contraria en el estado de alerta lleva a un bajo nivel de conciencia, y la percepción de tiempo comprimido. En este caso, el estudiante podrá estar completamente enfocado en la tarea, al margen de lo que pase a su alrededor. La segunda dimensión, (a la derecha en la figura) es la percepción de la carga de información implicada en la tarea. Aunque el término de “carga de información” es una sobresimplificación, pues implica una gran cantidad de variación individual en la que puede haber demasiada o muy poca información, y está sólo parcialmente relacionada con la carga “objetiva” de información que está siendo procesada. La percepción de una alta carga de información, puede llevar a la experiencia de duración prolongada. Una carga de información percibida como baja, por el contrario, llevará a la percepción de compresión temporal. La tercera dimensión es el nivel de dominio sobre la tarea que se lleva a cabo, de acuerdo como es percibida por el estudiante. Entonces, el nivel de dominio está relacionado directamente con la complejidad percibida de la tarea que se realiza. La hipótesis derivada es que el nivel de dominio es inversamente proporcional a la complejidad percibida de la tarea: un bajo dominio sobre el tema estudiado lleva a una percepción de alta complejidad de la tarea y a una duración prolongada, mientras 22 que una alto dominio lleva a la percepción de una baja complejidad de la tarea y a una compresión temporal. El modelo descrito en la figura 1 es sólo una vista general de las dimensiones involucradas. También se requiere de una aproximación dinámica, al estar las dimensiones razonablemente interrelacionadas en los vértices. Se asume que la combinación de alto dominio y bajo alertamiento conduce a una compresión temporal, y que un alto alertamiento combinado con alta carga de información resulta en una duración prolongada. Pero ¿qué pasa cuando combinamos bajo dominio con baja carga de información? ¿Llevará dicha combinación a una compresión temporal o a una duración prolongada? Quizás lo que se necesita es la adición de una tercera dimensión para decidir qué podría ser percibido. El modelo permite 8 combinaciones de las 3 dimensiones, 4 de ellas prediciendo compresión temporal y 4 prediciendo duración prolongada. Las figuras 2 y 3 describen las combinaciones hipotéticas de los extremos altos y bajos de cada dimensión, basadas en las relaciones establecidas en el modelo general. Algunas de las combinaciones son intuitivamente claras, como por ejemplo: bajo alertamiento, baja carga de información y alto dominio llevan a una compresión temporal, o alto alertamiento, alta Fig. 2. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Tiempo psicológico en los estudiantes y carga de información / Cesáreo Morales Velázquez El algoritmo descrito por el modelo es una derivación lógica simple de la combinación “alto-bajo” de variables. Aún en este punto las combinaciones extremas (alta-alta-alta, bajabaja-baja) son difíciles de sustentar debido a que representan ciertos estados inestables. Sin embargo, esos patrones ideales esperan ser contrastados con situaciones reales y el desarrollo de mediciones apropiadas que permitan predecir la percepción temporal de los estudiantes cuando están involucrados en tareas académicas. Fig. 3. carga de información y bajo dominio conllevan una percepción de duración prolongada Otras combinaciones no son tan obvias, como el caso de bajo alertamiento, baja carga de información y bajo dominio, que lleva a una compresión temporal, o un alto alertamiento, alta carga de información y alto dominio que produce la percepción de duración prolongada. Aunque el modelo tiene el propósito de explicar la percepción del paso del tiempo en una sesión de estudio, fue pensado como un medio para evaluar el uso de la tecnología como una herramienta para el aprendizaje de los estudiantes. Una hipótesis final debe predecir que un estudiante experimentará compresión temporal más veces en una sesión de estudio cuando se usa tecnología de la información, que cuando no se usa. Consecuentemente, un estudiante experimentará una duración prolongada más veces en una sesión de estudio cuando no usa tecnología de información que cuando se usa. CONCLUSIÓN El modelo presentado fue concebido para explorar los efectos de un ambiente de aprendizaje con tecnología sobre la percepción del tiempo desde la perspectiva de los estudiantes, aunque puede ser también usada para explorar otros ambientes de aprendizaje. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 BIBLIOGRAFÍA • Baddeley, A. D. (1999). Essentials of human memory. Hove, UK: Psychology Press. • Bransford, J. D., Brown, A. L, & Cocking, R. R. (2000). How people learn. Brain, mind, experience, and school. Washington, DC National Academy Press. • Knezek, G. & Christensen, R. (2002). 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Belmont, CA: Wadsworth/Thomson Learning (3rd Ed.). 23 �El clasificador Naïve Bayes en la extracción de conocimiento de bases de datos Samuel D. Pacheco Leal, Luis Gerardo Díaz Ortiz, Rodolfo García Flores Posgrado en Ingeniería de Sistemas, FIME-UANL samuel@yalma.fime.uanl.mx rodolfo@yalma.fime.uanl.mx RESUMEN El análisis de la gran cantidad de datos generados día a día en las actividades productivas y que se almacenan en grandes bases de datos electrónicas resulta cada vez más complicado. La minería de datos es un área de la Inteligencia Artificial que se ha desarrollado para facilitar el análisis de estos registros y se define como la búsqueda automática o semiautomática de patrones no triviales en bases de datos. En este artículo se hace una breve introducción a sus técnicas y aplicaciones a problemas reales y se muestra en detalle el funcionamiento de uno de estos algoritmos, conocido como el método Naïve Bayes. Se demuestra su utilidad práctica a través de un caso de estudio relacionado al diagnóstico de uso de lentes de contacto. PALABRAS CLAVE: Minería de datos, Naïve Bayes, reconocimiento de patrones, aprendizaje de máquina. S F1 F2 … Fn-1 Fn El evento E E = EF1 ∪ EF2 ∪ ... ∪ EFn−1 ∪ EFn ABSTRACT Day after day, the analysis of the huge amount of generated data by productive activities and stored in electronic databases becomes more complicated. Data mining is an emerging field of Artificial Intelligence which purpose is to facilitate the analyses of such data repositories, and it is defined as the automated or semi-automated search of non-trivial patterns in databases. This paper briefly introduces its main techniques and makes an overview of data mining applications to real-life problems. To illustrate the practical value of data mining, a detailed explanation of one of its methods, known as the Naïve Bayes classifier, is given. The argument is enhanced through the presentation of a case study related to contact lens diagnosis. KEYWORDS: Data Mining, Naïve Bayes, pattern recognition, machine learning. INTRODUCCIÓN Hoy en día existe tal cantidad de datos generados en todas las actividades productivas almacenados en medios electrónicos, que su análisis manual resulta 24 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �El clasificador Naïve Bayes en la extracción... / Samuel D. Pacheco Leal, et al imposible. Es muy fácil que información relevante quede escondida entre montañas de datos, cuando la velocidad con la que se mueve la sociedad hoy en día requiere que esta información sea extraída de forma rápida, sin descuidar su confiabilidad. Recientemente se han desarrollado diferentes algoritmos con el fin de cubrir esta necesidad de información, los cuales forman parte de la denominada minería de datos. La minería de datos es una etapa del proceso de descubrimiento en bases de datos que utiliza diversas herramientas de análisis para descubrir patrones y relaciones entre los datos que puedan ser usados para realizar predicciones válidas.1 El fin de la minería de datos es encontrar, de una forma u otra, patrones útiles y significativos para quien generó los datos originales. Los patrones encontrados pueden ser utilizados para diversos fines, como por ejemplo comprender mejor una situación, hacer predicciones ante casos nuevos, servir como una herramienta para la toma de decisiones o simplemente para adquirir conocimiento. No hay que perder de vista que la minería de datos es solamente un instrumento que se aplica a datos ya existentes y que por ello no genera información por sí sola. La minería de datos ha encontrado numerosas aplicaciones entre las cuales se pueden mencionar: • Banca. Diversas instituciones bancarias han usado modelos basados en la minería de datos para evaluar y aprobar créditos.2 • Pronósticos del clima. Se han analizado registros históricos de fenómenos atmosféricos para pronosticar eventos climáticos. Por ejemplo, Liong y Sivapragasam3 utilizaron la minería de datos para pronosticar inundaciones en la región de Dhaka, Bangladesh, logrando muy buenos resultados. • Medicina. No todos los medicamentos surten el mismo efecto ni actúan con la misma intensidad en todos los pacientes; algunas personas pueden presentar ciertas reacciones negativas a determinado tipo de medicamento o grupo de medicamentos. La investigación de reportes acerca de estas reacciones adversas a medicamentos ha sido estudiada usando la minería de datos.4 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 • Bibliotecas. El interés en el análisis del comportamiento de los usuarios de bibliotecas se ha incrementado rápidamente a partir del desarrollo de las bibliotecas digitales e Internet. En este contexto, se reporta en5 que se analizaron las consultas realizadas a bibliotecas digitales y el registro de estas consultas fue almacenado. Posteriormente y a partir de este registro se construyeron comunidades de usuarios con intereses similares utilizando la minería de datos, con el fin de que estas comunidades puedan mejorar su acceso a la información. • Seguridad Nacional (EUA). El gobierno de los EU maneja un proyecto llamado “conciencia total de la información”, o TIA por sus siglas en inglés (Total Information Awareness) en conjunto con la Agencia de Proyectos de Investigación de Defensa Avanzados, DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Este proyecto busca recolectar información de transacciones financieras individuales, registro de viajes, registros médicos y otras actividades con el fin de prevenir el terrorismo. La minería de datos es utilizada para analizar esta información desde el año 2003.6 La gran cantidad de aplicaciones que ha encontrado la minería de datos ha requerido el rápido desarrollo de una variedad de técnicas de análisis. A continuación se mencionan las principales de estas técnicas junto con algunos algoritmos representativos. 25 �El clasificador Naïve Bayes en la extracción... / Samuel D. Pacheco Leal, et al • Agrupamiento. El propósito de estas técnicas es agrupar un conjunto de elementos relacionando aquellos que sean semejantes y al mismo tiempo que sean suficientemente diferentes de otros grupos de elementos formados. A este tipo de algoritmo se le conoce como no dirigido, pues no se conoce con antelación el grupo específico al que pertenece una instancia, sino que de acuerdo a los datos, los grupos se van formando, según sus semejanzas y diferencias. Dentro de las aplicaciones del agrupamiento se encuentran: reducción de datos, generación de hipótesis, prueba de hipótesis, y predicción basada en grupos.7 Como ejemplo de esta técnica, Strehl y Ghosh8 aplicaron un algoritmo de agrupamiento para disminuir la dimensión de una base de datos a matrices de 2 dimensiones, lo cual es de gran ayuda al momento de visualizar los resultados. • Análisis de series de tiempo. El pronóstico de series de tiempo pronostica valores aún no conocidos, utilizando resultados conocidos para guiar sus predicciones. Como ejemplo, el análisis de series de tiempo fue utilizado, junto con otros algoritmos, para identificar fenómenos atmosféricos que pudieran surgir sobre las islas de Japón como tifones y frentes fríos, en imágenes de satélites.9 • Asociación. El objetivo de la asociación es encontrar aquellos artículos (sucesos) que tienden a aparecer juntos en algún evento dado. El campo donde más se ha desarrollado este tipo de algoritmo es el de los supermercados. Este problema, mejor conocido como el problema del análisis del carrito de supermercado, consiste en encontrar aquellos artículos que los consumidores adquieren juntos, con el fin de diseñar mejores estrategias de venta. Por ejemplo, una estrategia de venta puede consistir en ubicar los productos asociados en estantes cercanos para facilitar a los consumidores su adquisición.10 Las transacciones en el supermercado proporcionan los datos y debido a la enorme cantidad que se genera diariamente es necesaria la automatización del análisis mediante la minería de datos. • Predicción. Existen dos tipos de algoritmos utilizados para realizar predicciones: 26 * Regresión. El objetivo de este tipo de análisis es determinar, de acuerdo a un resultado dado, el valor de los parámetros que produjeron ese resultado. Por ejemplo, se ha reportado el uso de métodos de regresión para asegurar la calidad de los sistemas de cómputo mediante el análisis de los errores de ejecución.11 * Clasificación. La clasificación trata de encontrar las características que identifican a un grupo para ser clasificado dentro de cierta clase. Este conocimiento puede ser utilizado para entender el comportamiento del sistema que generó los datos y de esta forma predecir la clase a que pertenecerá una nueva instancia. Entre los algoritmos de clasificación se encuentran: ♦ Análisis discriminante. La forma en la que opera este algoritmo, es determinando la localización óptima de una línea que actúa como frontera entre los diferentes casos. El algoritmo trata de ubicar la línea de tal manera que el margen de separación entre casos de diferente clase sea máximo. Este método tiene la ventaja de ser muy fácil de visualizar, sin embargo no siempre se puede hacer este tipo de discriminaciones. Por ejemplo, R. Kholi et al12 reporta que se utilizó un análisis discriminante para presentar evidencia estadística de características que discriminan entre estudios de rentabilidad de tecnología de información que presentan efectos positivos y los que no los presentan. ♦ k-vecinos más cercanos. Conociendo ciertos individuos similares, el algoritmo forma un grupo de k individuos, de acuerdo a sus características. Cuando aparece un nuevo individuo, éste se puede clasificar en cierto grupo de acuerdo a su semejanza con los k individuos pertenecientes a ese grupo. Por ejemplo, en la referencia13 se reporta que la producción de madera de piceas en Noruega requiere una evaluación muy precisa de la calidad interna de la madera de los árboles. La calidad interna se predijo de acuerdo a ciertas variables externas que son fácilmente medibles o que se pueden conocer sin necesidad de cortar el árbol, como por ejemplo su edad, diámetro medio, Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �El clasificador Naïve Bayes en la extracción... / Samuel D. Pacheco Leal, et al área en la base, altura y volumen. La relación de estas variables externas con las variables que reflejan la calidad de la madera como la densidad, cantidad de núcleo y cantidad de nudos que presenta cada árbol fue determinada por los investigadores gracias a la experiencia de los aserraderos a lo largo de los años. El método de k-vecinos más cercanos fue utilizado para predecir la calidad de estos árboles utilizando una amplia base de datos que fue obtenida en una extensa investigación llevada a cabo por el Instituto Finlandés de Investigación de Bosques. ♦ Redes neuronales. Este tipo de algoritmos intenta emular el funcionamiento de los cerebros de los seres vivos mediante capas de “neuronas”, que son funciones matemáticas con un comportamiento determinado. Existe una capa de entrada seguida de una o varias capas intermedias, para finalizar en una capa de salida. Por ejemplo, en14 se reporta que, en búsqueda de la disminución de gases producidos por los automóviles, se utilizó una red neuronal para ajustar los parámetros de operación en un tipo de motor. ♦ Árboles de decisión. Estos algoritmos “aprenden” reglas a partir de datos, tratando de obtener la descripción más sintética (i.e., de menor tamaño) que represente de forma más cercana los datos originales. Cuando se presenta un nuevo caso, simplemente se siguen las reglas extraídas por el algoritmo. Por ejemplo, en el tratamiento de cáncer, se ha reportado el uso de los árboles de decisión para mostrar los resultados posibles a partir de los síntomas e historias clínicas de los pacientes.15 ♦ Vectores soporte. Estos algoritmos están relacionados con los de análisis discriminante. Se han utilizado técnicas de vectores soporte para el pronóstico de inundaciones.16 ♦ Naïve Bayes. Es un método basado en la teoría de la probabilidad, usa frecuencias para calcular probabilidades condicionales para calcular predicciones sobre nuevos casos. Naïve Bayes es una técnica tanto predictiva como descriptiva. A pesar de ser simple, ha Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 sido desarrollada con éxito, produciendo buenos resultados en sus aplicaciones. Este método será descrito en detalle en la siguiente sección y posteriormente utilizado para nuestro caso de estudio. S F1 F2 … Fn-1 Fn El evento E E = EF1 ∪ EF2 ∪ ... ∪ EFn −1 ∪ EFn Fig. 1. El evento E sucede junto con alguno de los eventos mutuamente excluyentes Fj EL CLASIFICADOR NAÏVE BAYES Sean E y F eventos. Podemos expresar a E como E = EF ∪ EF c (1) es decir, para que ocurra un evento E, deben suceder E y F, o bien debe suceder E y no suceder F. Thomas Bayes 27 �El clasificador Naïve Bayes en la extracción... / Samuel D. Pacheco Leal, et al Debido a que EF y EFc son mutuamente excluyentes, tenemos que ( ) P (E ) = P (EF )+ P EF c ( )( ) = = P (E F )P(F )+ P E F c P F c ( ) (2) = P (E F )P(F )+ P E F c (1 − P (F )) La ecuación (2) establece que la probabilidad del evento E es una ponderación de la probabilidad condicional de E dado que F ha ocurrido y la probabilidad condicional del evento E dado que F no ha ocurrido. Cada probabilidad condicional proporciona tanta ponderación como el evento condicionado tiende a ocurrir. La ecuación (2) puede generalizarse de la siguiente manera: supongamos que los eventos F1, F2,...Fn son mutuamente excluyentes tal que , donde S es el espacio muestral. En otras palabras, exactamente uno de los eventos ocurrirá (figura 1). Podemos escribir lo anterior como De la definición de probabilidad condicional tenemos que P (EFi )= P (E Fi )P(Fi ) (3) Además, usando el hecho de que los eventos EFi, i = 1, …, n son mutuamente excluyentes, obtenemos que P(E )= = ) ( ) PP(EF (E ) n j P Fj E = ( )( ) P E Fj P Fj ∑ P(E F )P(F ) n i i =1 (5) i La ecuación (5) es conocida como la fórmula de Bayes.17 Así, podemos considerar a E como evidencia de Fj, y calcular la probabilidad de que Fj ocurra dada la evidencia, . Supóngase ahora que se tiene evidencia de múltiples fuentes. De la ecuación (3): ( ) P F j E1 E 2 ...E m = P ( E1 E 2 ...E m F j ) P( F j ) P ( E1 E 2 ...E m ) (6) lo que dificulta el cálculo, pues el término no es sencillo de obtener. Para resolver el problema, se supone que los Ei son independientes dado Fj, lo que nos permite escribir: P (F j E1 E 2 ...E m )= P ( E1 F j ) P( E 2 F j )...P( E m F j ) P ( F j ) P( E1 E 2 ...E m ) (7) la cual es la ecuación que se utilizará para la obtención de resultados. La suposición que da origen al adjetivo Naïve (ingenuo) es la independencia entre las variables, lo cual no es siempre cierto. Sin embargo, el método ha sido exitoso en su aplicación debido a que la información relevante está contenida en las magnitudes relativas entre las cantidades y no tanto en los valores de las probabilidades en sí. ∑ P(EF ) i =1 i ∑ P(E F )P(F ) n i =1 i i (4) Así, la ecuación (4) muestra como, para eventos dados F1, F2,...Fn de los cuales uno y solamente uno puede ocurrir, se puede calcular P(E) condicionando a que ocurra F1,. Esto es, se establece que P(E) es igual al promedio de las ponderaciones de y cada término es ponderado por la probabilidad del evento en el cual es condicionado. Supóngase ahora que E ha ocurrido y que se quiere determinar la probabilidad de que el evento Fj haya ocurrido. Por la ecuación (4) tenemos que 28 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �El clasificador Naïve Bayes en la extracción... / Samuel D. Pacheco Leal, et al PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA Un campo de aplicación muy fértil para la minería de datos ha sido tradicionalmente el de la salud. En esta sección presentaremos una problemática que se encuentra dentro del área de la oftalmología. Entre los padecimientos de los ojos que puede sufrir un individuo dentro de una población, se encuentra la deficiencia visual, esto es, padecer hipermetropía, miopía, o astigmatismo, entre otras enfermedades. Una forma de manejar estas deficiencias es mediante el uso de lentes de contacto, de los cuales existen dos tipos de acabado: los lentes suaves y los lentes duros. Por otro lado, existen individuos con deficiencias visuales cuyo organismo no es capaz de aceptar el uso de ningún tipo de lente. Esto significa que aun sufriendo algún padecimiento, es posible ser diagnosticado como un paciente no apto para el uso de lentes de contacto. Para el diagnóstico de lentes de contacto se toman como base atributos relevantes como la edad, padecimiento, astigmatismo y lagrimeo. De acuerdo con estos datos se puede predecir el uso o no de lentes y de qué tipo. Para demostrar la aplicación del clasificador Naïve Bayes se utilizará una base de datos que contiene 24 entradas que representan las características de los pacientes (las instancias) y que se muestra en la tabla I. A cada instancia corresponde el diagnóstico de no usar lentes de contacto o de usar lentes duros o suaves. Este diagnóstico es la clase que se quiere predecir a partir de los valores de los demás atributos (las características de los pacientes), que son edad, padecimiento, si se sufre astigmatismo y lagrimeo. Estos atributos se muestran en ese orden en la tabla I. Los valores que puede tomar cada atributo se explican a continuación. Para la edad existen 3 posibles valores: joven, pre-presbiópico y presbiópico; como padecimiento se tomarán: miope o hipermétrope. El astigmatismo puede presentarse o no, por lo tanto este atributo tomará el valor de sí o no; y el lagrimeo se presentará normal o reducido. Se presenta a continuación la tabla de instancias para el problema abordado. Se muestran las características de los pacientes y en la última columna el resultado obtenido por el clasificador, el Tabla I. Base de datos a analizar 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Edad Padecimiento Astigmatismo Lagrimeo Tipo de lente Pct. joven joven joven joven joven joven joven joven pre-presbiópico pre-presbiópico pre-presbiópico pre-presbiópico pre-presbiópico pre-presbiópico pre-presbiópico pre-presbiópico presbiópico presbiópico presbiópico presbiópico presbiópico presbiópico presbiópico presbiópico hipermétrope hipermétrope hipermétrope hipermétrope miope miope miope miope hipermétrope hipermétrope hipermétrope hipermétrope miope miope miope miope hipermétrope hipermétrope hipermétrope hipermétrope miope miope miope miope si si no no si si no no si si no no si si no no si si no no si si no no reducido normal reducido normal reducido normal reducido normal reducido normal reducido normal reducido normal reducido normal reducido normal reducido normal reducido normal reducido normal ninguno duro ninguno suave ninguno duro ninguno suave ninguno ninguno ninguno suave ninguno duro ninguno suave ninguno ninguno ninguno suave ninguno duro ninguno ninguno 89.06% 45.53% 83.28% 67.17% 80.71% 66.28% 83.35% 57.85% 92.97% 51.02% 86.11% 65.25% 87.80% 53.24% 86.73% 57.77% 94.48% 57.74% 91.28% 52.21% 89.78% 51.76% 91.31% 43.21% Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 29 �El clasificador Naïve Bayes en la extracción... / Samuel D. Pacheco Leal, et al Tabla II. Tabla de conteos Conteo Edad ninguno suave joven 4 2 pre-presbiópico 5 2 presbiópico 6 1 Total duro 2 1 1 24 Lagrimeo ninguno suave 4 5 11 0 Total duro 4 0 24 normal reducido Padecimiento ninguno suave hipermétrope 8 3 miope 7 2 Total cual se describe más adelante. Por ejemplo, la instancia 7 muestra que a un individuo joven que padece de miopía, no sufre astigmatismo y presenta lagrimeo reducido, se le diagnostica como no apto para uso de lentes de contacto. Organizar los datos de manera práctica agiliza mucho el análisis. En este caso se manipularon los datos en Excel, en el cual se programaron las formulas presentadas en la sección anterior para obtener los resultados que se muestran más adelante. La forma de organizar los datos es a través de un conteo en las instancias, realizado de la siguiente forma: para cada atributo, se cuenta el número de veces que aparece determinado valor junto con una clase en particular. Ponemos como ejemplo el caso de la edad. Se cuenta el número de veces que se presenta cada valor del atributo con cada valor de la clase. Así, joven y lente suave aparecen juntos un total de 2 veces, joven y lente duro un total de 2, joven y no apto para lente un total de 4, para un total de 8 veces que se presenta el atributo de joven. El total de conteos para cada clase por atributo se presenta en la tabla II. Antes de determinar las probabilidades condicionales de los casos posibles, consideremos los siguientes ejemplos: 1. Se tiene un total de 4 pacientes jóvenes a quienes se les diagnosticó como no aptos para el uso de 30 duro 1 3 24 Astigmatismo ninguno suave duro si 8 0 4 no 7 5 0 Total 24 Tipo de lente ninguno suave duro 15 5 4 lentes, según la información recabada en la tabla II. El total de los pacientes diagnosticados de esta misma forma es 15 (esto es, 4 jóvenes más 5 pre-presbiópicos más 6 presbiópicos, como puede apreciarse en el recuadro “Edad” de la misma tabla). Así, asignaríamos la probabilidad de 4/15 a no usar lentes siendo joven. Hasta este punto no se ha encontrado ningún problema. 2. Ahora consideremos el caso de padecer astigmatismo y usar lentes suaves. La probabilidad asignada entonces es de 0/5, lo cual eliminaría la posibilidad de que se presente este caso si utilizáramos el mismo procedimiento que en el ejemplo anterior, pero en circunstancias reales no se puede asegurar a priori que nunca se presentará al consultorio una persona así. Este problema surge al asignar probabilidades como se describió en el ejemplo anterior. Para eliminar el problema referido en el ejemplo 2, se utilizó el estimador de Laplace, el cual considera que cada valor del atributo vi, es equiprobable respecto a todos los posibles valores de ese atributo y que existe una constante µ tal que ( es el número posible de distintos valores que puede tomar dicho atributo). Considerando esto, la probabilidad para cada combinación está dada por P[c j vi ] = (casos favorables + µp i ) (casos totales + µ ) , (8) Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �El clasificador Naïve Bayes en la extracción... / Samuel D. Pacheco Leal, et al Tabla III. Tabla de probabilidades Probabilidades Edad ninguno suave joven 5/18 3/8 pre-presbiópico 1/3 3/8 presbiópico 7/18 1/4 duro 3/7 2/7 2/7 Lagrimeo ninguno suave 5/17 6/7 12/17 1/7 duro 5/6 1/6 normal reducido Padecimiento ninguno suave hipermétrope 9/17 4/7 miope 8/17 3/7 duro 1/3 2/3 Astigmatismo ninguno suave duro si 9/17 1/7 5/6 no 8/17 6/7 1/6 Tipo de lente ninguno suave duro 5/8 5/24 1/6 i ∈ {Atributos} j ∈ {Clases} donde pi, es la probabilidad de vi, para todos los valores de cj y vi. Recalculando la probabilidad de los ejemplos anteriores, tenemos: 1. El parámetro , los posibles valores del atributo “Edad”, es 3. Se considera a priori que los tres valores de este atributo son igualmente probables, de forma que la probabilidad de “ser joven” es 1/3. La probabilidad condicional de no usar lentes siendo joven utilizando el estimador de Laplace (ecuación 8) es (4 + 3*1/3) / (15 + 3) = 5/18. 2. Al reevaluar la probabilidad de padecer astigmatismo y usar lentes suaves mediante el estimador de Laplace, tenemos que el número de casos favorables = 0; µ = 2, {si, no}; pi= 1/2, por ser equiprobable; mientras que los casos totales son 5, así obtenemos la probabilidad de 1/7. Aplicando el estimador para cada una de las combinaciones, se eliminan todos los ceros que se presentan y obtenemos los resultados que se muestran en la tabla III. Se puede ver que cada combinación de atributos tiene una probabilidad asignada diferente de 0, lo cual permite continuar con el análisis usando la ecuación (7). Los resultados se muestran en la última columna de la tabla I, dentro de la columna de porcentajes (Pct.). Aunque la tabla I ya contiene todas las posibles combinaciones de atributos (excluyendo la clase) y el diagnóstico podría leerse directamente de ella, se supondrá para ilustrar la aplicación práctica del método que se presenta un nuevo paciente con las características que se muestran en la tabla IV. Para pronosticar el tipo de lente recomendado para un paciente con estas características, se multiplican las probabilidades de ser joven y usar lente suave (3/8), ser hipermétrope y usar lente suave (4/7), no padecer astigmatismo y usar lente suave (6/7), tener lagrimeo normal y usar lente suave (6/7), y la probabilidad a priori de utilizar lente suave (5/24). Esto da como resultado (2/61). Se realiza el mismo cálculo respecto a los diagnósticos “no apto” y “lente duro”, usando los mismos atributos (joven, hipermétrope, no padecer astigmatismo y lagrimeo normal). Una vez que se tienen los 3 resultados Tabla IV. Paciente nuevo. Edad joven Padecimiento Astigmatismo hipermétrope Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 no Lagrimeo normal Tipo de lente suave Pct. ¿? 31 �El clasificador Naïve Bayes en la extracción... / Samuel D. Pacheco Leal, et al (5/393, 2/61 y 2/605) se normalizan dividiendo cada resultado entre las suma de los tres. Para el caso de lente suave, [(2/61) / (5/393 + 2/61 + 2/605)] da como resultado 67.17%. Este resultado muestra que la probabilidad de ser diagnosticado con lentes de contacto suaves siendo joven, hipermétrope, no padecer astigmatismo y presentar lagrimeo normal es de 67.17%, según la información contenida en la base de datos original. Los resultados finales obtenidos mediante el clasificador Naïve Bayes mostrados en la tabla I, última columna, son mayores que 33.33% (43.21% en el peor de los casos). Esto significa que el tipo de lente asignado tiene preferencia respecto a los otros 2 tipos de lentes no asignados. Por ejemplo, para un paciente con las características de la instancia 7, se favorece la decisión de no prescribir lentes de contacto, respecto a prescribir lentes duros o suaves. Esto tiene sentido, pues las clases (esto es, el tipo de lente de contacto) de las instancias ya presentes en la base de datos original tienden a prevalecer sobre instancias nuevas. En otras palabras, el método tiende a favorecer instancias semejantes a las que ya existen. Sin embargo, la utilidad real del método está en que permite asignar probabilidades cuando aparecen instancias totalmente nuevas o desconocidas a partir de la información existente. COMENTARIOS FINALES En este artículo se presentó un panorama de las técnicas y aplicaciones de la minería de datos y se mostró en detalle el funcionamiento de una de sus técnicas: el clasificador Naïve Bayes, a través de un caso de estudio de diagnóstico de lentes de contacto. Con este método se obtuvieron las probabilidades de diagnóstico para cada tipo de lente, dependiendo de la combinación de los atributos de cada instancia. El método Naïve Bayes tiene varias ventajas, como el hacer predicciones a partir de datos parciales y el ser rápido. Entre sus principales desventajas está el no ser apto para el manejo de variables aleatorias continuas. El caso de estudio presentado solo toma en cuenta para la clasificación 4 atributos, mostrando un desempeño satisfactorio. En problemas reales el número de atributos a considerar puede ser mayor, sin implicar esto la degradación en el desempeño 32 del clasificador Naïve Bayes. La minería de datos tiene múltiples aplicaciones, varias de las cuales se mencionaron en el desarrollo de este artículo. El campo de aplicación de la minería de datos es muy extenso y el buen uso de las técnicas ya existentes puede llevar a un ahorro sustancial de recursos para la obtención de conocimiento a partir de bases de datos. REFERENCIAS 1. Introduction to Data Mining and Knowledge Discovery, Tercera Edición, Two Crows Corporation, 1999. 2. K. Chye, T. Chin, G. Peng. Credit scoring using data mining techniques. Singapore Management Review. Tomo 26, No. 2: 25-47, 2004. 3. T. Chin. Data mining. American Medical News. Tomo 46 No. 46:19-20, 2003. 4. W. DuMochel, R. O’Neill, A. Szarfman, T. Louis. Bayesian data mining in large frequency tables, with an aplication to the FDA spontaneous repoting system. The American Statistician. Tomo 53, No. 3: 177-202, 1999. 5. C. Papatheodorou, S. Kapidakis, M. Sfakakis, A. Vassiliou. Mining user communities in digital libraries. Information Technology and Libraries. Tomo 22, No. 24:152-157, 2003. 6. J. Bagner, A. Evansburg, V. Watson, J. Welch. Senators seek on DoD mining of personal data. Intellectual Property & Technology Law Journal. Tomo 15, No. 5: 19-20, 2003. 7. M. Halkidi, Y. Batistakis, M. Vazirgiannis. On Clustering Validation Techniques. Journal of Intelligent Information System. Tomo 17, No. 2-3: 107-145, 2001. 8. A. Strehl, J Ghosh. Relationship-Based Clustering and Visualization for HighDimensional Data Mining. INFORMS Journal of computing. Tomo 15, No. 2: 208-230, 2003. 9. R. Honda, S. Wang, T. Kikuchi, O. Konishi. Mining of Moving Objects from Time-Series Images and its Application to Satellite Weather Imagery. Journal of Intelligent Information System. Tomo 19 No. 1: 79-93, 2002. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �El clasificador Naïve Bayes en la extracción... / Samuel D. Pacheco Leal, et al 10. B. Barber, H. Hamilton. Parametric Algorithms for Mining Share Frequent Itemsets. Journal of Intelligent Information Systems. Tomo 16, No. 3: 277-293, 2irmLevel Empirical Research. Information System Research. Tomo 14, No. 2: 127-145, 2003. 13. J. Malinen, M. Maltamo. E. Verkasalo. Predicting the internal quality and value of Norway spruce trees by using two non-parametric nearest neighbor methods. Forest Products Journal. Tomo 53, No. 4:85-94, 2003. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 14. N. Canter. Development of a lean, green automobile. Tribology & Lubrication Technology. Tomo 60, No. 7: 15-16, 2004. 15. G. Elwyn, A. Edwards, M. Eccles, D. Rovner. Decision analysis in patient care. The Lancet. Tomo 358, No. 9281: 571-574, 2001. 16. S. Liong, Ch. Sivapragasam. Flood stage forecasting with support vector machines. Journal of the American Water Resources Association. Tomo 38, No. 1: 173-186, 2002. 17. Ross S. Introduction to Probability Models, 7a. Edición, Harcourt Academic Press, 2000. 33 �Learning organizations and quadruple loops of feedback Part II. Implementation Lorin Loverde lorinloverde@hotmail.com ABSTRACT Corporate implementation of multiple loops of feedback are discussed. Quadruple loops of feedback are compared to the Competing Values Framework. Eighteen characteristics are described that differentiate a Learning Organization from a traditional company. Seven learning strategies are offered for implementing improved learning at the organizational level, not just the individual level. The conclusion is that the Learning Organization is not merely a teaching tool, it is a new way of organizing a company with implications for changes in management, leadership, quality assurance, accounting, marketing, and all the other departments. KEYWORDS Learning organization, management, leadership, feedback, self managed teams. RESUMEN Se discuten los diferentes aspectos involucrados en la implementación corporativa de múltiples niveles de retroalimentación. El esquema de cuatro niveles de retroalimentación se compara con el marco de valores que les competen. Se describen 18 características que diferencian a las organizaciones en aprendizaje de la compañías tradicionales. Se presentan 7 estrategias de aprendizaje para ser implementadas tanto a nivel organizacional como a nivel individual. Se concluye que el concepto de organizaciones en aprendizaje no es meramente una herramienta educativa, sino que es una nueva forma de organizar una empresa con implicantes en lo administrativo, el liderazgo, el aseguramiento de calidad, en los aspectos contables, en el mercadeo y en todos los departamentos. PALABRAS CLAVE Organización en aprendizaje, administración, liderazgo, retroalimentación, equipos autoadministrados. THE LEARNING ORGANIZATION: LEVELS AND COMPETING VALUES Implementation of the Learning Organization puts the theoretical model of quadruple-loops of feedback into the context of the real world. The Learning Organization is not a stand-alone solution and needs to be integrated with other management models, such as Total Quality Management, distributed leadership, 34 The first part of this article was published in Ingenierías No. 26. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde re-engineering, diversity theory, knowledge management, and corporate social responsibility. What the Learning Organization model says is that insufficient learning leaves us unable to keep up with change, and the traditional company is not organized for enhanced learning. One factor for implementation is that in the real world an organization struggles among competing values. Belasen describes the competing values framework for the Learning Organization, which can be applied as a context for the four levels of feedback described in Part I of this article.1 Organizational values compete because some effort is focused externally on markets, while other effort is focused internally on people and systems. Another axis of opposing values is centralized management efforts that are in conflict with decentralized management. They produce different points of view and different standards of competency. First Level The Learning Organization at the first level of single-loop is still able to perform well under certain conditions: stable markets and limited competition. Here the company can have a vertical organizational structure with expertise solely at the top and implementation achieved by individual subordinates learning to take orders down through many layers of management. Standard operating procedures still function in this environment, and centralized management is combined with an internal focus on social and technical systems. Belasen has applied the Competing Values Framework (CVF), shown in figures 1 and 2, to the Learning Organization; the CVF conceptualizes the challenges to management in terms of the need to balance between opposites on two axes: internal/external and centralized/ decentralized.2 Single-loop feedback is a level of learning adequate for internal processes that are Fig. 1. Competing values framework: Effectiveness criteria. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 35 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde centralized (Figure 1, lower-left quadrant), where the criteria for effectiveness are only the ability to manage information and the ability to maintain stability as well as impose control. The Competing Values Framework shows that internal processes that are centralized will tend towards consolidation: Second Level At the second level of double-loop feedback the Learning Organization is able to be more flexible and change in the face of new requirements. Here in the CVF, centralization is still used but it is focused more on the external requirements of maintaining a competitive position in a market: Internal Process Model towards Consolidation, Continuity through centralization and sociotechnical systems: Effectiveness Criteria (Figure 1) Stability Information Management Managerial Competencies (Figure 2) Coordinator Monitor of Performance Rational Goal Model, Towards Maximization of Output through centralization and competitive position Effectiveness Criteria (Figure 1) Productivity, efficiency Planning, Goal Setting Managerial Competencies (Figure 2) Producer, time management Director, Planning Fig. 2. Competing values framework: Managerial competencies. 36 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde The ability to identify and change goals quickly now requires fewer levels of management and considerable teamwork in the horizontal management system. The shift from top-down central control to more horizontal management can be led by a director who sees the benefits of smaller business units in which to centralize the work. Double-loop feedback means learning through re-evaluation of the goals accepted in single-loop feedback. If the business conditions require faster response, the new goals may be set because the pressures of the business environment demand a more distributed leadership to meet the productivity required. For example, Alan Belasen emphasized this transformation in description of what happened at Asea Brown Boveri (ABB) when the former CEO, Percy Barnevik…. …slashed administrative staff by up to 90 percent. Such radical restructuring did not come without protests from unions and governments. …the Zurich headquarters staff was slashed by 95 percent—from four thousand to two hundred people! Peripheral businesses were dropped, five thousand profit centers were created, and seven layers of management were reduced to four. Finally, he restructured the entire organization creating thirteen hundred companies, some of which had a few as ten employees.3 Implementation of double-loop feedback is the natural condition of a start-up company by entrepreneurs, since the goals are in the process of being formulated. Double-loop feedback becomes more noticeable in practice when an existing organization has established goals that need to be challenged. Changes in goals require rapid learning of implementation strategies or else the organization flounders in confusion about what to do. Third Level Triple-loop feedback comes from contact with perspectives from other horizons. At the third level of triple-loop feedback the Learning Organization is able to avoid stagnation and gain vitality that is absolutely required to compete in dynamic markets against world-class companies.4 All around the world, customers bring their own diverse values and buying decisions with them as they shop. The Learning Organization needs to be focused on the cultures of its customers just as much as its own processes. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 Here in global markets the organization is also dynamic as the multiple viewpoints continually mix and ferment new opportunities. Gary Adkins argues that we need to manage for diversity, which means assuring that different cultures, genders, sexual orientations, races, and other sources of personal identity thrive in a given company because complex, adaptive systems evolve better when there are many alternative options competing in nearchaotic condition: A plurality of forms of reflection and a perspectives in conversation constitutes the multicultural site of vitality. In it, each person, in dialogue, can speak from their own diverse terms, traditions, aims, and demands, yet, each are molded and influenced within this single mode of conversation where differences can be reconciled. That single mode of conversation is the grammar of conduct with its ethical system within a single horizon of meaning for the company.5 Belasen also describes the competing values model as the values shift toward dealing external and competitive factors, but now it means the use of a more decentralized management style: Open Systems Model towards Expansion, Adaptation through decentralization and competitive position Effectiveness Criteria (Figure 1) Adaptability, readiness Growth, Support Resource Acquisition, External Managerial Competencies (Figure 2) Negotiator, Broker, Innovator, change maker Triple-loop learning reflects the diversity of the real world. We do not have just one category to provide the context and world-view of a learning perspective. We find differences according to sex, sexual orientation, race, nation, region, religion, and other categories with which people identify. Instead of getting bogged down in conflicts of world-views, the Learning Organization must protect this diversity (without implying that every point of view is equal to other, which would lead to the chaos of relativism). Cross-cultural Knowledge Management means more comprehensive learning of how knowledge changes meaning as we attempt to use it in different cultural horizons. 37 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde Fourth Level At the fourth level the Learning Organization is able to take a leadership position in its field. It does not do much backward-looking benchmarking because it is the benchmark against which others struggle to compete. The fourth level sets the ethical standards, appeals to provisional universal principles, guards against relativism, and develops trust6 internally among employees to breed loyalty externally among customers and other stakeholders. This leadership position requires setting new standards, sharing tacit knowledge, adding value by balancing opposing polarities, and learning the implications of these higher-order achievements. Standards: The quadruple-loop feedback is a level that has the most difficult challenges, the biggest payoff, and the biggest risk. All organizations, whether leaders in their field or not, need some of the quadruple-loop feedback to maintain ethics and integrity. Organizations that perfect quadruple-loop learning in addition to the other three loops will go much further and become leaders in their fields. Tacit Knowledge: Teamwork takes on a much higher level of responsibility in the Learning Organization. The four feedback loops of learning are the underlying paradigm of dynamic SelfManaged Teams (SMTs). On one hand, academic knowledge helps the Learning Organization with some aspects of quadruple-loop feedback, such as the competency to conceptualize mental models, theory constructs, and alternative disciplines. On the other hand, the real-world Learning Organization can help the academic world to conceptualize the real meaning of what Knowledge Management calls tacit knowledge. Tacit knowledge is a rich component of all bodily skills, whether in sports or in manufacturing, which are important for all single-loop feedback. Tacit knowledge is also a rich component of all theoretical models, which are so important for quadruple-loop feedback. Polanyi recognized in his own terms that lack of tacit knowledge leads to totalitarianism.7 Why? Because tacit knowledge means there are vast streams of histories that exceed our dominion. In terms of Post-modern philosophy, there is a selfdeception in believing that we have transparent knowledge: once we believe we have an absolutely 38 explicit knowledge base, we marginalize and exclude everything (and everybody) that does not fit our current paradigm. David Couzens Hoy described how Modernity tends toward excessive systemization with the illusion that all knowledge can be made “transparent”… Enlightenment rationalism leads to the much stronger sense of transparency whereby we do not understand ourselves or our epistemological, moral and social practices unless we can identify and state systematically the rules, principles or beliefs that make them possible. The postmoderns continue to try to think what has remained unthought, but they abandon the idea that the unthought can be made completely transparent.8 In the real world, competitors, customers, artists, politicians, and alternative ideologies frequently challenge academic “ivory tower” knowledge precisely because we cannot learn how to apply knowledge in isolation from its many contexts of implementation.9 Adding Value: Shifting to higher levels of feedback implies vertical intelligence: both (1) higher knowledge of overarching principles, values, and rationales, and (2) deeper knowledge of causes, foundational paradigms, and cultural axioms. Ironically, more verticality plays a positive role in knowledge and leadership and proportionally reduces the need for verticality in organizational structure (that is, the increasing number of layers of management). More horizontality plays a positive role in organizational structure by requiring integration of multiple tasks and empowerment of all levels of operations. Horizontality can play a negative role in knowledge if it limits knowledge and leadership to the degree that it emphasizes doing without thinking, which prevents people from understanding assumptions and theory models. Managers need to run the business, balance stakeholder interests,10 and achieve better than average financial results; ethical leaders also answer the question: How do we change beyond previous frameworks and horizons to add value in qualitatively new ways? Adding value at the lower perspective of the Learning Organization means adding what short-term customers will value, such as price reduction or product quality. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde Alan Belasen Adding value at the higher perspective of the Learning Organization means adding what longterm customers and other stakeholders will value, such as product recyclability and trustworthy commitments. As Carrillo has shown, Knowledge Management can be organized to gain powerful points of leverage through the right emphasis on what constitutes value.11 Higher education needs to lead this change curve, and an example of making values central to management by combining them with ethics can be seen in Spenta University’s Master of Administration by Values program.12 People are not the same as things to be managed. Belasen describes how the implementation in the competing values of decentralization (instead of centralization) and focus on the internal workings of the organization (as opposed to the external focus on markets and competitors), leads to a human relations model: Human Relations Model towards Human Commitment through decentralization and sociotechnical systems Effectiveness Criteria (Figure 1) Value of Human Resources Training Cohesion, Morale Managerial Competencies (Figure 2) Understanding self and others, effective communication, developing people Team building, participative decision-making Regression: The shifts to triple- and quadrupleloop feedback are much more complex and probably an inherent requirement to have the kinds of feedback needed to keep up with the increasing Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 diversity and complexity in the open systems model and the human relations model. If the market is slow and predictable, the Learning Organization faces the complacency factor and might itself get lazy and regress to simpler forms of learning in single-loop feedback (e.g., the US automotive industry in the 1950s and 1960s). If a Learning Organization gets in trouble from market collapse or overwhelming competitors, it faces the fear factor and could also be tempted to abandon high-level learning of tripleand quadruple-loop feedback and instead stick to the rational goal model or even just the internal process model. If a company faces competitors who have the same technology, the Learning Organization can become its main competitive advantage: not having more but learning faster to lead the change curve. The complexity of multiple loops of feedback is necessary for a complex world, yet it can be too much, as Adkins observed: This post-modern world can be one of constant enchantment and awe in its multifarious hybridity. It can also be terrifying. It takes Emotional Competencies to be able to deal with and navigate change. Without this essential skill set, people can easily become overwhelmed, anxious, resentful and nostalgic for the good old days. And they can become hateful. With emotional competency, constructed identities in quality relationships on the job empower people.13 The Learning Organization is not merely one that increases training of individuals. The Learning Organization (if it will work) also changes the entire dynamic of management, leadership, and strategy. If succeeding in dynamic markets requires SMTs as well as leadership to become distributed among people throughout the organization, then people need to learn rapidly, profoundly, continually, and creatively. The Learning Organization cannot be satisfied with merely knowledge accumulation and transfer; it must also implement the knowledge in effective action, which requires more tacit “know-how” in addition to explicit “know what”. Even more importantly, it also must “know why” and create new knowledge through discovery and breakthrough. For example, Jack Welch pushed General Electric into creating and implementing 39 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde Jack Welch new methods and disciplines when he ran into barriers. There are three key factors: creativity, consciousness, and commitment. People with commitment to organizational success and people with creativity are not easy to find or develop. The most important factor here is their level of consciousness so they are authentic in their commitment to the corporate mission.14 STRATEGIES TO FOSTER LEARNING Table I, is a summary of several of the shifts along the lines analyzed by Linda Morris and others regarding what needs to occur when a normal, traditional company shifts into becoming a Learning Organization.15 The items here for learning are compatible with those used for other reorganizations for streamlining, lean organizations, horizontal management, and transformational leadership. A company can go about improving learning in a number of ways. Morris realizes that a corporation can approach learning and development of people in various ways. She cites three major strategies to foster learning: (1) Content Strategies: ways of enhancing individuals through specific plans and courses, which assume that the adult is “fully developed” and only needs to receive new information. 40 (2) Relational Strategies: ways of linking individuals with their development to the organization with its development, which assumes that the adult is fully developed as an individual but can develop further roles and skills linked to organizational needs (3) Transformational Strategies: ways of leveraging the higher levels of adult development by having a common core of new cognitive models and operations models. We can further postulate that this approach assumes that the adult is not finished as an individual thereby can develop latent talents or transform to tap unrecognized capacities. The advantages seen by Morris for the first strategy are that a small company can work flexibly, focus on individuals, and ignore companywide cultural issues. The advantages for the second strategy are that larger organizations can seek to progressively instill higher levels of competency systematically throughout the organization. The advantages for the third strategy to foster learning are that individuals are worked with at their own levels, including career planning, and the organization seeks to enhance them beyond those levels. Since the organization is not imposing a global sequence of steps for the employees, the organization needs to maintain its own coherence by adopting a model of thinking which the individuals at their various stages can use. From the point of view of the NPC,18 this third strategy allows the organization to seek the common good and assist its employees in the transformations necessary to work towards that goal as well as the corporate mission. In addition to these three, there are other strategies that also assume the “adult” is not ever fully developed so we can foster learning in many ways: (a) Diversity and Dialogical Strategies: combining relational and transformational strategies through Buber’s concept of authentic dialogue.19 This means that the organization places a high value on authentic dialogue, and as Adkins emphasized, it also creates a space within which people are safe from persecution and retaliation.20 In addition we need to conceptualize ways of holding open the learning space by receptive Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde Table I. Characteristics of a traditional organization Vs. a learning organization. Traditional Corporation The Learning Organization Environmental Context The competitive environment is assumed to be relatively slow in changing. Work occurs within one’s field of competence and experience. Rapidly changing societies, markets, customer needs, and competitive challenges make a single, specific competence outmoded too quickly. Work is pushed beyond one’s experience: requiring generativity, flexibility, resilience, and adaptability. Operations The main activity of the organization is assumed to be defined, with an emphasis on standard operating procedures. Learning is practical, on-the-job, occasional and not well focused The organization is assumed to require frequent increases in the capabilities of the people in it. Learning is conscious and intentionally organized, supported by the organization The Learner Learning is individual; procedures are dominant because there is a set way of doing things. The main challenge is to get the new employee to get “up to speed” to perform to the known standards of performance Knowledge building is collaborative and intelligence is collective: what the organization learns is cultivated among all the members because the main challenge is to have all the people in the company capable of creating higher standards of performance. Knowledge management (KM) systems are designed to identify, classify, and allow the retrieval of knowledge throughout the organization. Project teams are common and self-managed teams implement the learning. The Manager Managers control because they already know what is to be done, and they want to make sure each subordinate does it as they want it done Managers become teachers and guides because everyone searches for better and better ways of doing things, and managers want to make sure that the subordinates become super-competent at improving and innovating. Managers keep things going in a good direction relative to market demand, customer need and process integration The Learned The “what” of learning is the individual fact and its use as information organized for a purpose. The “what” of learning is both information and context, with an emphasis on good interpretations to continually upgrade knowledge. The Pedagogical Method Learning topics are given by the experts from the top-down, the tasks are broken into sub-sections, labor is divided, and the work is segmented. Learning comes through questions and processes by those who are learning. The tasks are understood as they flow through the organization so the best processes can be discovered regardless of departmental division. Work is not segmented but rather it is integrated. Learning Style Passive learning (receiving inputs of data) is emphasized since the assumption is that there is a set of data already complete that then needs to be mastered. Active learning emphasized since the assumption is that the previously available data is incomplete, will not provide enough information to pursue excellence, and so people will have to continually learn more to achieve excellence. Learning Goals Objectives are set and departmental procedures used to control the activities since it is assumed that “someone” knows exactly what needs to be done and the only challenge is to do it right. Industrial engineering dominates in manufacturing because the workers are assumed to be lazy and not well enough informed to improve work. Outcomes are targeted and processes revised to achieve them since the assumption is that no one knows the final best ways of what needs to be done, and the challenge is to explore what is best to do, create new ways of doing it, and then get it right. The competitive environment changes so quickly that workers must be able to re-engineer the standard procedures again and again as products change. Workers are developed so they regain enthusiasm for work and enough competence for continual self- improvement of their work tasks. Double-loop feedback continually reevaluates the objectives and goals to search for better ways to do things, not just improve the old ways. Measures of Learning Knowledge is measured by testing because the data is set and the company simply has to check to see if the employee received the inputs correctly. Learning is monitored by goal attainment because the data is fragmentary, constantly changing and ambiguous Preparation for Learning Information is disseminated for people to memorize because the data is already organized and set. Learning to learn is important because the situations to be mastered are continually new, –pattern recognition because the similarities in the innovative to the established knowledge base will shorten the learning curve –action and knowledge generation because by making decisions and taking action you learn more of the implications, generating new knowledge along the way. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 41 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde Table I. Characteristics of a traditional organization Vs. a learning organization. Continue Standards for Learning Evaluation based on pre-set standards and simply meeting the standards. Emphasis on values, what is important, what guides the organization because the business being conducted is constantly being upgraded, improved, changed, so that core competencies are crucial constants. Quadruple-loop feedback is recognized as necessary because principles, values, and a guiding business philosophy provide the flexibility needed for good judgment by agents and team members without constant control from higher levels of authority. Time Frame for Learning Incremental, short-term competence within limits for relatively well-defined and simple actions in the present. Procedures and policies dominate the learning task. Long-term development in relation to one’s surroundings, progressing to higher capabilities, new frameworks, and the ability to handle complexity, provide unique solutions to ever-changing situations in the organization, the market, and the socio-economic environment of the firm. Everyone becomes an agent to gather and evaluate competitor intelligence. Everyone supports corporate social responsibility. Assessment of Learning Fear-based measurement: Do it by the numbers, measure, quantify, objectify. All of these metrics serve to alleviate the fear of qualitative judgments and decision making. Competency-based monitoring: assess, discuss, collaborate, collect exemplary stories, identify guiding symbols. All of these standards require personal courage to evaluate and rely on good judgment. Cultural Context Cultural homogeneity: satisfaction with the dominant culture and its continuity. Cultural diversity: managing for increases in diversity to intensify triple-loop feedback in the learning process. Logic of Learning Instrumentalism: learn through means-ends logic, using means efficiently but not ethically evaluating ends. Ethics is limited to legal compliance. People are treated as means to the corporate ends. Ethical leadership: treating people as ends in themselves (Kant’s categorical imperative) who are necessary to implement the corporate mission; it means evaluating ends in terms of the good; it is both/and logic that guides learning to balance stakeholder interests; it emphasizes sustainability of the common good. The Learning Space The learning space is physical: it is at the work location in on-the-job training or in a training room. The leaning space is assumed to be open when the door is unlocked. The learning space is conceptual: it is everywhere people have an opportunity to learn. It can explore new ideas through physical or virtual means, using either face-to-face dialogue or virtual, asynchronous mind-tomind conversations on internet, intranets, and virtual learning communities. Holding open the learning space is considered an ethical responsibility and an important factor in business vitality so that people are excited to be able collaborate on collective learning, people hold open the learning space by encouraging one another, exploring new conceptual territories, and maintaining mutual respect through authentic dialogue. Members of the open learning space must feel optimistic that they will improve through participation in the learning process. Adkins also identifies characteristics of a safe space for diversity.16 Learning Level The learning level is practical. The learning level is theoretical and practical. Theory is recognized as essential to advanced knowledge and the ability to pursue new knowledge. Knowledge creation is as important as knowledge acquisition. The corporate learning space becomes an internal university. Where necessary, formal education is supported outside the organization and alliances are made with other knowledge-based organizations, such as professional publications, professional societies, research centers, etc. Tools of Learning Information capture: written procedures, data base, data processing, one-way media such as print or televised announcements. Knowledge capture: data, text, expertise, and wisdom. Two-way media such as dialogue, online discussions, feedback methods, physical and virtual communities. attitudes, active listening, collaboration, and the use of what Nonaka called knowledge creation skills.21 Distributed leadership also supports the dialogical strategy with people in self-managed teams (SMTs) exploring new opportunities 42 together. The underlying scientific theory is that rich variations in options are needed for shifts from near-chaotic conditions to breakthroughs into higher-order re-organizations of 22 achievement. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde (b) Narrative and Symbolic Strategies: the collection and creation of the carriers of corporate culture and history of the organization. The use of symbolic strategies recognizes, as Cory and Underwood described, that the stories believed in a company are powerful teaching instruments.23 Likewise, this strategy recognizes that the beliefs, values, and world-view of the organization are structured at high levels through the symbol systems. Transformational leaders are seen as guardians and transmitters of symbolic systems that embody the values and preserve them through history. (c) Knowledge Management (KM) Strategies: these combine content and relational strategies through new communication and collaboration technologies. In addition, KM needs to define well what it is embodying as knowledge, the complexity of which Firestone described well,24 and KM needs to define what is the accounting value of intangibles such as intellectual assets.25 KM does not exist in the abstract; it exists in communities that have their own history and change cycles. (d) Hermeneutic Strategies: recognizing that no knowledge is learned independent of contexts and assumptions. Any other strategy or type of learning can be compromised by the wrong context or deep, and often unconscious, assumptions. Therefore, it is imperative to bring to the surface of consciousness the driving factors. Joseph Firestone Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 CONCLUSION Implementation of the Learning Organization requires the use of multi-leveled feedback loops,26 authenticity, the appropriate types of learning, and the appropriate strategies for learning. Why have so many attempts at the Leaning Organization failed? With the right choices, implementation still is not easy; it requires commitment throughout the organization: all departments and all levels, not just one department (such as Human Resources) assigned to “do it” to the other departments. The Learning Organization is not merely a grafting of a teaching component onto an existing organization any more than a wing graft will make a man fly. If a man wants to fly, he has to build something new, such as an airplane, which is a new structure for flying. So also the Learning Organization is a new structure for learning. APPENDIX ONE: A SUMMARY OF SOME DIFFERENT TYPES OF LEARNING In light of the many hidden cultural factors involved in the Learning Organization, it is very important to remember some of the different types of learning. Tables II and III are a list offered to suggest some types (column one) and to describe briefly three different applications (columns twofour) of those types of learning discussed in “The Learning Organization, Part I.” REFERENCES 1. The relationship between my concept of the four loops of feedback, discussed in Part I in the previous edition of Ingenierias, and the competing values framework was suggested by Belasen, private correspondence, December, 2004. Note: Belasen quoting the research of two books from which Figures 1 and 2 are taken: Robert E. Quinn, Beyond Rational Management: Mastering the Paradoxes and Competing Demands of High Performance, New York: Jossey-Bass Inc., 1988, and R.E. Quinn, S.R. Faerman, M.P. Thompson & M.R. McGrath, Becoming a Master Manager: A Competency Framework, New York: John Wiley & Sons, 1996. 43 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde Table II. Basic types of learning. Types of Learning Societal Application Business Application Personal Application Curiosity – The innate drive in animals and humans for trial and error, to seek out the new, to learn about the unknown for little or no external reason Innovation, variety, inventiveness, new art forms, new approaches in science Continual improvements in quality, efficiency. New product ideas. Entertainment, diversity, staying youthful and interested in life. Classical Conditioning – repeated stimulus and response connected by the rewards which are proximate to them Social Continuity: re-enforce the old ways of doing things Economic Continuity: provide a background of shared knowledge that can be taken for granted Continuity: remain comfortable in doing what society wants you to do, feeling of identity as defined by the society, its roles. One-Trial Conditioning -- a devastating or overwhelming stimulus occurs and the response learned without need of repetition Survival -- certain things which are lethal disasters do not have to be experienced several times in order to be learned, e.g., massive fire. Same as societal application, plus some things in the business world cause business disasters, and they also need to be learned without the requirement of any repetition or the company will fail Same as societal application Instrumental Learning Singleloop learning where various stimuli provide various options and the eventual reward defines which are the best stimuli or means to use. Social Change: sharpen techniques, work to learn means that will achieve goals. The emphasis is on perfecting the means to succeed. The professions are also examples. Efficiency: making the means of production better and better. Professionalism. Efficiency: making the skills or means you use in life become better and better. Professionalism. Systems Learning 1 - Homeostasis: perceive a feedback signal (single-loop) which allows you to monitor your deviation, accuracy or stability Social institutions are preserved. Where members deviate from the policy or purpose of the system, the negative feedback allows them to correct course and maintain the integrity of the system Corporate departments and structures are preserved. The system integrates the complexities of various business functions to pursue the same goal. Integration, feeling that you are a part of a functioning whole. Identification with something larger and more enduring than yourself. Systems Learning 2 – Heterostasis: perceive a feedback signal (single-loop) which allows you to change your action. Social institutions are prevented from crystallizing or becoming incapable of adaptation Standard operating procedures are recognized for their limitations as well as their benefits. Alternative ways of integrating the business functions are sought. Deviance, rebellion, chaos are social risks, but they also open up avenues to “out-ofthe-box” thinking. 2. Belasen, Alan T., Leading the Learning Organization, Communication and Competencies for Managing Change, State University of New York Press, Albany: 2000, p. 29 ff. 3. Op. Cit. Belasen, p. 387. 4. Vicenzi, Richard, “Diversity’s Role in Emergence, Vitality, and Balancing Stakeholder Interests at the Edge of Chaos,” The Journal of Diversity Praxis, Vol I, No. 3. Retrieved January 2, 2005 www.globaldiversityinstitute.org 5. Adkins, Gary Y., Diversity Beyond The Numbers: Business Vitality, Ethics & Identity in the 21st 44 Century. Long Beach: GDI Press, 2003, p. 229. 6. Gibb, Jack R. Trust: A New View of Personal and Organizational Development, The Guild of Tutors Press, Los Angeles: 1978. 7. Polanyi, Michael, The Tacit Dimension, Anchor Books, Doubleday & Company, Inc., Garden City, New York: 1967. 8. David Couzens Hoy, “Splitting the Difference: Habermas´ Critique of Derrida,” in Habermas and the Unfinished Project of Modernity, ed. Maurizio Passerin d´Entréves, Cambridge: MIT Press, 1997, p. 129. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde Table III. Higher-order types of learning. Principled Learning, Doubleloop learning involves reflection on your assumptions. Learning about Ends: e.g., philosophy, theology, ethics: studying and evaluating the principles by which you live and your goals– asking if they are worthwhile. Society develops a conscience; people evaluate the goals which society tries to hold up for them. Allows people to avoid the mistake of seeking unworthy ends, such as committing themselves to an immoral war or contaminating the environment Businesses avoid sliding imperceptibly towards illegal, immoral or even unprofitable goals. Maintaining of the course one holds as worthwhile in the light of public scrutiny and the common good. Principled negotiating expands the options of the advisories to unite their common interests.27 Integrity, personal standards of ethics and values. The ability to stand up against all of the various and conflicting forces in society. Aesthetic Learning– Tripleloop learning, appreciation of diversity. Growth, expansion of the mind, appreciation of complexity and ambiguity as found in literature, art, music as well as the dramatic events of human history. Society develops culture, artistic sensibility. People create more. The values and paradigms of the culture are indirectly embodied in art. Artists push the boundaries towards new values.28 The corporation has more creative and perceptive people who can deal with complexity and new opportunities beyond standard operating procedures. Improve the R&D program. Innovate rather than just improve. Artistic capacity, greater appreciation and enjoyment. Cultivation of social and personal values. Deeper understanding of the meaning of life. Interest in creating. Gestalt Learning-- People learn through the closing of gestalts, so the unclosed gestalt is an unfinished learning. Unclosed gestalts are common where people do not pursue a situation to the point where it has a natural closure, such as anger at a person that is never understood, resolved, or released. Socially this type of learning is important because through it many situations become learning situations. In business gestalt learning can influence whether groups can function well as a team. Unresolved gestalts contain unconscious negative emotions such as resentment and envy. These unconscious emotions drive hidden agendas that undermine cooperation and teamwork. Personally, gestalt learning contributes to the same increase in cooperation as in other areas. Through successful closing of gestalts, a person can function without hidden agendas that disrupt personal relations in marriage, family, and friendships, as well as business relationships. Affective Learning--this means there are emotional factors that influence learning. Socially, people live in relationships that can either support or hinder learning. Encouragement, belief, and trust are some of the positive affects that support learning. In business, the relationships come to define how an organization functions, so ignorance of those relationships makes learning difficult or impossible because the implementation of knowledge occurs through the relationships. Mentoring, coaching, and other relationships combine explicit knowledge with tacit knowledge found in positive relationships.29 Personally, affect begins with the first moments of life, which means one feels secure and loved or not. The family and other social contexts build up ones emotive bank account of positive attitude and self image. On the other hand, a deficit in these areas make learning more difficult because low self esteem sets up barriers of discouragement even before one starts to learn. 9. Note: this lack of epistemic transparency is different from the concept of ethical transparency. In ethics, we can achieve transparency by disclosing all the current activities related to a transaction. In epistemology, the lack of complete transparency comes instead from history, which has influences that can never be completely recovered. 10. Loverde, Lorin. (2004). Justification of Moral Power, Spenta University. Retrieved January 24, Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 2005 http://spentaven.org/gpage5.html1.html 11. Carrillo, Javier, “Managing Knowledgebased Value Systems,” Journal of Knowledge Management, Vol. I, No. 4, June (1998). 12. José Luis Abreu, Spenta University, www. spentauniversity.org 13. Op. cit., Adkins, Gary Y., p. 214. 14. Loverde, Lorin, “Psychological and Moral Foundations of Organizational Development,” 45 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde Table III. Higher-order types of learning. Continue Cognitive/Interpretative Learning-- this type involves constructing and using mental models of external events. Socially, people construct mental models that are based on what society permits or does not permit. Thus, successful modeling is a big factor in successful socialization or acceptance of the given social reality. In business, much of the daily learning is a form of model building so the person can understand what the standard operating procedures are. Challenging mental models is a key to helping an organization implement changes that depart from the old ways of doing things. Personally, mental models begin with the child’s experience of his parents and siblings. The models are constructed with greater or lesser degrees of trustworthiness, which affects the person’s basic orientation to the world. Hermeneutic Learning -- this type of learning involves the unconscious as well as conscious application of interpretative assumptions to experience. Socially, the problem of hermeneutics has worked to the advantage of those who seize the position of the interpreters. In the Middle Ages, priests in the Catholic Church and in the confessional held themselves up as the authorities in interpreting complex laws of God. Driven by conscience, the people were effectively controlled by the priests. In Modernity, the importance of interpretation was denied. In Post-modern era, all knowledge is considered to exist in an historical context and thus open to reinterpretation. In business, hermeneutics is not readily recognized because there is a demand for “facts” & unambiguous data that Modernity believed were possible. But most events are ambiguous, so the business leader has to deal with complex events in market trends, team projects, strategic alliances, production, research and development. When the executive understands hermeneutic learning, he can interrupt the tacit restrictions placed on his options by old interpretations. Personally, hermeneutics affect one’s life just as fully as in the social setting or the business world. Until one learns the tacit interpretations and assumptions that define and distort one’s experience, one cannot life fully and freely. Spiritual Learning – Quadrupleloop learning, such as transformational learning. Leaping beyond the fivesensory world, contacting higher realities, developing intuition, para-normal capacities. Transformational learning begins after the other types of learning prove insufficient because the student has to go beyond his old forms and find a new basis for perceiving, assimilating and applying what is true. Society develops religion, non-material values. Altruism stands against self-destructive competition. Recognition of the common good. (1) Tribal religions based on learning of the traditions. (2) Organized religions with formal learning based on doctrine and faith. (3) Advanced spiritual learning based on experience, which leads to the evolutionary type. The corporation has more cooperative, dedicated, honest, concerned and hard-working employees. People are motivated by higher values than simply money, so the corporation can reward them with opportunities for growth, creativity, and community service. Genius and creative breakthrough are supported by the entire corporate culture. Spiritual identity, ability to identify with things beyond the transitory realm of the ordinary world. Feelings of awe, joy, forgiveness, grace, hope, and love. Interest in helping others, feeling a unity of humanity. Benefiting from intuitive insight, less fooled by appearances. The opportunity to gain direct experience of the invisible. Spiritual Learning – Quadrupleloop learning, such as evolutionary learning. This begins after transformational learning has gone as far as it can go. Images such as enlightenment or being born again imply that the species limitations of being human are being transcended, especially in consciousness. This is principled learning on a higher level on which even higher principles can be found. A change in ontological level implies new state of being rather than different types of becoming. Origins of new religions or new belief systems, sources of a new era. New level of mutual respect across existing religions as we find provisional universal principles to share because they underlie the diversity of religious commitments. When this level is infrequent, it is where the great man or great woman starts whole new ways of thinking or completely new industries. As it becomes more frequent, it will be the level of creative breakthroughs, self-less teamwork, and bidirectional achievement of both (a) organizational success (the inner direction) and (b) social, cultural, global and trans-global success (the outer direction). In the Learning Organization even ordinary individuals work smarter to achieve extraordinary things. The spiritually advanced “graduations” take place. As it becomes more frequent, it will be the level in which creative intuition becomes more common, co-creation is based on shared consciousness, and the perceived common good is continually raised to seek the highest good. 46 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Learning organizations and quadruple loops of feedback... / Lorin Loverde Ingenierias, Revista de Divulgación de la Facultad de Ingenieria Mechanica y Electrica de la Universidad Autonoma de Nuevo Leon, México, Vol. III, No. 7, April, 2000. Retrieved January 10, 2005 http://www.uanl. mx/publicaciones/ingenierias/7/pdf/7_Lorin_ Loverde_Physchological.pdf 15. Morris, Linda E., “Whither the Learning Organization: Choosing a Development Strategy,” in The Learning Organization: p. 323ff. 16. Op. cit., Adkins. 17. Meister, Jeanne. Ten Steps to Creating a Corporate University. (1998). Training & Development, November, 1998. Pp. 38-42. 18. Loverde, Lorin, New Planetary Culture, work in process. 19. Buber, Martin, Knowledge of Man: A Philosophy of the Interhuman, Harper & Row, New York: 1965. 20. Atkins, Gary, “Diversity and Identity: People at Work”, The Journal of Diversity Praxis, Vol. I, No. 3. Retrieved January 5, 2005 www. globaldiversityinstitute.org 21. Nonaka, Ikujiro, “The Knowledge Creating Company,” Harvard Business Review, NovDec 1991. 22. Waldrop, M. Mitchell. (1993). Complexity: The Emerging Science at the Edge of Order and Chaos. New York: Simon & Schuster. 23. Cory, Dianne, and Underwood, Paula, “Stories for Learning: Exploring Your Circumstance,” in Chawla, S., and Renesch, John, Learning Organizations: Developing Cultures for Tomorrow’s Workplace, Productivity Press: Portland, Oregon, 1995. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 24. Firestone, Joseph, “Key Issues in Knowledge Management,” Knowledge and Innovation: Journal of the Knowledge Management Consortium International, Vol. I, No. 3, April, 2001. And Firestone, Joseph, and McElroy, Mark, “Doing Knowledge Management,” The Learning Organization Journal, April, 2005. 25. Loverde, Lorin, “Intellectual Capital Evaluation: an M&A Approach,” Knowledge and Innovation, a Journal of Knowledge Management Consortium International, Vol 1, No. 3, April 2001. http://www.kmci.org/ kijournal.thml 26. Loverde, Lorin. “Learning organizations and quadruple loops of feedback, Part I, Theoretical models. Ingenierias, Revista de Divulgación de la Facultad de Ingenieria Mechanica y Electrica de la Universidad Autonoma de Nuevo Leon, México, Vol. VIII, No. 26, Jan-Mar 2005, pp. 29-36. 27. Fisher, Roger, and Ury, William, with Bruce Patton, editor, Getting to Yes: Negotiating Agreement Without Giving In, Penguin Books, second edition, New York: 1991. 28. This will be discussed further under the concepts of chaos and entering the abyss, in Part 8 of the NPC. 29 Loverde, Lorin, “An Invitation to the Histories of Truth,” CiENCiA UANL: Revista de divulgación cientifica y tecnológica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, México, Vol. II, No. 3, Jul-Sep 1999 http//www.uanl.mx/ publicaciones/ciencia-uanl [site has only current edition online, for text search http://148.234.25.3/ medicina/idiomas1/empm/empm16-3/tiempo. htm (retrieved 18 February, 2005)] 47 �Aproximando la función de consumo de combustible en compresores de gas natural Yanet Villalobos Morales, Roger Z. Ríos Mercado Programa de posgrado en Ingeniería de Sistemas, FIME-UANL, Pedro de Alba S/N, Cd. Universitaria, San Nicolás, N.L. 66450 México roger@uanl.mx RESUMEN En una red de transporte de gas natural, una estación compresora tiene el papel primordial de incrementar la presión del gas para mantenerlo fluyendo en el sistema. El combustible que se consume en cada estación compresora representa el costo más importante en una red de gasoductos. Cada estación está conformada por unidades compresoras individuales, las cuales pueden ser de diversos tipos y estar conectadas de formas diversas dentro de la estación. La función que representa el consumo de combustible en una unidad compresora depende de las presiones nodales a la entrada y salida de la estación, así como del flujo del gas transportado a través de la unidad compresora. Sin embargo, la función es típicamente no lineal, no convexa y difícil de evaluar computacionalmente. En este artículo se lleva a cabo una evaluación computacional de algunas funciones de aproximación (que son más fáciles de evaluar) sobre un grupo de datos de nueve compresores tomados de la industria. Los resultados obtenidos confirman que una de las funciones propuestas aproxima a la función objetivo con bastante precisión ya que el error máximo relativo de la función es menor al 6% y el error promedio relativo es menor al 1% en 8 de los nueve compresores probados. Este resultado puede servir para investigaciones posteriores, en las cuales se puede usar a esta función como una excelente aproximación de la función real con la ventaja de que su evaluación es más económica computacionalmente hablando. PALABRAS CLAVE: Optimización, red de transporte, consumo de combustible, compresor centrífugo, gas natural. ABSTRACT In a natural gas pipeline network, a compressor station plays the roll of increasing gas pressure to keep it moving through the system. The consumed fuel at each station represents the most important cost factor in a pipeline system. Each station is conformed of individual compressor units, which can be of different types or be hooked-up in a number of ways inside the station. The fuel consumption function in a compressor depends on the node pressures and the mass flow rate through the station. However, this function is typically nonlinear, nonconvex, and difficult to evaluate computationally. In this paper we carry out evaluation 48 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Aproximando la función de consumo de combustible... / Yanet Villalobos Morales, et al of this function with several approximation functions over a set of collected data from nine compressors units taken from industry. The results confirm that one these proposed functions does a very good job at approximating the real function, obtaining a maximum relative error of 6% and an average relative error of 1%. KEYWORDS: Optimization, transmission network, fuel consumption, centrifugal, compressor, natural gas. INTRODUCCIÓN El gas natural se transporta a través de un sistema de redes de gasoductos. Al fluir el gas por la red, se pierden energía y presión debido a la fricción que existe entre el gas y las paredes internas de la tubería y a la transferencia de calor que existe entre el gas y sus alrededores. Para sobreponer esta pérdida de energía y mantener el gas en movimiento, estaciones compresoras son instaladas en varios puntos de la red. Típicamente las estaciones consumen un 3-5% del gas que está siendo transportado resultando en un costo por consumo de combustible relativamente alto. Este costo de transportación es significativo porque la cantidad de gas que se transporta anualmente en cualquier sistema es de millones de metros cúbicos. El problema de toma de decisiones consiste en figurarse la manera de operar los compresores y la red con el objetivo de transportar el gas desde centros de almacenamiento o producción (donde se inyecta gas al sistema) a los diferentes centros de distribución (donde se requiere el gas) al menor costo posible. Ahora bien, la función que representa el consumo de combustible en un compresor es una función no lineal y no convexa. La evaluación de ésta es complicada y como cualquier algoritmo típico para resolver problemas de optimización no lineal (ej. Método del gradiente reducido, Método de descenso más profundo, etc.1) requiere evaluar la función objetivo cientos o miles de veces, el tiempo computacional consumido resulta ser relativamente grande. Por tal motivo, se han propuesto otras funciones las cuales aproximan a la función objetivo y cuya evaluación es más económica desde el punto de vista computacional. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 Estas funciones fueron evaluadas en4 utilizando datos de un compresor centrífugo y se observó que una de ellas, la función g6, fue la que mejor aproximó a la función objetivo. En este artículo se extiende esta evaluación a un grupo más amplio de compresores diferentes (nueve en total) con datos tomados de la industria, lo cual constituye la principal aportación de este trabajo. Los resultados obtenidos en esta evaluación confirman que la función g6 es la que mejor aproxima a la función objetivo. El error máximo relativo de esta función es menor al 6% y el error promedio relativo es menor al 1% en ocho de los nueve compresores probados, por lo tanto concluimos que esta función puede representar fielmente a la función objetivo en trabajos posteriores que surjan para el problema de minimización de consumo de combustible en una red de gas natural en estado estable. DESCRIPCIÓN DEL COMPRESOR En la industria del gas natural se manejan dos tipos de compresores los cuales son los centrífugos y reciprocantes. En este trabajo se consideran compresores de tipo centrífugo, los cuales son los más comúnmente utilizados en la industria ya que su construcción sencilla y libre de mantenimiento permite un funcionamiento continuo durante largos periodos y porque pueden trabajar con grandes caudales lo que no pueden hacer los compresores reciprocantes ya que estos se limitan a una capacidad mucho más pequeña de caudal. Las relaciones que describen el dominio de operación factible de un compresor centrífugo se definen de la siguiente forma: 2 H ⎛Q⎞ ⎛ Q⎞ ⎛Q⎞ = AH + BH ⎜ ⎟ + CH ⎜ ⎟ + DH ⎜ ⎟ 2 S ⎝S⎠ ⎝S⎠ ⎝S⎠ 3 (1) SL ≤S ≤SU QL ≤Q≤QU donde los coeficientes AH, B H, C H y D H en (1) son estimados mediante el método de Mínimos Cuadrados en base a una colección de datos tomados del compresor de las cantidades de Q, H y S las cuales son variables que representan el flujo volumétrico (ft 3/min), carga adiabática (lbf-ft/lbm°R) y la velocidad del compresor (ft/min), respectivamente. 49 �Aproximando la función de consumo de combustible... / Yanet Villalobos Morales, et al Los parámetros SL y SU representan los límites de velocidad mínima y máxima respectivamente que puede alcanzar el compresor. QL y QU son también parámetros que indican los límites mínimo y máximo de flujo volumétrico de gas que puede pasar por el compresor, ver figura 1. Fig. 1. Dominio de operación del compresor en función de Q, S y H Todo compresor tiene cierto rendimiento según el tipo de construcción. A este rendimiento se le conoce como la eficiencia del compresor. Ésta constituye un factor muy importante en cualquier análisis que involucre un compresor, ya que cuando la eficiencia es alta el compresor consumirá menos cantidad de combustible porque necesitará menos trabajo para impulsar el flujo de gas. La eficiencia del compresor η se describe de la siguiente forma: 2 3 (2) ⎛ Q⎞ ⎛ Q⎞ ⎛ Q⎞ η = AE + BE ⎜ ⎟ + CE ⎜ ⎟ + DE ⎜ ⎟ ⎝S⎠ ⎝S⎠ ⎝S⎠ donde los coeficientes AE, BE, CE y DE son también estimados de la misma forma que en (1) usando el método de Mínimos Cuadrados para el ajuste de la curva del compresor. Desde el punto de vista de modelación de redes es preferible trabajar en términos de flujo de masa y presión del gas ya que el flujo de masa se conserva en cada nodo de la red, lo cual no ocurre en el flujo volumétrico. Por tal motivo, se efectúa una transformación del dominio original de operación del compresor (en función de las variables (H, Q, S) a un dominio en función de las variables (w,Ps,Pd) denotado como D, donde w (lbm/min) es el flujo de masa a través del compresor, Ps (lbf/in2) es la presión de succión, es decir la presión a la cual el compresor toma el gas del ducto y Pd (lbf/in2) es la presión de descarga o presión a la cual sale el gas del compresor. Como el papel primordial del compresor es incrementar la presión del gas para mantenerlo en circulación se tiene que Ps < Pd. La relación que existe entre este dominio (w, Ps, Pd) y el dominio que conoce el operador en la industria (H, Q, S) es la siguiente: ⎡⎛ P H = ZRTs ⎢⎜⎜ s ⎢⎣⎝ Pd m ⎤ ⎞ ⎟⎟ − 1⎥ ⎥⎦ ⎠ ⎛ w⎞ Q = ZRTs ⎜ ⎟ ⎝ Ps ⎠ (3) (4) donde m = (k-1)/k, k es la razón de calor específico, Z es el factor de compresibilidad, R es la constante del gas y Ts es la temperatura promedio que se supone constante. DESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE El consumo de combustible para un compresor centrífugo se representa mediante la siguiente función: g (w, Ps , Pd ) = αwH η (6) donde α es un factor constante que por simplicidad se toma α=1. Esta función expresa el trabajo que tiene que 50 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Aproximando la función de consumo de combustible... / Yanet Villalobos Morales, et al realizar el compresor al transportar cierto flujo (w) a temperatura constante con determinada eficiencia, sus unidades (lbf-ft/min). Como puede apreciarse el principal costo computacional para evaluar a g en función de (w, Ps, Pd) estriba en la evaluación del denominador η. Para evaluar éste es necesario: (a) calcular H y Q de (3) y (4), respectivamente, (b) obtener S de (1) lo cual implica hallar las raíces de una función no lineal, y (c) evaluar (2). Un estudio más detallado de esta función de consumo de combustible puede ser encontrado en.4 Como se puede observar, efectuar este procedimiento cada vez que se quiera evaluar un punto en el dominio (w, Ps, Pd) implica un tiempo computacional relativamente alto. Como en los algoritmos típicos de optimización no lineal la función objetivo se tiene que evaluar cientos o miles de veces, no es recomendable usar este tipo de funciones. Una forma de solventar este dilema es usar funciones que se aproximen a la función y que sean más fáciles de evaluar. En5 se proponen seis funciones polinomiales para intentar aproximar a la función de consumo de combustible. Los autores llegaron a la conclusión que una de éstas fue superior a las otras en aproximar a la función objetivo. Sin embargo, una limitante de ese trabajo fue que en la evaluación se usó un sólo compresor en la estación compresora. Desde luego, para poder generalizar éste resultado es necesario efectuar una evaluación sobre un rango más amplio de compresores, lo cual es la parte medular de este trabajo. Las funciones de aproximación que se utilizaron para la evaluación se muestran a continuación: g1(w, Ps, Pd)= A1w +B1Ps +C1Pd + D1 g2(w,Ps, Pd)= A2w2 +B2wPs +C2wPd +D2Ps2 +E2PsPd +F2Pd 2 + G2w + H2Ps +I2Pd + J2 ⎛ w Pd ⎞ g3(w, Ps, Pd)= Ps ⎜ A3 + B3 +C3 ⎟ Ps ⎠ ⎝ Ps 2 ⎛ ⎛ w ⎞2 w Pd ⎛ Pd⎞ w Pd ⎞ +C4⎜ ⎟ + D4 +E4 + F4 ⎟ g4(w, Ps, Pd)= Ps ⎜⎜ A4⎜ ⎟ +B4 Ps Ps Ps Ps Ps Ps ⎟⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎛ ⎞ w Pd g5(w, Ps, Pd)= w⎜A5 + B5 +C5 ⎟ Ps ⎠ ⎝ Ps ⎛ ⎛ w ⎞2 ⎛ Pd⎞2 w Pd w Pd ⎞ ⎜ +D6 +E6 + F6 ⎟ g6(w,Ps, Pd)= w⎜ A6 ⎜ ⎟ +B6⎜ ⎟ + C6 Ps Ps Ps Ps Ps Ps ⎠⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ (7 -12) Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 EVALUACIÓN COMPUTACIONAL Para llevar a cabo el experimento se usó el paquete Matlab 63 en una estación de trabajo Sun Ultra 10 bajo el sistema operativo Solaris 7. En primera instancia, se estimaron los coeficientes de cada función de aproximación mediante el método de Mínimos Cuadrados utilizando una muestra de 8000 puntos del dominio (w, Ps, Pd). Posteriormente se procedió a efectuar la evaluación de las funciones. Para esto se generó una malla de 20x20x20 del dominio (w, Ps, Pd). En cada punto de la malla se evaluaron todas las funciones, registrando el error relativo de cada función de aproximación con respecto a la función original de consumo. Esto se hizo en cada uno de los nueve compresores. El error relativo en punto (w,Ps,Pd) de la malla se calcula como g-real(w,Ps,Pd) g-aproximada(w,Ps,Pd) | /g-real(w,Ps,Pd). Los valores de los parámetros son: exponente isoentrópico k = 1.287, factor de compresibilidad Z = 0.95, y constante del gas R = 85.2 (lbf-ft)/(lbm-°R). Los datos de los compresores así como su terminología se toman de.2 La tabla I muestra los resultados del error máximo relativo, la tabla II muestra el error promedio relativo de cada función para cada compresor. En las tablas I y II, la primer columna muestra el nombre técnico del tipo de compresor según la industria, en cada celda restante se despliega el máximo error relativo y el error promedio relativo respectivamente para Tabla I. Error máximo relativo (%) de las funciones de aproximación. Funciones de aproximación Nombre del compresor g1 g3 g5 g6 CPID SNARLIN-K1 18.32 18.32 11.19 1.708 CPID RAKEEY-K1 18.60 18.60 11.10 1.844 CPID RAKEEY-K2 19.07 19.07 12.28 2.923 CPID HAMPER -K1 29.56 29.56 22.46 19.25 CPID BELLVAN-K1 21.75 21.75 11.16 1.863 CPID BELLVAN -K2 21.75 21.75 11.16 1.863 CPID BELLVAN-K3 44.30 44.30 12.14 2.760 CPID BETHANY-K1 39.48 39.48 12.15 6.109 CPID BETHANY-K2 14.88 14.88 9.750 1.659 51 �Aproximando la función de consumo de combustible... / Yanet Villalobos Morales, et al Tabla II. Error promedio relativo de las funciones de aproximación. Funciones de aproximación Nombre del compresor g1 g3 g5 g6 CPID SNARLIN-K1 4.53 4.53 4.74 0.51 CPID RAKEEY-K1 4.60 4.60 4.75 0.52 CPID RAKEEY-K2 5.03 5.03 5.10 0.98 CPID HAMPER -K1 6.22 6.22 8.41 5.43 CPID BELLVAN-K1 4.97 4.97 4.70 0.48 CPID BELLVAN -K2 4.97 4.97 4.70 0.48 CPID BELLVAN-K3 8.49 8.49 3.00 0.73 CPID BETHANY-K1 8.75 8.75 3.74 0.39 CPID BETHANY-K2 3.95 3.95 3.82 0.52 cada compresor (fila) y función (columna). Nótese que no se muestran los resultados de las funciones 2 y 4, ya que éstas arrojaron errores demasiado grandes comparados con los errores que arrojaron las funciones 1, 3 y 5. Se observó que la función g6 se aproximó mejor a la función objetivo. En ocho de los nueve compresores el error máximo relativo de g6 es menor al 7% y el error promedio relativo es menor al 1%, comparando estos resultados con los resultados de las demás funciones podemos ver claramente que en las funciones g1 y g3 sólo en un compresor el error más pequeño del error máximo relativo se acerca al 15% y los demás están muy por arriba de éste. En la función g5 el error máximo relativo más bajo está cercano al 10%, y el error promedio más bajo en g1 y g3 es casi el 4% y en g5 el error promedio más bajo es del 3% en solo uno de los compresores para estas tres funciones. Estos resultados verifican que, efectivamente g6 resulta ser la mejor aproximación consistentemente sobre cada uno de los compresores probados. confiabilidad que ésta puede utilizarse en reemplazo de la función original esperando un margen corto de error. Como es bien conocido, los algoritmos de optimización no lineal típicos requieren evaluar esta función un número muy grande veces. Aquí es donde puede redituar el usar una función más fácil de evaluar computacionalmente. AGRADECIMIENTOS El presente trabajo fue apoyado financieramente por el CONACYT (proyecto J33187-A) y el PAICYT de la UANL (proyecto CA355-01). REFERENCIAS 1. M. S. Bazaraa, H. D. Sherali, and M. Shetty. Nonlinear Programming: Theory and Algorithms. Wiley, New York, EUA, 1993. 2. S. Wu. Steady-State Simulation and Fuel Cost Minimization of Gas Pipeline Networks. Ph.D. Dissertation, University of Houston, Houston, EUA, 1998 3. S. Wu, R. Z. Ríos-Mercado, E. A. Boyd, and L.R. Scott. Model relaxations for the fuel cost minimizatión of steady-state gas pipeline networks. Mathematical and Computer Modelling, 31(2-3): 197-220, 2000. 4. The Math Works, Inc. MATLAB: Using Matlab Graphics. Natick, Massachussetts, EUA, 2000. 5. S. Kim. Minimum-Cost Fuel Consumption on Natural Gas Transmission Network Problem. Ph.D. Dissertation, Texas A&M University, College Station, EUA, 1999. CONCLUSIONES En este trabajo se evaluaron funciones para aproximar la función objetivo del problema de minimización de consumo de combustible en una red de gas natural en estado estable usando nueve compresores centrífugos diferentes. Se observó que una de las funciones, en particular la g6, fue la que mejor aproximó la función objetivo en todos los compresores. Por lo tanto, se puede concluir con más 52 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Propiedades físicas y aerodinámicas del mineral laterítico para uso en transporte neumático Enrique Torres Tamayo, Tania Odaysis Tomacén Gámez, Tomás Fernández Columbié, Jorge Luís Reyes de la Cruz Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto Superior Minero Metalúrgico de Cuba. etorrest2002@yahoo.es. RESUMEN Para realizar la modelación matemática y lograr mayor eficiencia en los sistemas de transporte neumático del mineral laterítico en este trabajo se determinan las propiedades físicas y aerodinámicas que mayor influencia tienen en el transporte. Se establece, a partir de técnica experimental, la correlación de la velocidad de flotación y el coeficiente de resistencia en función del diámetro y el contenido de humedad de las partículas. Se determina, además, la densidad de las partículas, densidad aparente y composición granulométrica del material. Se confirmó experimentalmente que la velocidad de flotación alcanza un valor máximo de 5,42 m/s para el mayor diámetro de partículas presente en las muestras. La densidad aparente toma un valor de 1,0683 g/cm3 y la densidad de las partículas es de 3,0269 g/cm3. PALABRAS CLAVES Transporte neumático, velocidad de flotación, densidad, partículas de mineral laterítico. ABSTRACT To carry out the mathematical modelation and to achieve greater efficiency in the pneumatic conveying systems, in this work the physical and aerodynamic properties of laterític ore that have a great influence on those systems, are determined. The correlation among flotation speed and resistance coefficient settles down starting from the appropriate experimental technique in function of the diameter and the content of humidity of the particles. It was also determined the density of the particles, apparent density and granulometric composition of the material. Experimentally was confirmed that the flotation speed reaches a maximum value of 5,42 m/s for the largest present diameter of particles in the samples. The apparent density average takes a value of 1,0683 g/cm3 and the average density of the particles is of 3,0269 g/cm3, in accordance with the experimental technique employed. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 53 �Propiedades físicas y aerodinámicas del mineral... / Enrique Torres Tamayo, et al KEYWORDS Pneumatic conveying, flotation speed, density, particles of ore mineral. INTRODUCCIÓN El transporte neumático por sus múltiples ventajas constituye uno de los más avanzados medios de transporte de sólidos, el mismo se encuentra aplicado a nivel mundial en diversas industrias. Un paso importante en la modelación matemática, evaluación, cálculo y diseño de los sistemas de transporte neumático es determinar las propiedades físicas y aerodinámicas del material en las condiciones en que se realizará el transporte del mismo. En las fábricas procesadoras de níquel de tecnología CARON que operan en Cuba se utiliza el transporte neumático en tres lugares fundamentales: • Desde la salida de los secaderos hasta las tolvas de los molinos (cuatro sistemas independientes). • Desde las tolvas de los molinos hasta los silos (seis sistemas independientes). • Desde la salida de silos hasta los hornos de soleras múltiples (seis sistemas independientes). El gran consumo de energía de estos sistemas se debe, fundamentalmente, a que el transporte se realiza en fase diluta a bajas concentraciones (14 kg de material/m3de aire), muy por debajo de los valores que reporta la literatura (Lampinen, 1991) para el transporte de otros materiales en los que la concentración de la mezcla supera los 40 kg de material/ m3 de aire. La modelación del flujo en el transporte neumático y el cálculo de su pérdida de presión es una tarea difícil; esto es debido a las diferentes concentraciones en peso de la mezcla (relación entre la cantidad de material transportado y la cantidad de aire), que implica diferentes tipos de flujo, cada uno de estos flujos requieren su propio modelo a fin de proporcionar un método de cálculo específico. Para la optimización de los sistemas de transporte neumático es necesario transitar por cuatro etapas fundamentales: Determinación de las propiedades físicas y aerodinámicas del mineral, modelación teórico - experimental del proceso, simulación con 54 el empleo de técnicas computacionales del proceso a escala industrial y optimización del sistema. Este trabajo está dedicado a la primera etapa. Varios investigadores han tratado la temática del transporte neumático y la influencia de sus propiedades en la modelación, selección y diseño de estos sistemas. En el trabajo desarrollado por Pacheco (1984), se determinan las propiedades físicas y aerodinámicas del bagazo, harina de trigo y el centeno. Estos resultados son posteriormente utilizados por Lesme (1996) para obtener una metodología de cálculo que permita la proyección de los sistemas de transporte neumático de bagazo en los centrales azucareros del país. No menos importantes son los trabajos desarrollados por Taylor (2001), y Lampinen (1991), donde se analiza la influencia de las propiedades de otros materiales tales como: madera, arroz, pelets de polietileno, entre otros, en las pérdidas de presión y el consumo de energía específica de los sistemas de transporte neumático. En trabajos desarrollados por otros autores para analizar el movimiento de las partículas en un flujo de gas (Harada (2000); Kawaguchi (2001); Miyoshi (2000) y Pan (2000)) emplean métodos de simulación para describir el movimiento de las Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Propiedades físicas y aerodinámicas del mineral... / Enrique Torres Tamayo, et al partículas y analizar el efecto de la pulsación del gas en el modelo de flujo, así como la interacción y colisiones entre las partículas y con las paredes de la tubería. Relacionado con el mineral laterítico existen pocos trabajos orientados a determinar las propiedades de los materiales utilizados en los sistemas de transporte neumático. Dentro de ellos se destaca el trabajo desarrollado por Miranda, et al (1996), en el que se realiza una comparación y conjugación de métodos para determinar el contenido de humedad inicial en las distintas menas de los yacimientos lateríticos, aplicándose el método de reflexión neutrónica. En este artículo se determinan otras propiedades necesarias para la evaluación, cálculo y diseño de los sistemas de transporte neumático como son: velocidad de flotación, densidad de partículas, densidad aparente. DESARROLLO EXPERIMENTAL Para una mejor comprensión de los diferentes tópicos se expone cada técnica experimental por separado, analizando en cada una de ellas el procedimiento seguido para las tres propiedades físicas y aerodinámicas encontradas en el trabajo. Fig.1. Instalación experimental para determinar la velocidad de flotación del mineral laterítico. Las partes componentes de esta instalación son: 1. Fuente de aire (Ventilador) 2. Válvula para la regulación del flujo de aire. 3. Cámara con platillo orificio para la conexión del flujómetro. 4. Tubería horizontal 5. Visor de la velocidad de flotación 6. Cámara con gaveta para la recolección del producto Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 Velocidad de flotación de las partículas y coeficiente de resistencia Técnica experimental empleada Para la determinación de este parámetro se construyó una instalación experimental en áreas del Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa. Los detalles de la misma se encuentran en la figura 1. El material se clasificó utilizando un juego de tamices según la escala incompleta de Tayler con módulo , en esta selección se tomó como punto de partida el diámetro máximo de las partículas que se desean analizar. Los valores se muestran en la tabla I. Tabla I. Algunas propiedades del mineral laterítico utilizado en los sistemas de transporte neumático • Contenido de humedad: 4,5% • Forma de las partículas: Esféricas • Humedad de equilibrio: 3,9% • Composición granulométrica Clase de tamaño (mm) % en peso Clase de tamaño (mm) % en peso + 0,125 1,05 - 0,074 + 0,063 2,45 - 0,125 + 0,09 2,03 - 0,063 + 0,044 30,81 - 0,09 + 0,074 1,5 - 0,044 62,16 Para determinar la velocidad de flotación de las partículas primeramente se establece un flujo mínimo estacionario de aire a través del conducto. Este valor se controla mediante el flujómetro conectado en la entrada y se regula por medio de la válvula de globo instalada. El incremento de la velocidad del aire fue de 0,1 m/seg. comenzando a una velocidad mínima de 1 m/seg para cada experimento, el tiempo de espera entre incrementos fue de 1 minuto. En cada posición se realizaron tres réplicas para las clases de tamaño. El tamaño de las muestras fue de 50 gramos. En la cámara con gaveta se recolectaron las partículas que no son arrastradas en el flujo de gases, determinándose la velocidad de flotación por diferencia de pesada, también se observó el momento en que las partículas se mantuvieron flotando en el flujo de aire. El tubo vertical tiene una longitud L= 2000 mm, lo que equilibra la velocidad del gas a régimen turbulento. 55 �Propiedades físicas y aerodinámicas del mineral... / Enrique Torres Tamayo, et al Coeficiente de resistencia del mineral laterítico Existe una estrecha relación entre la velocidad de flotación y el coeficiente de resistencia para el transporte neumático del mineral laterítico, parámetro necesario para aplicar los criterios de semejanzas en la modelación y simulación de estos sistemas. Bajo el movimiento relativo entre una partícula y el aire a su alrededor, se ejerce una fuerza de resistencia sobre la partícula. En un movimiento vertical hacia arriba de las partículas y el aire, la fuerza de resistencia actuando sobre la misma supera la fuerza neta descendiente o la diferencia entre la fuerza gravitacional y la fuerza de sustentación. Esta expresada matemáticamente conduce a la siguiente ecuación: VF = 4 dx (ρ − ρ G ) ×g× × M 3 λ ρG (1) Donde: dx - diámetro de las partículas (m) PM - densidad del material (kg/m3) PG - densidad del gas (kg/m3) λ - coeficiente de resistencia del mineral laterítico. υ - Coeficiente cinemático de viscosidad (m2/s) VF – Velocidad de flotación (m/s) Las partículas dentro de todo el margen de variación de su diámetro (0,025 mm– 0,044 mm), tienen un número de Reynolds de flotación que se puede expresar a través de la siguiente expresión. Re F = VF × dx υ (2) Utilizando la ecuación (1) se puede determinar el comportamiento del coeficiente de resistencia en función del diámetro de las partículas y la velocidad de flotación. Densidad aparente Materiales y reactivos utilizados • Balanza analítica de precisión 0,01g. • Agua destilada • Juego de Tamices • Estufa • Embudo de crisol • Cubeta • Probeta graduada 56 Técnica experimental 1. Se toma una muestra de mineral y se seca en la estufa a una temperatura de 100 grados hasta peso constante, y se tamiza de manera tal que permita la clasificación de las partículas de la roca de acuerdo a su diámetro. 2. Se lava la probeta con agua destilada, se seca en la estufa y se pesa obteniéndose la masa de la probeta (m). Cada muestra según su diámetro se traslada en una cubeta y se deposita en la probeta graduada, se trata de eliminar todo el aire de la muestra de manera que ésta quede lo más compacta posible y al mismo nivel mediante golpecitos en una mesa y se mide el volumen ocupado por ésta (Vn). Se hace este procedimiento para todas las muestras clasificadas. Se toma la probeta con la muestra y se pesa obteniéndose la masa (mn). 3. Después se determina la densidad aparente por la fórmula: ρ= mn − m Vn (g/cm3) (3) Dónde el subíndice n indica el número de la muestra según cada caso Densidad de partículas Para determinar la densidad del mineral se utilizó el método picnométrico por poseer todas las condiciones para su realización en el laboratorio de Física de las Rocas de la Facultad de Minas - Geología del Instituto Superior Minero Metalúrgico. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Propiedades físicas y aerodinámicas del mineral... / Enrique Torres Tamayo, et al RESULTADOS Y DISCUSIÓN Velocidad de flotación y coeficiente de resistencia del mineral laterítico Una vez desarrollada la técnica experimental expuesta en el tópico anterior (desarrollo experimental) en la tabla II se pueden observar los resultados de la velocidad de flotación en función del diámetro de las partículas para diferentes valores del contenido de humedad. En ésta se presentan los valores promedios de cada uno de los experimentos. A partir de los datos experimentales promedios de la velocidad de flotación en función del diámetro de las partículas, se obtienen las curvas de velocidad de flotación. Para ello se utilizó el programa profesional Microcal Origin. El ajuste de curva se realizó a partir de una ecuación del tipo (5) con un coeficiente de correlación superior a 0.85 en todos los casos. El modelo general ha sido utilizado por distintos autores para la correlación de otros materiales (Pacheco, 1984), éste toma la forma general siguiente: Vf = K 1 × dx K 2 Donde K1 y K2 son constantes. (5) Los resultados se muestran en las ecuaciones 2, 3y4 Para contenido de humedad del 7,3 % Vf 1 = 8,69 × dx 0,34 Para contenido de humedad del 4,5 % (6) Vf 2 = 8,81× dx0,38 (7) Para contenido de humedad del 3,9 % Vf 3 = 8,58 × dx 0 , 41 (8) En la figura 2 se muestra el comportamiento de la velocidad de flotación en función del diámetro de Fig. 2. Comportamiento de la velocidad de flotación en función del diámetro de las partículas para diferentes contenidos de humedad. las partículas para diferente contenido de humedad (H). Se observó un incremento de la misma con el contenido de humedad como se esperaba, alcanzándose el valor máximo para H=7,3 % con un valor de 5,42 m/s. Se observa a partir de las ecuaciones y figura obtenidas que la velocidad de flotación depende de forma significativa del diámetro de las partículas y del contenido de humedad del mineral, factores que es necesario tener en cuenta en la selección de la velocidad mínima de los sistemas de transporte neumático. COEFICIENTE DE RESISTENCIA Los valores del coeficiente de resistencia λ, calculados por la ecuación (1), se presentan en la tabla II. Se observa a partir de los resultados obtenidos que el coeficiente de resistencia del mineral laterítico aumenta con el incremento del diámetro de las partículas y el número de Reynolds. Comparando Tabla II. Comportamiento de la velocidad de flotación en función del diámetro de las partículas para diferentes valores del contenido de humedad. dx (mm) 0,250 0,205 0,143 0,108 0,077 0,054 0,044 Contenido de humedad Vf1 (m/s) 5,42 4,93 4,61 4,16 3,67 3,15 2,93 7,3% Vf2 (m/s) 5,21 4,74 4,23 3,83 3,25 2,92 2,64 4,5% Vf3 (m/s) 4,94 4,31 3,97 3,51 2,97 2,59 2,37 3,9% λ 0,304 0,301 0,264 0,243 0,24 0,209 0,208 4,5% ReF 81,97 61,152 38,068 26,032 15,749 9,923 7,31 4,5% Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 57 �Propiedades físicas y aerodinámicas del mineral... / Enrique Torres Tamayo, et al estos resultados con los obtenidos para otros materiales (Pacheco, 1984), para el mineral laterítico estos valores son inferiores. Lo anterior se atribuye a los valores del diámetro de partículas ensayadas que en nuestro caso se encuentra en el orden de los micrones, independientemente del valor de densidad de partículas, superior a otros materiales tales como: Bagazo, Soya, harina, entre otros. El valor máximo del coeficiente de resistencia se obtiene para un diámetro de partículas de 0,250mm, tomando un valor de 0,304. en las muestras, según la clasificación efectuada. La densidad aparente promedio es de 1,0683 g/cm3. En la tabla IV se muestran los resultados de la densidad de las partículas a partir del procesamiento estadístico realizado utilizando el programa profesional Microsoft Excel. La densidad de las partículas promedio para las muestras analizadas tiene un valor de 3,0269 g/cm3. Tabla IV. Resultados de la densidad real para cada una de las muestras analizadas Muestra DENSIDAD REAL Y APARENTE En la tabla III se presentan los resultados promedio de la densidad aparente en función del diámetro de las partículas. La correlación se realizó a partir de una ecuación del tipo (9). ρ apa = K3 × EXP − K 4 × dx (9) Los resultados del análisis de regresión se muestran en la ecuación (10) y figura 3 ρ apa = 1,175 × EXP −1,114×dx Densidad real (g/cm3) Procesamiento estadístico Muestra Benceno Gas oil Media 3,0269 1 3,0279 3,0229 Error típico 0,00170553 2 3,0254 3,0204 Mediana 3,027 3 3,0301 3,0279 Moda 3,0279 4 3,0329 3,0179 Desviación 0,00539 estándar 5 3,0354 3,0279 Varianza 2,9088x 10-4 (10) Fig.3. Comportamiento de la densidad en función del diámetro de las partículas. De lo anterior se comprueba que la densidad aparente disminuye con el incremento del diámetro de las partículas, alcanzándose el valor de 1,1143 g/cm3 para el menor diámetro de partículas presente CONCLUSIONES 1. Se confirma experimentalmente que la velocidad de flotación depende de forma significativa del diámetro y del contenido de humedad de las partículas. Su valor máximo es de 5,42 m/s para el mayor diámetro de partículas presente y un contenido de humedad del 7,3%. 2. El valor máximo del coeficiente de resistencia del mineral laterítico para un contenido de humedad del 4,5% tiene un valor de 0,304. Este pequeño valor se debe al diámetro de partículas utilizado en estos sistemas que se encuentra por debajo de los 250 micrones. 3. Existe notable diferencia entre la densidad aparente y la densidad de las partículas utilizada en los sistemas de transporte neumático. La densidad aparente promedio toma un valor de 1,0683 g/cm3 y la densidad real de las partículas es de 3,0269 g/cm3, de acuerdo con la técnica experimental empleada. Tabla III. Comportamiento de la densidad aparente en función del diámetro de las partículas. dx (mm) 0,250 Ρ apa (g/cm ) 3 58 0,205 0,143 0,5733 0,9517 0,9965 0,108 0,077 0,054 0,044 1,0583 1,0744 1,1025 1,1143 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Propiedades físicas y aerodinámicas del mineral... / Enrique Torres Tamayo, et al • • BIBLIOGRAFÍA • Pacheco Berlot, Pedro M. Ecuaciones para el diseño de instalaciones a transporte neumático por tuberías verticales de materiales polvorientos, granulados, polimorfos y poli dispersos [Tesis doctoral] 1984. Universidad de Oriente, Santiago de Cuba. • Lesme J. R. Modelación del movimiento de las partículas y pérdidas en codos durante el transporte neumático del bagazo [Tesis doctoral] 1996. Universidad de Oriente, Santiago de Cuba. • Taylor T. Specific energy consumption and particle attrition in neumatic conveying. Unilever Research and Engineering, 11(1): 1 – 13, 2001. • Lampinen, Markku. Calculation Methods for Determining the pressure Loss of Twophase Pipe Flow and Ejectors in Pneumatic Conveying Systems. Acta polytechnica scandinavica Mechanical Engineering series No 99. Helsinki Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 • • • University of Technology Laboratory of Thermal Engineering. Finland. 1991. Harada, S., Tanaka, T. and Tsuji, Y., “Fluid Force Acting on a Falling Particle toward a Plane Wall,” Proc. of ASME FEDSM’00 (ASME 2000 Fluids Engineering Division Summer Meeting), Boston, USA, June 11-15, (2000), Paper No. FEDSM2000-11267(CD-ROM) Kawaguchi, T., Miyoshi, A., Tanaka, T. and Tsuji, Y., “Discrete Particle Analysis of 2D Pulsating Fluidized Bed,” Proc. of 4th Int. Conf. on Multiphase Flow (ICMF-2001), New Orleans, USA, May 27-June1, (2001), Paper No. 838 (CD-ROM). Miyoshi, A., Kawaguchi, T., Tanaka, T. and Tsuji, Y., “Numerical Analysis on Effects on Pulsating Gas on Flows in Gas-Solid Fluidized Bed,” Proc. of Fourth International Particle Technology Forum (AIChE Annual Meeting 2000), Los Angeles, USA, November 12-17, (2000) (CD-ROM). Pan, Y., Tanaka, T. and Tsuji, Y., “Large-Eddy Simulation of Particle-Laden Rotating Channel Flow,” Proc. of ASME FEDSM’00 (ASME 2000 Fluids Engineering Division Summer Meeting), Boston, USA, June 11-15, (2000), Paper No. FEDSM2000-11144(CD-ROM). Miranda, J. L. y otros. Comparación y conjugación de métodos de determinación de humedad en la Industria del Níquel. Minería y Geología. Moa. 13 (2): 42 – 47, 1996. 59 �Metales activados de Rieke Parte II. Síntesis de Zn*, Cu*, Al*, In* y Ni* y de compuestos orgánicos y organometálicos Luis Ángel Garza Rodríguez, Boris I. Kharisov, Facultad de Ciencias Químicas UANL lagr199@yahoo.com, bkhariss@ccr.dsi.uanl.mx Ubaldo Ortiz Méndez Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL uortiz@ccr.dsi.uanl.mx RESUMEN En este artículo de revisión se describen las diferentes rutas para la formación de metales activados de Rieke, en particular Zn*, Cu*´Al*, In* y Ni*. Se describe también la síntesis de compuestos orgánicos y organometálicos obtenidos mediante estos metales. PALABRAS CLAVE: Metales de Rieke, activación, carbociclos fusionados, adición oxidativa, síntesis organometálica. ABSTRACT In this review article, different routes for formation of activated metals, in particular Rieke zinc, copper, aluminium, indium, and nickel, are described. The synthesis of organic and organometallic compunds obtained from these metals is also described. KEYWORDS: Rieke metals, activation, fused carbocyles, organic synthesis, oxidative addition, organometallic synthesis. INTRODUCCIÓN En los últimos 10 años, Rieke y colaboradores han realizado considerables descubrimientos acerca de las rutas de síntesis de compuestos como, las Spiro γ–lactosas y Spiro δ–lactosas, debido a la significante actividad biológica que exhiben. Una de las aportaciones más importantes del empleo de los metales de Rieke en las reacciones de producción de compuestos, ha sido el incremento en la cantidad de alternativas sintéticas, variando, por ejemplo; los reactivos precursores, las condiciones de síntesis (composición de la atmósfera, la temperatura, el tiempo, etc.), entre otros logramos incrementar los rendimientos (por ejemplo; la síntesis de los polifenilcarbinos se incrementa de un 25% a un 46%) e inclusive llegar a producir compuestos que no habían podido ser sintetizados hasta ahora. 60 Reuben D. Rieke La primera parte de este artículo se publicó en Ingenierías No. 26. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Metales activados de Rieke Parte II. Síntesis de Zn*... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al Tabla I. Sistemas reaccionantes empleados para la síntesis de reactivos dieno-magnesio. Reactivos Condiciones Productos a) (E,E)-1,4-difenil-1,3-butadieno Mg* b) 2,3-dimetil-1,3-butadieno THF, temp. ambiente c) Isopreno Correspondientes complejos de (2-butano-1,4diil)magnesio d) 2-fenil-1,3-butadieno PREPARACIÓN DE 1,3-DIENO-MAGNESIO La preparación de los reactivos 1,3-dienomagnesio mediante el uso de metales de Rieke tiene una amplia aplicación en la síntesis de compuestos orgánicos, tales como, carbociclos fusionados, β, γ −cetonas insaturadas, 3-ciclopentanoles, Spiro γ–lactonas, Spiro δ–lactosas, γ-lactamas y carbociclaciones. Los sistemas de reacciones que comprenden la preparación de los reactivos dieno-magnesio son los siguientes (Tabla I): Tabla II. Reacción de 1,4-difenil-2-buteno-1,4-diil magnesio con algunos electrófilos. Reactivo Electrófilo Producto Rendimiento (%) 40 Br(CH2)4Br C A R B O C I C L I Z A C I Ó N D E C O M P U E S TO S DIHALORGÁNICOS CON (1,4-DIFENIL-2BUTENO-1,4-DIIL) MAGNESIO Las reacciones de carbociclización pueden llevarse a cabo mediante la reacción de 1,4-difenil-2buteno-1,4-diil magnesio con electrófilos tales como 1,n-dibromoalcanos, obteniéndose una ciclación o una reducción del electrófilo (dependiendo del dibromuro inicial). La Tabla II ejemplifica algunas de las reacciones de este tipo. La síntesis de 1,4-difenil-2-buteno-1,4-diil magnesio se lleva a cabo mediante la reacción de (E,E)-1,4-difenil-1,3-butadieno con Mg*, ver esquema (1): Mg* 1,4-difenil-2-buteno-1,4-diil magnesio THF, temp ambiente Cl(CH2)4Cl 51 Br(CH2)3Br 65 Cl(CH2)3Cl 81 Br(CH2)2Br - Cl(CH2)2Cl 59 BrCH2Br - ClCH2Cl 76 C H CH3(CH2)3Br C H 93 (cis/trans = 56:44) 66 Me2SiCl2 Si Me Me Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 Mg (1) Este tipo de reacciones genera carbociclos de tres, cinco y seis miembros, las ciclizaciones son siempre estereoselectivas y completamente regioselectivas. Recientemente se ha sintetizado 1,4-difenil-2buteno-1,4-diil bario, el cual, exhibe una reactividad superior a la de su contraparte dieno-magnesio.1 SÍNTESIS DE CARBOCICLOS FUSIONADOS, β , γ - C E T O N A S I N S AT U R A D A S Y 3 CICLOPENTANOLES Los carbociclos fusionados pueden ser obtenidos mediante la reacción de los dien magnesio con ésteres carboxílicos, mediante el debido control de la temperatura, además de obtenerse las β,γ-cetonas insaturadas.2 En el esquema (2) se ejemplifica el procedimiento para llevar a cabo la síntesis de las β,γ-cetonas insaturadas. 61 �Metales activados de Rieke Parte II. Síntesis de Zn*... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al Tabla III. Biciclos fusionados obtenidos bajo reflujo. CH 3CO 2Et Mg OMgOEt -78 a -10 °C Dieno CH 3 Éster Producto Eficiencia 1,2-bis(metilen)cicloalcanmagnesio OH H3O + CH3COOEt 91 -10 °C O OH OH CH 3 CH 3 CH3(CH2)2COOEt 96 (2) (2-metil-1-ciclohexanil)propan-2-ona Si el intermediario que se produce de la reacción del dien magnesio, 1,2-bis(metilen)cicloalcan magnesio, con acetato de etilo, se somete a reflujo seguido de acidificación, se obtiene el biciclico fusionado enol 2,3,4,5,6,7-hexahidro-2-metil-1Hinden-2-ol , en el esquema (3) se ilustra la reacción. OH PhCOOEt 55 Ph OH CH3(CH2)2COOEt 59 OH Mg CH 3 CH3CO2Et H3O OH CH3(CH2)2COOEt + 74 -78 a -10 °C Reflujo OMgOEt CH 3 OMgOEt CH 3 (3) Incorporando lactosas como agentes electrófilos se obtienen β,γ-cetonas alcohólicas insaturadas así como ciclopentanoles que contienen alcoholes primarios y terciarios. En la tabla III se ilustran diferentes reacciones para la producción de ciclopentanoles empleando los reactivos dieno-magnesio. La síntesis de spiro γ-lactonas mediante el uso de complejos de coordinación, por ejemplo, los complejos dien magnesio preparados mediante las técnicas de Rieke, proporcionan la ventaja principal de llevar a cabo la síntesis de las spiro γ-lactonas, lactosas, dispiro lactosas, alcoholes terciarios mediante una reacción directa, es decir, en un solo paso, incluso se pueden sintetizar los 1,2-dioles desde los correspondientes reactivos conjugados dien magnesio. El esquema (4) muestra la reacción correspondiente a este tipo de productos. Como se puede observar, la reacción del 1,2bis(metilen)ciclohexano magnesio (a) con acetona a -78 °C resulta en el aducto 1,2 (a), la acidificación del aducto 1,2 a -78 °C produce el alcohol terciario (b), si el aducto 1,2 (a) se calienta a 0 °C en la presencia de un agente electrofílico como el 62 CO2, reacciona inmediatamente dando una sal de magnesio y un ácido γ-hydroxo (d), después de una hidrólisis ácida y un calentamiento suave, se obtiene la spiro γ-lactona 4,4-dimetil-6-metilen-3oxaspiro[4.5]decan-2-ona (f). a Mg CH3COCH3 -78 °C CO2 CO 2O*Mg++ 0 °C H3O 0 °C, temp ambiente H3 O Mg O d + + -78 °C b OH c -H2O CO 2H OH O 40 °C e O f (4) PREPARACIÓN DEL ZINC DE RIEKE Haciendo referencia a la tabla II, de la parte I (Ingenierias: VIII.26), en la que brevemente se explican varios métodos para la síntesis de polvos activados de Zinc de Rieke, en esta sección se desarrollará de forma más completa la metodología mediante la cual se lleva a cabo la preparación de los polvos activados de Zinc de Rieke. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Metales activados de Rieke Parte II. Síntesis de Zn*... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al Primeramente se procede a mezclar en un matraz de fondo plano 10 mmol de litio metálico y una cantidad catalítica (1 mmol) de naftaleno en un volmen de 1215 mL de THF se agita la mezcla de 20 a 40 s., hasta que se torne la mezcla verde oscuro, lo que significa que se ha formado naftalenuro de litio, enseguida se coloca en otro recipiente cloruro de zinc anhidro y 12-15 mL de THF, se agita la mezcla hasta disolver la sal metálica y se transfiere al primer recipiente (el que contiene el naftalenuro de litio), mediante una cánula a razón de 3 gotas por segundo. Después de haber completado la transferencia del cloruro de zinc se agita el recipiente durante un periodo de 15 min. Se encontró que la reactividad del polvo activo de zinc era independiente del disolvente empleado, tal como, THF ó DME y del anión de las anhidra empleada, como, cloruro, bromuro, ioduro, etc. a temperaturas de –5°C en THF o dietil éter. Se encontró que el dietil éter era el mejor disolvente para este tipo de reacciones. La formación de compuestos organozinc a partir de bromuros y cloruros de alquilo, arilo y vinilo era posible solo mediante la reacción de metátesis entre una sal de zinc y reactivos organolitio o de Grignard. Una desventaja de este tipo de procedimiento es el hecho de que los reactivos organolitio y de Grignard no son compatibles con varios tipos de grupos funcionales, con lo cual se limita la cantidad de reactivos organozinc que pueden ser obtenidos. Mediante el método de Rieke de preparación de zinc activo se producen los reactivos organozinc, sin la limitante de los grupos funcionales incompatibles, dado que acepta grupos tales como cloruros, nitrilos, ésteres y cetonas (Tabla IV). REACCIONES DE ADICIÓN OXIDATIVA DIRECTA DE HALUROS DE ALQUILO Y ARILO FUNCIONALIZADOS Antes del descubrimiento de polvo activo de Zinc de Rieke no era posible llevar a cabo la reaccion entre bromuros y cloruros de alquilo, arilo y vinilo con zinc metálico. La excepción a esta regla es la reacción de Reformatsky, ver esquema (5). Tabla IV. Preparación de compuestos organozinc. R O + Br-CH2-CO2-C2H5 + Zn R C O-Zn-Br R R Haluro orgánico (RX) Zn*: RX Temp. (°C) Tiempo (h) Eficiencia (%) Br(CH2)6Cl 1.2:1 23 4 100 Be(CH2)7CH3 1.2:1 23 6 100 Br(CH2)3CO2Et 2:1 23 3 100 p-IC6H4Cl 2:1 23 3 100 p-BrC6H4CN 3:1 reflujo 3 90 CH2CO2C2H5 R H3O+ R R C CH2-CO2C2H5 R C O-Zn-Br OH CH2CO2C2H5 (5) Aún y así se obtenían rendimientos bajos. Sin embargo, utilizando el polvo activo de Zinc de Rieke fue posible hacer reaccionar haluros de alquilo La transmetalación de los reactivos organozinc con cobre bajo condiciones suaves forma compuestos altamente funcionalizados llamados “cupratos”. Cuando estos compuestos reaccionan con varios cloruros ácidos se obtienen cetonas asimétricas altamente funcionalizadas con elevados rendimientos (Tabla V). Tabla V. Reacción de Haluros organozinc mediados por cobre con cloruros ácidos. RX R´COCl Zn*:Rx:R´COCl Producto Rendimiento % Br(CH2)7CH3 PhCOCl 1.5:1.0:0.9 PhCO(CH2)7CH3 92 Br(CH2)6CN PhCOCl 1.1:1.0:0.8 PhCO(CH2)6CN 94 Br(CH2)6Cl PhCOCl 1.0:1.0:1.0 PhCO(CH2)6Cl 85 BrCH2CH2Ph PhCOCl 1.2:1.0:0.9 PhCOCH2CH2Ph 97 Br(CH2)3CO2Et CH3(CH2)3COCl 1.0:1.0:0.9 CH3(CH2)3CO(CH2)3CO2Et 91 Br(CH2)3CO2Et PhCOCl 1.0:1.0:0.9 PhCO(CH2)3CO2Et 95 Cl(CH2)3CO2Et PhCOCl 1.0:1.0:0.9 PhCO(CH2)3CO2Et 91 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 63 �Metales activados de Rieke Parte II. Síntesis de Zn*... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al Se obtienen las di-cetonas de sus correspondientes bromuros y yoduros di organozinc. La reacción de los haluros de alilo con los cupratos formados de la transmetalación de los reactivos organozinc forman compuestos con una elevada regioselectividad, proporcionando un mecanismo S N2´ con altos rendimientos. Por ejemplo las reacciones de RZnX con haluros alílicos mediados por CuCN*2LiBr, ver (6): CuCN * 2 LiBr RX + Zn* [RCu(CN)ZnX] RZnX R1 Y [RCu(CN)ZnX]+ R2 R1 R R2 + R1 R R2 ´ SN2 S N2 (6) Los reactivos organozinc pueden ser también transmetalados con paladio resultando en compuestos organopaladio que son utilizados en reacciones con haluros arílicos y vinilicos, obteniéndose productos “cross-coupled”. También pueden obtenerse los compuestos organoníquel mediante técnicas de transmetalación. El Zinc de Rieke tiene diversos usos en la síntesis orgánica como, por ejemplo, la reacción del yoduro de alquilo a temperatura ambiente produce una ciclación intramolecular, ejemplo de este tipo de reacción se puede citar: la ciclación intramolecular de las enonas para formar anillos de cinco y seis miembros, se requieren de 50 min a 48 h a temperatura ambiente,3 generación de reactivos haluro heteroarilzinc (por ejemplo, la formación de la halo piridinzinc, la cual es formada por la interacción del zinc de Rieke con bromo o yodopiridina a temperatura ambiente4), producción de bromuros de alquilzinc terciarios y secundarios a temperatura ambiente,5 es un logro significativo, en el caso de la síntesis del bromuro de alquilzinc terciario debido, a que no se ha podido realizar mediante otras técnicas. Se ha reportado la síntesis de un polvo metálico de zinc más reactivo, el cual ha sido obtenido mediante la reducción de cianuro de zinc empleando naftaleno o bifenilo como agente acarreador de electrones; esta nueva forma de zinc de Rieke reacciona con los cloruros de alquilo bajo condiciones suaves y con tolerancia a la presencia de ciertos grupos funcionales, tales como nitrilos, y amidas terciarias.6 64 COMPUESTOS ORGANOCOBRE La síntesis de reactivos organocobre para formar diversos compuestos ha tenido un crecimiento enorme en las décadas pasadas. La preparación de estos reactivos organocobre resultaba de la siguientes reacciones: a) El cobre proveniente del material “copper bronce” se hace reaccionar con un yoduro de arilo de forma tal que se sintetiza el compuesto di-arílico,7-9 estas reacciones son llevadas a cabo en tubos sellados a temperaturas entre 100–300°C durante horas o días. b) Mediante la transmetalación de reactivos organometálicos con sales de Cu(I). Algunos ejemplos de compuestos organometálicos utilizados en estas reacciones son: compuestos organolitio y reactivos de Grignard, sin embargo, se presentaba la desventaja de tener límites respecto a los diferentes grupos funcionales. c) Mediante la síntesis de un reactivo metálico cero-valente altamente activo (Cobre de Rieke), esto se lograba haciendo reaccionar el polvo activado de cobre con compuestos haluro orgánicos10-19 mediante reacciones de adición oxidativa directa. Estos polvos metálicos de cobre pueden incorporar grupos funcionales, tales como, alílicos, nitrilos, cloruros, fluoruros, epóxidos y cetonas. BREVE HISTORIA DEL DESARROLLO DEL COBRE DE RIEKE 1.- El método de preparación del cobre de Rieke comenzó con la reducción de sales anhidras de cobre, por ejemplo, yoduro cuproso; las cuales se mezclaban con una cantidad estequiométrica de potasio metálico y 10 % base molar de naftaleno, se dejaba la mezcla en reflujo con DME en condiciones de atmósfera de Argón durante un período de 8-12 h a temperatura ambiente. Después de realizar pruebas se concluyó que el método mencionado producía una especie de cobre mucho más reactiva que el cobre ordinario, pero presentaba la desventaja de no poder trabajar con este polvo de cobre activado a temperaturas lo suficientemente bajas, para producir la reacción de adición oxidativa y formar un compuesto Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Metales activados de Rieke Parte II. Síntesis de Zn*... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al organocobre estable. Otra desventaja era la aglomeración que sufrían las partículas de cobre activado, debido al efecto de la sinterización ocasionada por la falta de agitación y al largo tiempo de estancia, con esta aglomeración de las partículas de metal activo se presentaba una disminución de la reactividad. 2.- Variando el agente reductor, de potasio a litio metálico, se encontró una disminución en el tiempo de preparación, pero el polvo de cobre activo resultó ser relativamente no-reactivo. El método mediante el cual se estandarizó la forma de medir si un polvo metálico activado era más reactivo que otro, fue mediante su capacidad de formar compuestos homoacoplados a partir de compuestos haluro-orgánicos. 3.- Comparado con los demás metales activados por el método de Rieke, el cobre sufre una sinterización, provocando la reducción de reactividad. Aparentemente, debido al excepcionalmente largo tiempo de reducción. 4.- Se encontró que la reacción de reducción de una especie compleja soluble de cobre (I), tal como, complejos de halo fosfinas de cobre (I), complejos de cianuro de cobre – haluro de litio (CuCN-nLiX [X= Cl, Br] ) y de 2-tienilcianocuprato de litio, reaccionando con una cantidad estequiométrica de naftalenuro de litio previamente formado, un disolvente etéreo, a una temperatura ambiente, en condiciones de atmósfera inerte y minimizando el tiempo de reducción, se obtenían especies más reactivas de cobre. Este procedimiento da lugar a una especie de cobre activado que no se aglomera al estar sin agitación. Esta nueva clase de cobre activado puede reaccionar bajo condiciones de adición oxidativa con grupos funcionales tales como haluros alquílicos y arílicos. A continuación se presenta una exploración general de los reactivos que complejan al cobre. LIGANTES FOSFINAS En general, el ligante fosfina con la mayor tendencia donadora de electrones produce el polvo activado de cobre con mayor fuerza para llevar a cabo las reacciones de adición oxidativa, también el compuesto organocobre formado es en general más nucleofílico. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 La serie de reactividad de los ligantes fosfina es el siguiente: P(NMe2)3 > PEt3 > P(CH2NMe2)3 > P(ciclohexilo)3 > PBu3 > PPh3 > ligante “Diphos” > P(OEt)3. Se observan variaciones en los rendimientos de las homoacoplaciones en función del haluro de alquilo, del ligante fosfina, de la temperatura, de la relación entre la cantidad del haluro de alquilo y la de cobre activado y de la forma en la cual el haluro de alquilo se añade al medio de reacción. 2-TIENILCIANOCUPRATO DE LITIO Una alternativa a los ligante fosfina fue la utilización de 2-tienilcianocuprato de litio con lo cual, se demostró que se podía obtener cobre activo de sales de cobre que no contenían al grupo fosfina. Una de las ventajas de utilizar este tipo de reactivos era la fácil purificación y aislamiento del producto. Se pueden preparar compuestos organocobre con grupos funcionales diversos tales como ésteres, nitrilos, cloruros, fluoruros, epóxidos y aminas. CIANURO DE COBRE [CuCN*nLiX (X= Br, Cl)] Al igual que la trifenilfosfina, el cobre activo formado por la reacción de la especie compleja CuCN*nLiX, conduce a bajos rendimientos de productos homoacoplados cuando se emplean los bromuros de alquilo. El cloruro y bromuro de litio produjeron resultados comparables respecto a la activación del cianuro de cobre al emplearse como agentes complejantes; se obtuvieron mejores rendimientos cuando se aplicaron 2 equivalentes de la sal de litio para solubilizar el cianuro de cobre (n=2), se empleó naftalenuro de litio preformado en la síntesis. Se ha encontrado que el cobre activado mediante el ligante fosfina es más reactivo que el correspondiente obtenido del complejo de CuCN*nLiX. Las ventajas del uso de CuCN*nLiX son: a) El CuCN es una fuente estable de Cu(I) que no requiere de purificación y es económico (se ha comprobado que la pureza es importante cuando se involucra el Cu(I) en la formación 65 �Metales activados de Rieke Parte II. Síntesis de Zn*... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al de cobre activo).20,21 b) El aislamiento es fácil y la pureza del producto es más alta que cuando se utilizan los ligante fosfinas fuentes de Cu(I), las sales de litio se remueven fácilmente durante trabajos en medio acuoso. Los polvos de cobre activados obtenidos en base al CuCN, tiene una amplia tolerabilidad a grupos funcionales permitiendo la fácil formación de alcoholes altamente funcionarizados, β,γ-cetonas insaturadas y aminas con excelentes rendimientos. INDIO DE RIEKE Comenzando en los años 70´s, el Indio empezó a tomar importancia en las transformaciones organometálicas. Los primeros en reportar el uso del indio en síntesis orgánica fueron Rieke y colaboradores en 1975.25 Butsugan et. al. investigó el uso de indio en reacciones de alquilación,26 esquema (7), de cetonas y aldehídos con haluros de alilo en disolventes orgánicos y atmósfera inerte: O + UN ANIÓN FORMAL DE COBRE La interacción de 2 equivalentes de naftalenuro de litio con un complejo de cobre (I), produce una especie de cobre altamente reactivo que se comporta químicamente como una disolución de un anión formal de cobre.22, 23 Se cree que una extensión de la investigación en el ramo del cobre cero-valente puede ser la reducción de Cu° a Cu-1 [4s13d10 + e- = 4s23d10] dando un anión de cobre con la “capa cerrada”. Por ejemplo, la reducción de CuI*PPh3 con 2 equivalentes de naftalenuro del litio en THF a 108°C, produce una disolución homogénea. Este tipo de cobre reacciona de igual manera que los anteriormente mencionados, por ejemplo: mediante el mecanismo de adición oxidativa y 1,4 adición conjugada. ALUMINIO DE RIEKE Haciendo referencia a la tabla IIn de la parte I (Ingenierias:VII.26), se describe brevemente el método de reducción de sales anhídras de aluminio. Se encontró que el Aluminio de Rieke ofrece ventajas en la formación de compuestos organometálicos, tales como, los haluros fenilaluminio (Ph3Al2I3), partiendo de yodobenceno y bromobenceno en reflujo con xileno, los resultados obtenidos son de hasta un 100%. Efectuando una comparación con otros investigadores que han tratado de obtener el mismo tipo de reactivos organoaluminio se encuentra lo siguiente: Grosse24 preparó el Ph3Al2I3 haciendo reaccionar rebanadas delgadas de aluminio con yodobenceno a 100°C durante 44 h. Se obtuvieron rendimientos del 84%; el cloro y bromobenceno no reaccionaron bajo estas condiciones. 66 R1 R2 R X R In , DMF R 60-100% R 2 OH 1 (7) Chan y colaboradores demostraron el atractivo de las reacciones de adición de alilindio a compuestos carbonilo llevadas a cabo en agua, sin el uso de atmósfera inerte o disolventes libres de agua.27 Se han reportado varios intentos de preparar reactivos organoindio pero con resultados muy pobres, por ejemplo, Schumb y Crane intentaron hacer reaccionar indio metálico con varios haluros de alquilo sin éxito, solo con yoduro de metileno ocurrió reacción.28 Deacon reportó la reacción de indio metálico con C6F5I,29 Gynane et al. reportó la reacción de bromuros y yoduros de metilo, etilo y propilo con indio metálico.30 Sin embargo, las reacciones son lentas y requieren de 1–5 días para completarse dando mezclas de R2InX y RInX2. La reducción de la sal de indio (InCl3 anhidro) llevadas a cabo con potasio metálico en condiciones de reflujo en xileno conduce a la producción de polvos activos de Indio de Rieke.31 Los disolventes etéreos no funcionan, el tiempo de reducción varia entre 4 y 6 h. NÍQUEL DE RIEKE El procedimiento mediante el cual se obtienen los polvos metálicos reactivos, se llevan a cabo mediante la reacción de una sal anhidra de níquel en DME durante 12 h a temperatura ambiente en presencia de litio metálico y una pequeña cantidad de naftaleno (10%-mol).32-37 El bromobenceno y el yodobenceno reaccionan con el Níquel de Rieke a 85°C para dar el correspondiente producto bifenilo con buenos rendimientos. El níquel de Rieke demostró ser Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Metales activados de Rieke Parte II. Síntesis de Zn*... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al útil en la deshalogenación de dihaluros vecinales, en la conversión de polihaluros bencílicos a las correspondientes oleofinas vía un intermediario dihaluro vecinal y en la homoacoplación de haluros bencílicos a temperatura ambiente entre otros. Ni(DPPE)Cl2 / 0.2 mol-% Br Zn* / THF BrZn Br S -78 °C a R.T. / 4 h HT-HT 1.1 Zn* R R R HT-HT R = Butyl, Hexyl, Octyl, Decyl, Dodecyl and Tetradecyl c HT-HH R TT-HT R S R S S I Regiorandom P3AT HT-HT : HT-HH : TT-HT : HH-TT = 1 :1 :1 :1 S S n S R Regioregular P3AT Ht-HT linkage only n S HT-HT d Pd(PPh3) / 0.2 mol-% S S R HT-HT IZn THF / 0°C - R.T./ 24 h R S S THF, Ar + I S HT-HT R S I Br b a R SÍNTESIS DE POLÍMEROS ESPECIALIZADOS Y NUEVOS MATERIALES La formación de poliarilenos, tales como, parafenilenos (PPP) y politiofenos (PTh), se puede llevar a cabo mediante la reacción de metales activos de Rieke y haluros orgánicos tales como Zinc de Rieke con dihaloarenos o con dihalotiofenos, ver esquema (8). c R R R HH-TT d temp ambiente 30 min (9) THF, Ar Br + Br S 1.1 Zn* BrZn IZn SÍNTESIS DE POLIFENILCARBINOS MEDIANTE Ca*,Sr*,Ba* DE RIEKE Los polifenilcarbinos son los precursores en la producción sintética de los diamantes, se sintetizan, normalmente, como se muestra en la parte superior del esquema 1-10. Br S temp ambiente 20 min I n Pd(0), 0.2 mol-% Reflujo 4 h BrZn Br S S 475-W, 20 kHz ultrasonido n PhCCl3 + 3.0 NaK + 3.0 Na(K)Cl THF (8) n 25% poli(fenilcarbino) Esta reacción se lleva a cabo mediante la inclusión de una pequeña cantidad de un catalizador de Pd(PPh3)3 en una proporción de alrededor de un 0.2 mol.%, las ventajas del uso del Zinc de Rieke son: 1) su selectividad por los dihaloarenos, 2) la utilización de condiciones suaves, 3) el uso de pequeñas cantidades del catalizador y 4) altos rendimientos en la obtención del polímero. Calor 1000° a 1600°C C Ar. 1 atm n Diamante poli(fenilcarbino) M = Ca, Sr, Ba + 2 Li Ar - THF, Argón + MX2 R.T. 1 h M(Ar)2 2 LiX + Ar = bifenilo X = I, Br Ph SÍNTESIS REGIOCONTROLADA DE POLI(3ALQUILTIOFENOS) Las siguientes reacciones de los polímeros que contienen derivados del tiofeno, esquema (9), han sido reportadas. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 Cl Cl C Ph Cl + 1.5 M(Ar)2 M = Ca, 46 % THF, Argón -78°C a reflujo H C H = Sr, 42 % H n Rieke Ca*, Sr* y Ba* = Ba, 42 % poli(fenilcarbino) (10) 67 �Metales activados de Rieke Parte II. Síntesis de Zn*... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al Como se puede observar, en esta reacción es necesario emplear condiciones de agitación ultrasónica, además es necesario trabajar con mezclas de sodio y potasio metálicos en THF, obteniéndose resultados alrededor del 25%. Mediante la reacción entre los metales activos de Rieke (Ca*, Sr*, Ba*) y α,α,α-triclorotolueno en THF, a una temperatura de -78 °C, se lleva a cabo la formación de polifenilcarbino con rendimientos de alrededor del 42-46%, la síntesis no requirió del uso del ultrasonido.38 El tratamiento de los derivados ioduro del ácido glutámico (b) [Boc = Me3CO2C, Bn = bencilo] con cobre de Rieke a –78°C, forma el compuesto funcionalizado alquilcobre (c), α-amino ácido γanión equivalente, el cual reacciona in situ con cloruros ácidos RCOCl (R = Ph, Me, n-C 5H11, ciclopentil, 2-furilo) a –30 °C para dar la cetona (d).45 Ver esquema (11). Me Me R2 USOS DE METALES DE RIEKE EN SÍNTESIS ORGÁNICA Se han realizado estudios sobre el uso de los metales de Rieke en la reducción de compuestos nitroarenos a sus correspondientes compuestos azo,39 utilizando Mg*, Zn* y Al* en una relación molar 1:2 (nitro compuesto: M*); en contraste, los metales Mg, Zn y Al, disponibles comercialmente, resultaron ser inertes frente a la reducción de estos compuestos. En el área farmacológica el uso de los metales de Rieke tiene participación en la preparación de compuestos para el tratamiento de enfermedades como el SIDA.40 El Mn* se utiliza en la preparación de compuestos organomanganeso mediante reacciones de adición oxidativa directa; las reacciones de sulfonatos y fosfatos bencílicos con manganeso de Rieke facilita la formación de estos compuestos, los cuales toman parte en reacciones de “cross-coupling” con una variedad de electrófilos tales como, cloruros ácidos, aldehídos y cetonas.41 El Mn* de Rieke promueve reacciones de haluros alquílicos con electrófilos como cloruros de acilo, aldehídos y cetonas, obteniéndose productos de alquilación, tales como; los N-HaloalquilN-aliltosilamidas son transformados mediante ciclación en derivados pirolidina y piperidina con altos rendimientos.42 A través de la reacción de bromuros alquílicos con Mn* de Rieke, es posible obtener compuestos bromuro organomanganeso bajo condiciones moderadas de síntesis.43 El metal activo Cu* de Rieke reacciona con el 22bromoesteroide (a) para dar lugar al correspondiente cupriosteroido.44 68 CH2R R1 Me R6 Me3CME2SiO R3 R5 R4 a NHBoc I NHBoc Cu CO 2Bn CO2Bn b c O NHBoc R CO2Bn d (11) COMENTARIOS FINALES A partir del material presentado se puede concluir que el uso de los metales de Rieke en la síntesis de nuevos compuestos orgánicos, así como, organometálicos presenta muy buen número de ventajas tales como: 1. Se obtienen compuestos que no pueden ser sintetizados mediante ninguna otra técnica debido a restricciones inherentes a los compuestos con los cuales se está trabajando, por ejemplo; ciertos grupos funcionales son reactivos a los compuestos organolitio de tal forma que es imposible obtener (en el caso específico) a través del proceso de transmetalación ciertos compuestos organozinc. 2. Algunas veces la formación de ciertos compuestos organometálicos se ve afectada, debido a que son Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Metales activados de Rieke Parte II. Síntesis de Zn*... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al sensibles a las temperaturas en las cuales se llevan a cabo las reacciones de síntesis, de tal forma que es imposible formarlos, por ejemplo; la interacción del 3-halofenoxilpropano con reactivos de Grignard a temperatura ambiente o superior provoca la pérdida del grupo fenoxil generando ciclopropano, si el reactivo de Grignard se prepara mediante metales de Rieke se evita que lo anterior ocurra. 3. En general, la activación de los metales a través del método propuesto por Rieke ofrece ciertamente la posibilidad de obtener compuestos organometálicos de muchos de los metales (In, Al, Ni, Ca, Ba, Cu, Sr, Mg, Zn, etc), que de otra forma sería imposible de lograr. 4. El aumento en el rendimiento y la alta selectividad para la síntesis de una gran variedad de compuestos, hace de los metales de Rieke una herramienta de gran utilidad en el campo de la química orgánica y organometálica. 11. Ebert, G. W.; Rieke, R. D. J. Org. Chem. 1988, 53, 4482-4488. 12. Wehmeyer, R. M.; Rieke, R. D. Tetrahedron Lett. 1988, 29, 4513-4516. 13. Wu, T. C.; Rieke, R. D. Tetrahedron Lett. 1988, 29, 6753-6756. 14. Wu, T. C.; Wehmeyer, R. M.; Rieke, R. D. J. Org. Chem. 1987, 52, 5057-5059. 15. Wehmeyer, R. M.; Rieke, R. D. J. Org. Chem. 1987, 52, 5056-5057. 16. Ebert, G. W.; Rieke, R. D. J. Org. Chem. 1984, 49, 5280-5282. 17. Rieke, R. D.; Rhyne, L. D. J. Org. Chem. 1979, 44, 3445-3446. 18. Rieke, R. D.; Kavaliunas, A. V. K.; Rhyne, L. D.; Frazier, D. J. J. Am. Chem. 1979, 101, 246248. 19. Rieke, R. D. CRC Critical Reviews in Suface Chemistry 1991, 1, 131-136; Science 1989, 1260-1264. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo financiero otorgado por la Universidad Autónoma de Nuevo León (Paicyt) y por el CONACYT (Proyecto 39558-Q). 20. Whitesides, G. M.; Fisher, W. F.; SanFilippo, J.; Basche, C. M.; House, H. O. J. Am. Chem. Soc. 1969, 91, 4871-4882. REFERENCIAS 1. Sell, M. S.; Rieke, R. D. Resultados aún no publicados. Mencionado en la referencia15. 2. Xiong, H.; Rieke, R. D. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 4415-4417. 3. Bronk, B. S.; Lippard, S. J.; Danheiser, R. L. Organometallics 1993, 12, 3340-3349. 4. T. Sakamoto, Y. Kondo, N. Murata, H. Yamanaka, Tetrahedron Lett. 1992, 33, 5373-5374. 5. Hanson, M. V.; Brown, J. D. ; Niu, Q. J.; Rieke, R. D. Tetrahedron Lett. 1994, 35, 7205-7208. 6. Hanson, M.; Rieke, R. D. Synth. Commum. 1995, 25, 101-104. 7. Ullman, F. Ann. 1904, 332, 38. 8. Fanta, P. E. Chem. Rev. 1964, 64, 613. 9. Bacon, R. G.; Hill, H. A. Proc. Chem. Soc. 1962, 113. 10. Rieke, R. D.; Wehmeyer, R. M.; Wu, T. C.; Ebert, G. W. Tetrahedron 1989, 45, 443-454. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 21. Lipshutz, B. H.; Whitney, S.; Kozolowski, J. A.; Breneman, C. M. Tetrahedron Lett. 1986, 27, 4273-4276. 22. Stack, D. E.; Klein, W. R.; Rieke, R. D. Tetrahedron Lett. 1993, 34, 3063-3066. 23. Rieke, R. D.; Dawson, B. T.; Stack, D. E.; Stinn, D. E. Synth. Commun. 1990, 20, 2711-2721. 24. Grosse, A. V.; Mavity, J. M. J. Org. Chem. 1940, 5, 106-121. 25. Rieke, R. D.; Chao, L. C. J. Org. Chem. 1975, 40, 2253-3355. 26. S. Araki, N. Katsamura, K. Kawasaki, Y. Butsugan, J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1, 1991, 53, 499-504. 27. T. H. Chan, C. J. Li, Tetrehedron Lett. 1991, 32, 7017-7020. 28. Schumb, W. C.; Crane, H. I. J. Am. Chem. Soc. 1938, 60, 306-308. 29. Deacon, G. B.; Parrot, J. C. Austral. J. Chem. 1971, 24, 1771-1779. 69 �Metales activados de Rieke Parte II. Síntesis de Zn*... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al 30. Gynane, M. J. S.; Waterworth, L. G.; Worrall, I. J. J. Organomet. Chem. 1972, 40, C9-C10. 31. Chao, L. I.; Rieke, R. D. Syn. React. Inorg. Metal-Org. Chem. 1975, 5, 165-173; Syn. React. Inorg. Metal-Org. Chem. 1974, 4, 373-378; J. Org. Chem. 1975, 40, 2253-2255. 32. Inaba, S.; Matsumoto, H.; Rieke, R. D. Tetrahedron Lett. 1998, 23, 4215-4216. 33. Kavaliunas, A. V.; Taylor, A.; Rieke, R. D. Organometallics 1983, 2, 377-383. 34. Matsumoto, H.; Inaba, S.; Rieke, R. D. J. Org. Chem. 1983, 48, 840-843. 35. Inaba, S.; Rieke, R. D. Tetrahedron Lett. 1983, 24, 2451-2452. 36. Inaba, S.; Matsumoto, H.; Rieke, R. D. J. Org, Chem. 1984, 49, 2093-2098. 37. Inaba, S.; Rieke, R. D. Chem. Lett. 1984, 2528; Synthesis, 1984, 842-843; Synthesis, 1984, 844-845; J. Org. Chem. 1985, 50, 1373-1381; Tetrahedron Lett. 1985, 26, 155-156. 38.Rieke, R. D.; Chen, T.-A., Chem. Mater. 1994, 6, 576-577. 39. Sang Hyeun Pyo, Byung Hee Han, Bull. Korean. Chem. Soc., 1995, 16, 181-183. http//www/ kcsnet.or.kr/publi/bul/bu95n2/bu95n2t23.html. 40. Rodgers, J. D.; Johnson, B. L.; Wang, H.. PCT Int. Appl. (2000), 97 pp. US 6,462,037. 41. Kim, S.-H.; Rieke, R. D. J. Org. Chem. (2000), 65(8), 2322-2330. 42. Burkhardt, E. R.; Rieke, R. D. J. Org. Chem. 1985, 50, 416. 43. Kim, S.-H.; Hanson, M. V.; Rieke, R. D. Tetrahedron Letters (1996), 37(13), 2197200. 44. Scherlitz-Hofmann, Ina; Boessneck, Ulrich; Schoenecker, Bruno. Inst. Organische Makromolekulare Chemie. (1996), (2), 21722. 45. Jackson, R. F. W.; Wishart, N.; Wythes, M. J. Dep. Chem., (1993), (3), 219-20. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Simposio Internacional sobre DURABILIDAD DEL CONCRETO en honor al Prof. Dr. Raymundo Rivera 12 y 13 de mayo de 2005 Monterrey, N.L. México. INFORMES Y REGISTRO: Instituto de Ingeniería Civil Departamento de Tecnología del Concreto Tel.: +52 (81) 83 52 49 69 Ext. 156 Fax: +52 (81) 83 76 04 77 E-mail: dtcfic@fic.uanl.mx 70 CANMET Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �2005, el Año Internacional de la Física Sergio Mejía Rosales Facultad de Ciencias Fisico-Matematicas, UANL. smejia@fcfm.uanl.mx “Science is physics, everything else is stamp collecting” Ernest Rutherford La sesión 32 de la Conferencia General de la UNESCO, en octubre de 2003, adoptó una resolución apoyando la iniciativa de declarar al año 2005 como el Año Mundial de la Física (World Year of Physics). En nuestro país, la Sociedad Mexicana de Física, y en general la comunidad científica mexicana, optó por apoyar esta resolución, aunque refiriéndose a la declaración como Año Internacional de la Física (AIF2005), probablemente debido a la connotación socioeconómica que la palabra mundial en ocasiones toma en Latinoamérica. Lo cierto es que 2005 es un año más que apropiado para promover y difundir a la Física, a las áreas de su estudio, a las actividades que la forman y enriquecen, y a los hombres y mujeres que la crean y recrean. Promocional del Año Internacional de la Física 2005. The American Physical Society. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 RAZONES SOBRAN A pesar de que la física forma parte fundamental de la vida del ciudadano común, de que las teorías, descubrimientos y desarrollos de los físicos son puestos a prueba y verificados todos los días en todas las cocinas y oficinas del mundo, a pesar de todo esto, la matrícula de estudiantes de física en el mundo ha decaído dramáticamente en los últimos años. Nadie tiene una explicación completa de por qué sucede esto, aunque muchos sospechamos que no existe una razón única. Es una creencia común entre quienes nos dedicamos a esta ciencia que la declinación en el número de estudiantes de física se debe al menos parcialmente a estrategias ineficientes de enseñanza, a divulgación pobre y hasta equivocada sobre qué es y para qué sirve la física, y a la frustrante falta de interés del establishment administrativo por apoyar a las ciencias exactas, no por apoyarlas en sí, sino como una estrategia de crecimiento basada en un análisis costo-beneficio serio y comprometido (invito al lector a revisar el artículo La academia, de su sentido y cómo perderlo, de Lorenzo Meyer, publicado en el diario Reforma el 10 de febrero de 2005, que analiza con inteligencia la interacción entre administración y academia). Sean cuales sean las causas, esta baja en la matrícula es preocupante, considerando que el amplio abanico de áreas de la física que deben cubrirse para el avance del conocimiento requiere que la formación de recursos humanos sea por lo menos la suficiente para garantizar la continuidad y el desarrollo fluido de las investigaciones. Para dar una idea clara de la diversidad de estos temas de estudio, en la tabla I se muestran las áreas generales del Esquema de Clasificación de Física y Astronomía (PACS, por sus siglas en inglés), utilizado por el 71 �2005, el año internacional de la física / Sergio Mejía Rosales Tabla I. Categorías generales de la física, según el Esquema de Clasificación de Física y Astronomía 2003 (PACS). Adaptado de http://publish.aps.org/PACS/ Categoría PACS Descripción 00 General 10 Física de Partículas Elementales y Campos 20 Física Nuclear 30 Física Atómica y Molecular 40 Electromagnetismo, Optica, Acústica, Transferencia de Calor, Mecánica Clásica, y Dinámica de Fluidos 50 Física de Gases, Plasmas, y Descargas Eléctricas 60 Materia Condensada: Estructura, Propiedades Mecánicas y Térmicas 70 Materia Condensada: Estructura Electrónica, Propiedades Eléctricas, Magnéticas, y Opticas 80 Física Interdisciplinaria y Areas Relacionadas de la Ciencia y la Tecnología 90 Geofísica, Astronomía, y Astrofísica American Institute of Physics para identificar campos y subcampos de la física. Esta problemática es en sí misma una buena razón para declarar un Año Internacional, en el que se organicen y realicen actividades de promoción entre estudiantes, profesores, padres de familia, administradores y empresarios, pero la elección del 2005 en específico para esta declaración tiene otra razón poderosa, una razón más, digamos, festiva. En el 2005 se cumplen 100 años de haberse dado un año que cambió la estructura de la física moderna, y de paso revolucionó la forma en que interpretamos el universo y las cosas que suceden en él. EN QUÉ OCUPAR EL TIEMPO LIBRE EN LA OFICINA DE PATENTES. En 1905, Albert Einstein publicó cinco trabajos científicos, lo que en sí denota una productividad hasta cierto punto inusual. Más inusual aún es que un empleado de oficina de patentes -que es a lo que Einstein se dedicaba en ese tiempo- consiga este número de publicaciones en un año. Aún más raro es que todos estos artículos sean de calidad excepcional. El colmo es que uno de ellos era de un alcance tal 72 que provocó lo que con toda propiedad Thomas Khun llamaría una revolución científica, ganándole a Einstein una fama mundial sin precedentes para un científico, mientras otro de los artículos preparó el camino para la teoría física más exitosa de todos los tiempos: la mecánica cuántica. Estos fueron los trabajos publicados por Einstein en lo que se conoce ahora como su annus mirabilis: • Marzo de 2005. Einstein manda a la revista Annalen der Physik el manuscrito “Sobre un punto de vista heurístico de la emisión y transformación de la luz”. En este artículo analiza las dificultades inherentes a la explicación de fenómenos como la radiación de cuerpo negro por medio de la teoría ondulatoria de la luz, y propone que “… the observations associated with blackbody radiation, fluorescence, the production of cathode rays by ultraviolet light, and other related phenomena connected with the emission or transformation of light are more readily understood if one assumes that the energy of light is discontinuously distributed in space. In accordance with the assumption to be considered here, the energy of a light ray spreading out from a point source is not continuously distributed over an increasing space but consists of a finite number of energy quanta which are localized at points in space, which move without dividing, and which can only be produced and absorbed as complete units.” Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light, traducción al inglés en el American Journal of Physics, v. 33, n. 5, May 1965. • Marzo de 1905. Einstein entrega su disertación doctoral a la Universidad de Zurich después de haber transcurrido algún tiempo de haberla terminado. En el documento, titulado Una Nueva Determinación de las Dimensiones Moleculares, Einstein hace uso de datos experimentales de la difusión de azúcar en soluciones para proporcionar una forma de calcular las dimensiones de las moléculas de azúcar, y obtener una buena aproximación del número de Avogradro. Su trabajo aparecerá al año siguiente en forma de artículo en Annalen der Physik, y generará un enorme número de citas. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �2005, el año internacional de la física / Sergio Mejía Rosales Albert Einstein. Encyclopædia Britannica, 2003. • Mayo de 1905. Annalen der Physik recibe un manuscrito en el que Einstein explica el misterioso movimiento aleatorio de partículas microscópicas inmersas en un fluido (el conocido movimiento Browniano) proponiendo que estos impredecibles desplazamientos, que pueden observarse a través de un simple microscopio óptico de baja potencia, se deben a las interacciones individuales de las partículas microscópicas con las moléculas que forman el líquido en que están suspendidas. Esta teoría de Einstein tiene un éxito casi inmediato, pues, como él mismo documenta en un artículo publicado al año siguiente en la misma revista, “Soon after the appearance of my paper on the movements of particles suspended in liquids demanded by the molecular theory of heat, Siedentopf (of Jena) informed me that he and other physicists-in the first instance, Prof. Gouy (of Lyons)-had been convinced by direct observation that the so-called Brownian motion is caused by the irregular thermal movements of the molecules of the liquid. Not only the qualitative properties of the Brownian motion, but also the order of magnitude of the paths described by the particles correspond completely with the results of the theory.” Investigations on the Theory of Brownian Motion, edición de Dover en 1956 de la traducción publicada originalmente en 1926. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 • Junio de 1905. El título del artículo que Einstein envía a Annalen der Physik en junio, Sobre la Electrodinámica de Cuerpos en Movimiento, no deja ver la tremenda relevancia que tendrá este trabajo en la física moderna. Con este trabajo Einstein sienta las bases de la teoría de la relatividad especial, y provoca una revolución intelectual con sus reinterpretaciones de los conceptos de espacio y de tiempo. Aquí, Einstein propone que las leyes de la física, incluidas las del electromagnetismo y la óptica, deben ser válidas para cualquier sistema de referencia inercial, esto es, deben ser las mismas para cualquier observador moviéndose a alguna velocidad respecto al sistema que se estudie, y los resultados obtenidos por dos observadores en distintos sistemas de referencia deben ser equivalentes. Para tratar esto, escribe Einstein, “We will raise this conjecture (the purport of which will hereafter be called the (“Principle of Relativity”) to the status of a postulate, and also introduce another postulate, which is only apparently irreconcilable with the former, namely, that light is always propagated in empty space with a definite velocity c which is independent of the state of motion of the emitting body. These two postulates su_ce (sic) for the attainment of a simple and consistent theory of the electrodynamics of moving bodies based on Maxwell’s theory for stationary bodies. The introduction of a “luminiferous ether” will prove to be superfluous inasmuch as the view here to be developed will not require an “absolutely stationary space” provided with special properties, nor assign a velocity-vector to a point of the empty space in which electromagnetic processes take place.” On the Electrodynamics of Moving Bodies, traducción al inglés: H. Lorentz, A. Einstein, H. Minkowsky, “The Principle of Relativity,” Methuen, London, (1923) 35. • Septiembre de 1905. Siguiendo el orden de ideas de su artículo anterior, Einstein entrega al Annalen der Physik el documento ¿Depende la inercia de un cuerpo de su contenido energético? Aquí, haciendo uso de las relaciones relativistas, Einstein muestra la relación entre masa inercial y energía en cualquier tipo de materia. Einstein 73 �2005, el año internacional de la física / Sergio Mejía Rosales no sólo fundamenta esta relación entre masa y energía, sino que incluso propone maneras de poner a prueba la teoría (algo que no suelen hacer los megalómanos usuales que tratan constantemente de librar los filtros editoriales y publicar artículos sin sentido que los conviertan en “los nuevos Einsteins”. Invito al lector a informarse sobre la historia del neozelandés Peter Lynds, en, por ejemplo, http://www. museumofhoaxes.com/comments/peterlynds. html). En palabras de Einstein, “The mass of a body is a measure of its energycontent; if the energy changes by L, the mass changes in the same sense by L/9×1020, the energy being measured in ergs, and the mass in grammes. It is not impossible that with bodies whose energy-content is variable to a high degree (e.g. with radium salts) the theory may be successfully put to the test. If the theory corresponds to the facts, radiation conveys inertia between the emitting and absorbing bodies.” Does the Inertia of a Body Depend on its Energy Content?, Traducción al inglés del original aparecido en Ann. d. Phys., 17, 891 (1905). Por separado, cualquiera de estos trabajos es suficiente para poner en la escena mundial de la física a su autor. No pasó demasiado tiempo para que Einstein se convirtiera en un icono científico sin precedentes en la historia, y su trabajo posterior en el desarrollo de la Teoría General de la Relatividad lo convirtió en una figura reconocida por el ciudadano común en cualquier lugar del mundo. CÓMO CELEBRAR EL AÑO INTERNACIONAL Los gobiernos comprometidos con el apoyo a la ciencia y las sociedades de físicos alrededor del mundo se han organizado para apoyar actividades que cumplan con el objetivo que tiene la promulgación de cualquier Año Internacional: difundir el tema que se celebra ante la ciudadanía común, mostrar el impacto social del área que se celebra, y provocar en las nuevas generaciones el gusto por esa área. 74 Tabla II. Asociaciones que mantienen páginas web dedicadas al Año Internacional de la Física. Organización Dirección Descripción APS, AIP http://www. physics2005. org Portal de la APS y el American Institute of Physics. Descripción detallada de eventos, e ideas sobre proyectos para profesores de física. EPS http://www. wyp2005.org Portal de la European Physical Society. Información de actividades, eventos, e imágenes para descargar. SAIP http://www. saip.org.za/ physics2005 Portal del South African Institute of Physics. Eventos y actividades planeadas por los departamentos de física, y foro de discusión. IOP http://www. einsteinyear. org Reseñas biográficas de Einstein y sus trabajos, experimentos, juegos, e información sobre la física en la vida diaria. DPG http://www. dpg-physik. de/wyp2005/ index.html Portal de la Deutsche Physikalische Gesellschaft dedicada al AIF. Información sobre reuniones, simposios, y un tour histórico de la ciencia. SMF, UNAM http://www. smfisica2005. org.mx Portal de la Sociedad Mexicana de Física dedicado al AIF2005. Incluye textos dedicados al tema, escritos por científicos mexicanos. UANL http://www. fcfm.uanl. mx/aif2005. html Información general sobre el AIF2005, y actividades a desarrollar en la UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �2005, el año internacional de la física / Sergio Mejía Rosales estudiantes de física y áreas relacionadas participan activamente. En México, la Sociedad Mexicana de Física (SMF), con el apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y el liderato del Instituto de Física de la UNAM, transmite conferencias a través de la red de Internet2 que versan sobre distintos temas de la física moderna, y en febrero pasado se llevó a cabo un evento de gran magnitud en el Auditorio Nacional, en la Ciudad de México, con la participación de reconocidos personajes científicos, políticos, y del mundo del espectáculo (y de políticos que en ocasiones parecen formar parte del gremio del entretenimiento), que marcó el inicio de actividades a nivel nacional en estas celebraciones. Mucha de la información sobre estas organizaciones y los eventos que promueven está disponible en línea; en la tabla II se encontrarán algunas direcciones electrónicas dedicadas al Año Internacional de la Física. Manuscrito en alemán de un artículo publicado en inglés . El problema más urgente de nuestro como tiempo, en Science Illustrated, 1946. Documento 148 de los Einstein Archives Online, en http://www. alberteinstein.info/. Así, la American Physical Society (APS) en los Estados Unidos organiza conferencias magistrales, talleres, pláticas de divulgación en escuelas secundarias y preparatorias, ediciones especiales de libros sobre física, sobre la labor de los físicos, y sobre la vida y obra de Einstein. En Europa, el IOP (Institute of Physics), con iniciativa de la sociedad alemana de físicos, organiza actividades de esta misma índole (el número de enero de 2005 de Physics World, su principal instrumento de difusión, es una edición especial sobre Einstein). Sudáfrica y Nueva Zelanda, a través de sus organizaciones nacionales, llevan a cabo eventos en donde jóvenes Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 LA UANL EN EL AIF2005 La Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, que alberga los programas de licenciatura y posgrado en Física en la UANL, planea la organización de diversas actividades enfocadas a celebrar y difundir el AIF2005. Los estudiantes y profesores de física en la FCFM son un componente fundamental de esta celebración, y han puesto al alcance del público una página electrónica en la que se puede encontrar información sobre el Año Internacional, sus objetivos, ligas a sitios de interés, y la descripción de los eventos que organizan. La dirección de esta página, que está en constante renovación, es http://www.fcfm.uanl.mx/aif2005.html . Como la difusión de la física entre los jóvenes es uno de los elementos básicos que justifican el establecimiento del AIF2005, es deseable que profesores de enseñanza básica, secundaria y preparatoria se aproximen a estos esfuerzos y contribuyan con ideas, organización, y entusiasmo, para hacer más accesible a jóvenes curiosos y promisorios el estudio de un área fascinante y de tremendo impacto en el mundo y las sociedades que lo hacen funcionar. 75 �Eventos y reconocimientos DOCTORADO EN INGENIERÍA EN COTUTELA MÉXICO-FRANCIA El pasado día 7 de febrero de 2004 tuvo lugar en la FIME el primer examen, en el área de las ingenierías de la UANL, que fuese calificado por un jurado internacional, bajo un convenio de cotutela entre la Universidad Autónoma de Nuevo León y la Universidad Paul Sabatier (UPS), en Francia, el cual establece que un alumno del programa de Doctorado de FIME, bajo la asesoría de un profesor de la UANL y un profesor de la UPS, dentro del contexto de un proyecto de colaboración ya establecido, puede recibir el doctorado por parte de ambas instituciones. El proyecto que sirvió de marco a este convenio fue aprobado por el Comité de Evaluación de la Cooperación Científica (ECOS), por parte de Francia, y por la Asociación Nacional de Universidades e Instituciones de Educación Superior (ANUIES), en México. El primer titulado bajo este esquema fue el M.C. Zarel Valdez Nava, quien con la tesis “Sinterización de manganitas Ni-Fe empleando microondas como fuente de energía” obtuvó su título doctoral. El jurado del examen estuvo conformado por su presidente, el Dr. Juan Antonio Aguilar Garib (asesor en la UANL), su secretario, el Dr. Moisés Hinojosa Rivera (co-asesor en la UANL) y sus vocales el Prof. Bernard Durand (asesor en la UPS), el Dr. Ubaldo Ortiz Méndez (co-asesor en la UANL), y la Dra. 76 Sophie Guillemet (co-asesora en la UPS). El veredicto del jurado fue otorgarle el grado de doctor por ambas Universidades, con las menciones Très Honorable y Summa Cum Laude. Además de la presencia del Dr. Ortiz, quien es el Secretario Académico de la UANL, se tuvo el honor de tener como testigos durante el evento al Dr. Carlos Guerrero Salazar (Director de Posgrado de la UANL), el Ing. Rogelio G. Garza Rivera (Director de la FIME) y el Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez (Subdirector de Posgrado de la FIME). El Dr. Zarel Valdez Nava acompañado del jurado de su examen doctoral y el Director de la FIME. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Dr. Zarel Valdez Nava Ingeniero Mecánico Metalúrgico (1999, Premio a Mejor Tesis de Licenciatura UANL) y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2001, Premio a Mejor Tesis de Maestría UANL) por la UANL. Título obtenido: Doctor en Ingeniería de Materiales otorgado en cotutela por la UANL y la Universidad Paul Sabatier en Toulouse, Francia. Nombre de la tesis: Sinterización de manganitas NiFe empleando microondas como fuente de energía. Fecha de examen: 7 de febrero de 2005. Asesores: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib (México), Prof. Bernard Durand (Francia). Resumen: Las microondas como método de calentamiento han sido ampliamente utilizadas en la síntesis y procesamiento de los materiales. Uno de los aspectos que no se han comprendido completamente son los “efectos microondas”. Éstos atribuyen a las microondas un poder catalítico y acelerador sobre las reacciones fisicoquímicas, aún y cuando no existen bases físicas sólidas para justificar dichos efectos. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 El objetivo consiste en determinar la interacción de los materiales cerámicos semiconductores y las microondas como método de procesamiento. Para dar luz sobre los posibles “efectos microondas”, como los anisotérmicos, se sinterizaron las manganitas Ni-Fe convencionalmente y mediante microondas. Se siguió un calentamiento cuasilibre por microondas, para identificar posibles efectos anisotérmicos, que se puedan derivar de la presencia de Fe en las manganitas Ni-Fe. Además, se comparó la reproducibilidad tanto de los resultados del procesamiento con microondas y como en el procesamiento convencional. Se propone un posible mecanismo de absorción de microondas para los materiales cerámicos semiconductores y se sientan las bases teóricoexperimentales para probar dicho mecanismo. Se encontró que las microondas no aportan un “efecto microondas” a la reacción de sinterización, para el caso de las sinterización de las manganitas Ni-Fe. Al contrario, se identificó un estado termodinámico de transición que permite descartar una contribución anisotérmica del Fe durante la sinterización. Lo que significa que la cinética y la termodinámica clásicas rigen las reacciones, inclusive durante la exposición a las microondas, solamente hay que identificar los estados termodinámicos y los mecanismos de reacción. El presente trabajo constituye una contribución que permite entender los mecanismos fisicoquímicos que ocurren durante la sinterización de las manganitas Ni-Fe al emplear microondas como fuente de energía. 77 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Septiembre-Noviembre 2004 Tomas F. León Treviño, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Toma de decisiones en la adquisición y operación de activos fijo en una empresa de manufactura”, 7 de diciembre de 2004. José Juan Oropeza Salas, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Análisis de asimilación individual ante los sistemas ISO 9000”, 9 de diciembre de 2004. Cesar González Cervantes, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Electrónica “Modelado y simulación de técnicas de conformación de haz para antenas inteligentes”, 9 de diciembre de 2004. Claudia Elizabeth Amaro Cortez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Desarrollo de refractarios azs (alumina-zirconia-silice) utilizando bauxita y zircon como materias primas”, 16 de diciembre de 2004. Ángel Rolando Rivas Velásquez, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Automatización, “Análisis y optimización del control y operación de la máquina de control numérico computarizado EMCO PC MILL”, 17 de diciembre de 2004. Rolando F. Campos Rodríguez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Diseño de un material acústico para construcción”, 13 de enero de 2005. Luis Alberto Vela de la Fuente, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Análisis y mejoramiento del sistema de calidad en productos eléctricos universales de Matamoros”, 14 de enero de 2005. Rumualdo Maldonado Villegas, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Evaluación y control efectivo en los 78 proyectos de reducción de costos a través de las estadísticas aplicada en productos eléctricos de Matamoros”, 14 de enero de 2005. Ivan Isaul Mijarez Contreras, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Aplicación de análisis de componente principal en la detección de fallas en transformadores”, 7 de febrero de 2005. Humberto Javier Flores Villarreal, M.C. Administración con especialidad en Sistemas, “Operación eficiente de sistemas de transporte de gas natural mediante el metodo degradiente reducido generalizado”, 7 de febrero de 2005. Catarino Eliud Cantu Pérez, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Tolerancia al efecto de impedancia de falla en relevadores de distancia”, 11 de febrero de 2005. Luis Alberto Moya Salazar, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Soldabilidad de aceros if termogalvanizados para aplicaciones automotrices”, 14 de febrero de 2005. Carlos A. Martínez García, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Telecomunicaciones, “Domotica, análisis y aplicación residencial”, 15 de febrero de 2005. Dione Anabeli Fernández Carvajal, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Soldadura de aceros complejos termogalvanizados”, 16 de febrero de 2005. Alfredo Jacobo Navarro Zavala, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Telecomunicaciones, “Soluciones con redes inalámbricas en la industria automotriz”, 28 de febrero de 2005. Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Acuse de recibo Revista JMPEE Revista REMETALLICA El Journal of the Microwave Power and Electromagnetic Energy es una publicación tetramestral del International Microwave Power Institute que reúne las tendencias más recientes en el campo de aplicación de las microondas en diferentes procesos. Su propósito es la difusión de artículos originales que contribuyan significativamente al entendimiento de la teoría y aplicación de calentamiento mediante microondas y radiofrecuencia. También presenta artículos teóricos que están orientados a explicar y desarrollar conceptos nuevos que puedan ser probados exprimentalmente. Lo que hace más interesante a esta revista es que cubre aspectos industriales que incluyen procesamiento de cerámicos y polímeros, aplicaciones biomédicas, así como en alimentos que han sido uno de los usos más tradicionales. Más informes en http://www.impi.org Esta es una publicación mensual del Departamento de Metalurgia de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Santiago de Chile. Esta revista presenta artículos dedicados a la metalurgía con el enfoque de las publicaciones internacionales ya que ya que presenta desde aspectos científicos hasta aplicaciones de interés general sin perder su orientación. En el número publicado en junio 2004, se describe como la necesidad de aumentar la producción de barcos durante la segunda guerra mundial dio como resultado un nuevo procedimiento de ensamble que sustituyó a los remaches y desarrolló la soldadura, logrando reducir el tiempo de fabricación de meses a días. También se explica la solución que en su época se dio a esta al problema de fragilidad de la soldadura en ambientes artícos. Aunque la revista está dirigida a los metalúrgicos, sin duda otros profesionistas la encontrarán interesante. (JAAG) Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 (JAAG) 79 �Colaboradores Díaz Ortiz, Luis Gerardo Actualmente cursa la carrera de Ingeniero Mecánico Administrador en la FIME-UANL. Pública y en la docencia universitaria. Es autor del libro “Administración Pública Contemporánea” (1998). Fernández Columbié, Tomás Ingeniero en Construcción de Maquinarias (Instituto Superior Pedagógico “Frank País García”, Cuba, 1992). Profesor investigador del Instituto Superior Minero Metalúrgico, en Cuba. Desarrolla investigaciones relacionadas con el secado y transporte de materiales. Guerrero Salazar, Carlos A. Ingeniero Químico (1976) y Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería Química (1982) por la UANL. Ph. D. en Ingeniería Química por la Escuela Politécnica de Montreal en 1986. Desde 1987 es profesor del Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. Desde 2004 es Director General de Estudios de Posgrado de la UANL. Es Miembro de la Academia Mexicana de Ciencias, miembro del SNI, Nivel 1. Ganó el Premio de Investigación UANL en 1999 y 2000, y el Premio a la Mejor Tesis de Maestría UANL en 1997 y 1999. García Flores, Rodolfo Ingeniero químico egresado de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México y doctor por la Universidad de Leeds (Reino Unido), con especialidad en Inteligencia Artificial aplicada a la toma de decisiones. Sus áreas de interés incluyen inteligencia artificial, minería de datos y optimización. Garza Rodríguez, Luis Ángel Ingeniero Químico Ambiental y Maestro en Ciencias Químicas con orientación en Inorgánica por la UANL. Ha laborado en las empresas CYDSA y SINPROTEC. Kharisov, Boris I. Estudió Radioquímica y Química Inorgánica en la Universidad Estatal de Moscú, Rusia, donde obtuvo su grado de doctor. Hasta 1989 trabajó en el Instituto de Tecnología Química en Moscú en el área de Radioquímica Aplicada. Desde 1994 labora en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Es autor de más de 25 artículos científicos publicados en revistas tanto del país como del extranjero. Gómez Díaz de León, Carlos Licenciado en Ciencias Políticas y Administración Pública de la Facultad de Ciencias Políticas y Sociales de la UNAM. Maestrías en Derecho de Empresas Públicas y Estudios Políticos Comparativos en el Instituto Internacional de Administración Pública de París, Francia. Doctorado de Tercer Ciclo en Derecho Público en la Universidad de París XI Sceaux en 1986. Desde 1979 ha laborado en la Administración Loverde, Lorin Profesor de la University of Phoenix, Director de Programas de Posgrado en la Spenta University, asociado en el Centro de Administración de Conocimiento del ITESM, consultor de negocios y autor. Tiene dos títulos por la licenciatura University of Wisconsin en Madison. Maestría por la San Francisco State University. Pasante de doctorado en la Columbia University, New York. 80 Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �Colaboradores Martínez Vega, Juan Jorge Licenciatura en Física (1982 FCFM-UANL). Maestría (1983) y Doctorado en Ciencias de Materiales (1986) por la Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechinique, Pointiers, Francia. Es profesor investigador con habilitación y Coordinador General de la Comisión de Relaciones Internacionales en la Universidad Paul Sabatier en Toulouse, Francia. Es miembro de 6 comités de revistas científicas internacionales. Mejía Rosales, Sergio Ingeniero Físico Industrial por el ITESM. Maestría y Doctorado en Ciencias (Física) en el Instituto de Física de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Asociado posdoctoral en la Universidad de Houston del 2000 al 2002. Profesor de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL desde 2003. Miembro del SNI desde el 2004. Morales Velázquez, Cesáreo Psicólogo por la UNAM, Maestría en Educación Computacional y Sistemas Cognitivos de la Universidad de North Texas, y actualmente candidato a doctor por la misma universidad. Es investigador del Institute for the Integration of Technology into Teaching and Learning de la Universidad de North Texas. Su área de interés es el impacto de la tecnología en los procesos de enseñanza-aprendizaje. Ortiz Méndez, Ubaldo Egresado de la Facultad de Ciencias FísicoMatemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencias de Materiales en la Universidad Claude Bernard de Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de la FIME-UANL, miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y miembro del SNI nivel I. Actualmente es Secretario Académico de la UANL. Pacheco Leal, Samuel David Es Ingeniero Industrial Administrador de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y actualmente estudia la Maestría de Ingeniería en Sistemas. Reyes de la Cruz, Jorge Luís Ingeniero Mecánico (Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, cuba, 1994). Profesor Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 investigador del departamento de Ingeniería Mecánica.Especialista en transporte de fluidos y explotación técnica. Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales en la FIME-UANL. Doctorado en Ingeniería de Materiales en la Université Paul Sabatier de Toulouse, Francia, en el 2004. Ganador de la Mejor Tesis de Maestría UANL 1999 y del Premio de Investigación UANL 1999. Es catedrático investigador en la FIME-UANL. Ríos Mercado, Roger Z. Licenciado en Matemáticas de la UANL. Doctor y Maestro en Ciencias en Investigación de Operaciones e Ingeniería Industrial por la Universidad de Texas en Austin. Actualmentees Profesor del Programa de Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la FIMEUANL. Sus áreas de interes son investigación de operaciones, desarrollo de heurísticas y técnicas de optimización exacta, con aplicación a problemas de toma de decisiones. Más sobre su trabajo en: http:// yalma.fime.uanl.mx/~roger/ Torres Tamayo, Enrique Ingeniero Mecánico (1993), Master en Electromecánica (2001) y Doctor en Ciencias Técnicas por el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, Cuba, donde es Profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica y Jefe de la carrera de Ingeniería Mecánica. Especialista en transferencia de calor, termodinámica aplicada y mecánica de fluidos. Tomacén Gámez, Tania Odaysis Licenciada (Centro pedagógico José de la Luz y Caballero, Holguín, 1994). Especialista en Ciencia de la Educación. Desarrolla investigación en impacto ambiental. Villalobos Morales, Yanet Ingeniera Mecánico Administrador y Maestra en Ciencias en Ingenieria de Sistemas por la FIMEUANL. Actualmente es maestra de la FIME. Ha participado como ponente en varios eventos y ha publicado en revistas nacionales y extranjeras. 81 �Información para colaboradores Se invita a profesores e investigadores de las diferentes áreas de la ingeniería a colaborar en la Revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes, convocatorias, etc. Es requisito indispensable que las colaboraciones estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. No deberán estar redactadas en primera persona. Solamente se aceptarán trabajos en inglés de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos serán sujetos a arbitraje tipo doble anónimo siendo inapelable el veredicto de los revisores. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la FIME-UANL LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras y carta de cesión de derechos, en formato electrónico .doc de Word, en disquete, CD o por E-mail a las direcciones: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx jaguilar@gama.fime.uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por 82 artículo es cuatro. La extensión de los artículos no deberá exceder de 8 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como inglés. Las referencias irán numeradas en el orden que fueron citadas en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, en formato jpg, con 300 dpi y con al menos 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales. Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4020 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, No. 27 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2005 Volumen Volumen de la revista 8 Número Número de la revista 27 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2005, Vol 8, No 27, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2005 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020790 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Compresor centrífugo Metales de Rieke Mineral laterítico Naïve Bayes Viscoelasticidad https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20749/Ingenierias_2005_Vol_8_No_26_Enero-Marzo.pdf a6303e1350849d483c8cf64a7ab30a4b PDF Text Text �Editorial: La enseñanza de la ciencia en México Pablo Valdez Ramírez Facultad de Psicología, UANL pavaldez@ccr.dsi.uanl.mx Pablo Valdez Ramírez La ciencia implica un conjunto organizado de conocimientos (hipótesis, teorías, leyes), la generación de los mismos y los métodos que se usan para obtenerlos. La ciencia se dedica a producir conocimientos nuevos, los cuales en sí mismos son valiosos. Es útil entender las propiedades de la materia, cómo funcionan los seres vivos, cómo funciona el cerebro humano, cómo interactúan diferentes especies o cómo se establece la comunicación entre las personas en el medio social. Además, algunos conocimientos nuevos permiten elaborar productos diferentes, mejorar los que ya se tenían, tener mejores sistemas de producción industrial, aumentar la producción de alimentos, desarrollar aplicaciones para mejorar la salud (vacunas, medicamentos, instrumentos de diagnóstico y tratamiento), estos son sólo algunos ejemplos, una lista que incluyese todas las aplicaciones posibles sería enorme. En las naciones industrializadas (Estados Unidos de Norteamérica, Francia, Alemania y otras) la ciencia ocupa un papel importante como actividad que promueve el desarrollo económico, tecnológico e industrial. En esos países se dedica una gran cantidad de recursos para promover la investigación científica y la formación del personal indispensable para sostener esta actividad. El apoyo que se otorga a la ciencia en nuestro país es muy limitado, lo que favorece la dependencia académica, tecnológica y económica. Para promover el desarrollo de la ciencia se requieren recursos económicos, pero no basta con adquirir equipo moderno y sofisticado, no basta con tener instalaciones amplias y funcionales, ni con dinero para adquirir los materiales; se requiere personal de alto nivel que lleve a cabo esta actividad: los científicos. Un científico no se puede improvisar, no se puede pedir a un técnico o a un profesionista que lleven a cabo proyectos de investigación. Durante su formación, el científico adquiere los conocimientos acerca de su campo, las teorías y los métodos que se usan para generar conocimiento nuevo. Su formación también implica adquirir una serie de actitudes y reglas de comportamiento que se conocen como cultura científica. Esto incluye normas éticas (universalidad, comunalismo, desinterés y escepticismo organizado), reglas de pertenencia al grupo (originalidad, productividad, calidad y planteamiento de datos o teorías convincentes), así como un estilo de trabajo (constancia, persistencia, planeación, disciplina, ser autodidacta, aceptar la crítica, tener resistencia al fracaso). Se ha encontrado que existen tres factores cruciales en la formación de los científicos: el contacto directo con la ciencia, el contacto con los investigadores y las condiciones en que se realiza la ciencia. Generalmente los estudios de posgrado Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 3 �Editorial / Pablo Valdez Ramírez constituyen la oportunidad para entrar en contacto con la ciencia, pero algunos alumnos se involucran en actividades de investigación antes de entrar al doctorado. En un estudio con investigadores y estudiantes de posgrado de la UANL se encontró que publicaban su primer trabajo científico cuando estaban cursando la licenciatura, con gran frecuencia este trabajo era la tesis de licenciatura. Tanto en investigadores, como en estudiantes de posgrado, participar en investigación desde la licenciatura fue un factor muy importante para la decisión de seguir los estudios de posgrado. El tutor o asesor de tesis juega un papel fundamental en la formación del científico. El aprendiz tiene en el asesor un modelo, quien lo guía, le enseña la teoría, la forma de plantear y enfrentar problemas, de proponer hipótesis, el método, las técnicas, a redactar en el estilo de la ciencia, a comunicarse con otros científicos, le corrige errores. El alumno aprende de su tutor o asesor tanto la forma de realizar ciencia, como una actitud científica. El ambiente de trabajo en que se inserta el alumno es fundamental para su desarrollo. Esto se refiere a un sitio donde: se valora la ciencia, se realiza ciencia de calidad, trabajan científicos reconocidos, se cuenta con los recursos necesarios para investigar, no existen cargas administrativas o burocráticas excesivas, se cuenta con bibliografía actualizada, existen redes de comunicación entre los científicos que trabajan en ese sitio, se cuenta con los medios para interactuar con otros científicos, tanto del país como de cualquier parte del mundo. Los programas de posgrado en las universidades tienen como objetivo formar científicos (especialmente el doctorado). Sin embargo, es necesario hacer explícitos los factores que pueden promover la formación del científico, no basta un programa de doctorado. Mencionamos antes que la formación empieza antes de entrar al doctorado, cuando el alumno participa en proyectos de investigación, asesorado por un científico. Esto incluso puede determinar que el alumno siga una carrera científica. Puede ocurrir que un programa de doctorado o un instituto de investigación ya no permitan que los alumnos de la licenciatura entren en contacto con la ciencia, con lo que se perdería la oportunidad de iniciarlos en la carrera científica. A nivel de la licenciatura también sería conveniente difundir la ciencia. Se pueden promover cambios en los programas académicos de tal forma que los contenidos y prácticas no se presenten como conocimientos fijos, terminados, sino como conocimientos y teorías en proceso de cambio y análisis científico. Se puede promover que los alumnos lean no sólo libros de texto, sino revistas de investigación. Es muy importante también promover la edición y uso de revistas de investigación y de difusión de la ciencia. Editar una revista implica un esfuerzo enorme de una gran cantidad de personas, es imprescindible que se usen, que no queden archivadas en la biblioteca, como constancia de la actividad de un grupo de académicos o como motivo de ostentación de un departamento. Es muy importante promover una cultura científica en el medio social. Asombra escuchar que las personas compran productos sin valor o pretendidos remedios para la salud, que no resistirían un cuestionamiento científico elemental. Por ejemplo: mucha gente usa cristales de cuarzo para curar todo tipo de enfermedades. En los periódicos y revistas se publican anuncios, “estudios” o “datos” que la gente acepta sin darse cuenta que no tienen fundamento científico, a veces incluso se presentan con técnicas estadísticas usadas de forma inapropiada. Desconcierta también escuchar a gobernantes y políticos que apoyan proyectos o programas aplicados que carecen de bases científicas. La mayor parte de la 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Editorial / Pablo Valdez Ramírez población en México tiene una imagen distorsionada de la ciencia y de los científicos. Frecuentemente se concibe a la ciencia como una actividad de laboratorio, totalmente alejada de la existencia cotidiana y de los problemas del mundo. Es necesario que la gente conozca la forma en que se trabaja en la ciencia, los descubrimientos que se han obtenido y las posibles aplicaciones de estos conocimientos a problemas prácticos. Esto se puede lograr a través de la difusión sencilla, clara y objetiva de la cultura científica en los medios de comunicación (prensa, radio, televisión), así como entre los maestros de primaria, secundaria y preparatoria, quienes pueden transmitirla a sus alumnos. En síntesis, para promover el desarrollo de la ciencia en México se requiere: mayor apoyo económico, formar científicos por medio del contacto directo de los estudiantes con la ciencia, tanto en el posgrado como en todos los niveles educativos, además es importante difundir una cultura científica en el medio social. BIBLIOGRAFÍA 1. Benitez, B., L. (1994). La formación del científico: espejismos y realidades. Ciencia, 45, 35-41. 2. Bhattacharjee, Y. (2004). Mexico: Government Uses Carrot, Stick to Retain Graduate Students. Science, 305, 1091. 3. Cereijido, M. (1994). Ciencia sin seso, locura doble. México: Siglo XXI. 4. Fortes, J. y Lomnitz, L. (1991). La formación del científico en México. México: Siglo XXI. 5. Maddox, J. y Gee, H. (1994). Science in Mexico: Mexico’s bid to join the world. Nature, 368, 789-804. 6. Valdez, P. (1996). Factores que intervienen en la formación del científico. Ciencia, 47, 25-38. 7. Valdez, P. (Marzo, 2000). Informe técnico: “Papel del contacto con la ciencia en la formación del estudiante universitario como investigador científico”. Proyecto PAICYT 1999, clave DS257-99. 8. Ziman, J. (1985). Enseñanza y aprendizaje sobre la ciencia y la sociedad. México: Fondo de Cultura Económica. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 5 �Geometría de fronteras inter-cristalinas: Un modelo alternativo Francisco Javier Garza Méndez División de Ingeniería Mecánica, FIME-UANL. fjgarza@gama.fime.uanl.mx Miguel Ángel Pinales Reyes Facultad Ciencias Químicas-UANL fcq_pinales@hotmail.com Virgilio González González, Moisés Hinojosa Rivera Doctorado en Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL vigonzal@ccr.dsi.uanl.mx hinojosa@gama.fime.uanl.mx RESUMEN Se propone un modelo de nucleación y crecimiento de granos y esferulitas durante la solidificación. El modelo fundamentado en consideraciones puramente geométricas y cinéticas, (no energéticas), ofrece una explicación alternativa a la curvatura de las fronteras inter-cristalinas, la cual permite además el cálculo de la razón entre la rapidez de nucleación y la de crecimiento. El modelo se aplica exitosamente a la cristalización isotérmica del polipropileno a 135 °C. PALABRAS CLAVE Cinética de Cristalización, Nucleación, Geometría, Avrami. ABSTRACT A model of nucleation and growth of grains and spherulites during solidification is proposed. The model, based on purely geometric and kinetic considerations, (not energetic ones), offers an alternative explanation to the curvature of the inter-crystalline boundaries, which in addition allows to calculate the ratio between the nucleation and growth rates. The model was successfully applied to the isothermal crystallization of polypropylene at 135 °C. KEYWORDS Cristallization kinetics, nucleation, geometry, avrami. INTRODUCCIÓN Indiscutiblemente las propiedades de los materiales están fuertemente influenciadas por la morfología microestructural. En los materiales cerámicos y metálicos son de particular relevancia la forma y tamaño de las dendritas y granos, mientras que en los materiales poliméricos están entre las principales características de la microestructura. Estas características morfológicas son determinadas por las condiciones de solidificación o cristalización y las variables cinéticas y termodinámicas involucradas en su formación. 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Geometría de fronteras inter-cristalinas: Un modelo alternativo / Francisco Javier Garza Méndez, et al En un esfuerzo por comprender mejor el efecto de las condiciones de cristalización sobre la morfología cristalina de los materiales, se han desarrollado modelos de nucleación y crecimiento1, 2 unidimensional y se han iniciado los bidimensionales correspondientes, donde encontramos la imposibilidad de simular la geometría interesferulítica (o intergranular), en condiciones de nucleación homogénea, este hecho nos movió a hacer un análisis geométrico-dinámico concienzudo, que nos llevó a identificar el carácter hiperbólico de las fronteras interesferulíticas (o intergranulares) y su relación con los parámetros cinéticos de rapidez de crecimiento y rapidez de nucleación. Este descubrimiento se reporta por primera vez en este artículo. ANTECEDENTES El estudio de la cinética de solidificación de materiales se fundamenta en la ecuación de Avrami-Jonson-Mehl,3-5 (ecuación 1), donde φ(t) es la fracción volumen de material cristalizado al tiempo “t”, “k” es la constante de velocidad y “n” el llamado exponente de Avrami que puede tomar valores enteros entre 1 y 4 de acuerdo a la dimensionalidad del crecimiento y el carácter homogéneo o heterogéneo de la nucleación. ln(1 − φ (t ) )= −kt n (1) Esta es una ecuación semiempírica basada en un tratamiento geométrico-estadístico y cuya aplicación a resultados experimentales, solamente mediante dudosos redondeos resulta en valores de “n” realmente enteros y con variaciones muchas veces no explicados para un mismo material (para el polipropileno se han determinado valores6 de “n” desde 2 hasta 4). Por otra parte, desde el punto de vista geométrico, considerando restricciones de geometría resueltas en 1887 por Lord Kelvin,7 así como energéticas, C. S. Smith ha propuesto8,9 el tetracaidecaedro (figura 1) como grano tridimensional promedio. Sin embargo, él mismo reconoce que experimentalmente no se ha observado, por lo que la propuesta es reducida a indicar que el grano promedio debe de tener 5.143 bordes por cara.8 Además se ha postulado10 que la curvatura observada en los límites de grano se debe a que el ángulo diedro (formado por las aristas Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 Fig. 1. El tetracaidecaedro y su agrupamiento para cubrir todo el espacio. de tres granos en el punto triple), debe ser, bajo consideraciones energéticas, de 120°. NUESTRO MODELO El modelo que aquí se plantea es geométrico con consideraciones cinéticas del fenómeno de nucleación y crecimiento, que para su más fácil manejo matemático, se restringe inicialmente a dos dimensiones. Partimos de las siguientes suposiciones: a) Bajo condiciones de cristalización, la formación de los núcleos iniciales (embriones), obedece en tiempo y espacio a fluctuaciones termodinámicas en la muestra, por lo que estos se forman en posiciones al azar. b) Los núcleos termodinámicamente estables a una temperatura dada (Tc), crecen con rapidez constante. c) El crecimiento de los cristales es isotrópico, formando círculos cuyo radio (r), crece uniformemente. d) La rapidez de difusión de los núcleos en el medio es despreciable en relación al tiempo total de cristalización y e) La frontera intergranular o interesferulítica, en el caso de los polímeros, se forma por el impedimento de crecimiento al encontrarse dos cristales en crecimiento. Con estas suposiciones, reducimos el problema a encontrar la geometría del frente de choque de dos círculos (N1 y N2) situados equidistantes al origen de los ejes cartesianos y que crecen uniformemente 7 �Geometría de fronteras inter-cristalinas: Un modelo alternativo / Francisco Javier Garza Méndez, et al (figura 2) y que se formaron en diferentes tiempos (t1 y t2). Con este esquema, se plantean las dos ecuaciones para los círculos (ecuación 2 y 3) y las dos ecuaciones de crecimiento de los radios (ecuación 4 y 5). (2) ser de magnitud 0 < V < x1, entonces ε tiene que ser forzosamente mayor que cero, por lo que la ecuación 7, la cual representa la frontera formada, es necesariamente una hipérbola. La figura 3, muestra gráficamente la hipérbola resultante de suponer: x1 = 1, t1 = 1, t2 = 0.5 y Gr = 1. (3) (4) (5) Donde Gr es la rapidez de crecimiento, común a ambos núcleos. Haciendo simultáneas con las ecuaciones 1 y 2, resulta: ( ) 4 x1 x − r12 − r22 = 0 (6) Substituyendo las ecuaciones 4 y 5 en 6, éstas a su vez en la ecuación 2, haciendo operaciones y reordenándolas queda: Fig. 3. Frontera hiperbólica resultante de suponer x1=1, t1=1, t2=0.5 y Gr=1. (V,0) son las coordenadas del vértice de la hipérbola. (9) Y ya que V representa el vértice de la cónica y éste, desde el punto de vista físico, tiene que En el caso particular de que los tiempos de formación de los núcleos estables sean iguales (t1 = t2), de la ecuación 6, se llega a la conclusión de que la frontera es una línea recta perpendicular al eje x y que pasa por el origen, (x = 0). De aquí que podemos decir que bajo las suposiciones aquí planeadas, las fronteras intergranulares (o interesferulíticas) son hipérbolas cuya excentricidad aumenta al incrementarse la diferencia en tiempo de formación de los núcleos y tiende a ser una recta cuando la diferencia de tiempos de formación tiende a cero. Fig. 2. Dos círculos (N1, N2), equidistantes al origen con crecimiento uniforme (x1, distancia al origen, ri los radios respectivos). EXPERIMENTO Materiales: Se utilizó polipropileno (i-PP), grado extrusión de Indelpro S.A. de pesos moleculares Mn = 45,120, Mn = 232,000 y MWD = 5.1. Instrumentación: Se utilizó un calorímetro Perkin Elmer DSC D7 y un microscopio óptico con luz polarizada Olimpus BX 60 equipado con una platina con control de temperatura Linkam y un analizador de imágenes. Preparación de muestras: La muestras de i-PP, se prepararon en forma de películas circulares de (7) Donde V está definida por: (8) Es decir, la ecuación 6 corresponde a una cónica de excentricidad “ε” definida por la ecuación 9: 8 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Geometría de fronteras inter-cristalinas: Un modelo alternativo / Francisco Javier Garza Méndez, et al aproximadamente 5 mm de diámetro y entre 5 y 9 µm de espesor. Procedimiento Experimental: En el calorímetro, previamente calibrado con estándares de In y Sn, se determinó la isoterma de cristalización del i-PP a una temperatura de cristalización de Tc = 135 °C, a la cual se le borraba previamente la historia térmica y mecánica al mantenerla a 200 °C durante 3 min. Con el mismo procedimiento de borrado de historia térmica y cristalización isotérmica se analizó mediante microscopía óptica MO y análisis de imágenes para la cristalización a 135 °C, capturando a intervalos de tiempo regulares las imágenes correspondientes al proceso de formación y crecimiento de núcleos en i-PP. Además se desarrollaron 2 programas de computadora, uno para la determinación de la rapidez de crecimiento esferulítico y del tiempo de formación de núcleos a partir de las imágenes de MO capturadas, y otro para la simulación de las fronteras interesferulíticas y su sobreposición a la imagen final de cristalización. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN La figura 4 muestra la isoterma de cristalización del i-PP a 135 °C, así como la línea base construida mediante el método de iteraciones reportado previamente11, observándose que la cristalización llegó a su término después de 15 minutos de cristalización. Fig. 4. Isoterma de cristalización del i-PP a 135°C, que muestra la construcción de línea base. (línea llena inferior). Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 De la integración de la isoterma de la figura 4, se construyó la gráfica de Avrami (figura 5), donde se observa una buena linearidad en prácticamente todo el intervalo de tiempo. Fig. 5. Gráfica de Avrami y recta de regresión de la cristalización del i-PP a 135°C. El exponente de Avrami, calculado para seis repeticiones es de n = 2.42, mostrando que tiene una parte fraccionaria importante, observación prevista de acuerdo a los resultados reportados para una simulación unidimensional2. La figura 6, corresponde a la imagen final de cristalización del i-PP a 135 °C, observada mediante MO a 200 quitar espacio X, en la que se puede apreciar desde fronteras rectas o casi rectas hasta otras muy curveadas. Fig. 6. Imagen de microscopía óptica a 200X, del i-PP cristalizado a 135°C. 9 �Geometría de fronteras inter-cristalinas: Un modelo alternativo / Francisco Javier Garza Méndez, et al A partir de 34 imagenes que muestran la formación y crecimiento de los núcleos, se determinó la rapidez de crecimiento promedio. En la figura 7 se reporta en forma de gráfica el cambio del radio en función del tiempo de cada núcleo observado. Fig. 7. Determinación de la rapidez de crecimiento de los núcleos en i-PP cristalizado a 135°C. Como era de esperarse, los radios crecen linealmente con el tiempo, la rapidez promedio calculada (Gr) resultó ser: 0.0874 ± 0.003 µm/s. De la intersección con el eje X de cada recta de la figura 7, se calcularon los tiempos de formación de los núcleos (ti), y utilizando las ecuaciones 8 y 7, se construyeron las fronteras interesferulíticas, las cuales se graficaron después de efectuar la traslación y rotación correspondiente, quedando la figura 8. Al sobreponer la imagen de la figura 8 al de la figura 6, se puede apreciar que el modelo predice la geometría de las fronteras interesferulíticas con poco error (figura 9). Fig. 9. Sobreposición de imagen final de la cristalización del i-PP a 135 °C, con la geometrías de frontera predichas por el modelo. en la parte inferior izquierda se muestra una forma de determinación gráfica del vértice. Es importante destacar la relación de la posición de los vértices con la rapidez de crecimiento y la diferencia de tiempos de formación de los núcleos, (ecuación 8), de esta forma, si solo tuviésemos la imagen final de cristalización, entonces la magnitud del vértice (V) se puede calcular al medir la distancia entre la intersección de la frontera iteresferulítica con la recta que une a los núcleos bajo análisis y el “origen”, concebido este como la mitad de la distancia entre los núcleos (Ver figura 9). Al conocer todos los valores de los vértices, usando la ecuación 8 y tomando cualquier núcleo como de referencia, asignándole su tiempo de formación como (ti = 0), es posible calcular los productos Grti para todos los núcleos. Considerando que los productos Grti son el múltiplo Gr de los tiempos de formación, es entonces posible construir una gráfica del número de núcleos existentes (N(Gr)) en función de este tiempo modificado (figura 10): La pendiente de la gráfica 10 (Q), tiene la forma de la ecuación 10 Q= Fig. 8. Modelado de las fronteras interesferulíticas en la cristalización del i-PP a 135°C. 10 N ( Grti ) Grt i ⎛ N (Grti ) ⎞⎛ 1 ⎞ Gn ⎟⎜ ⎟ = = ⎜⎜ ⎟ t ⎝ i ⎠⎝ Gr ⎠ Gr (10) Donde al definir la rapidez de nucleación (Gn), como el número de núcleos que se forman por unidad Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Geometría de fronteras inter-cristalinas: Un modelo alternativo / Francisco Javier Garza Méndez, et al En la figura 11, que muestra una imagen de una muestra de aluminio, se observan innumerables fronteras hiperbólicas, aunque otros autores las han explicado a través de la restricción energética para formar ángulos diédricos de 120°, este modelo ofrece otra explicación cuya comprobación en metales policristalinos se encuentra en desarrollo experimental. Fig.10. Gráfica del número de núcleos (N(Grti)) contra el tiempo de aparición de núcleos (ti), escalado por la rapidez de crecimiento (Gr). de tiempo, podemos afirmar que Q es igual a la razón de las rapideces de nucleación y crecimiento, variable que en el caso de que este modelo sea aplicable a materiales metálicos y cerámicos resultaría de determinación de variables cinéticas de solidificación, que actualmente se hacen mediante técnicas indirectas como difracción de rayos-X y análisis térmico diferencial aplicando la ecuación de Avrami. Si bien, el modelo ha mostrado su validez tanto en experimentos exploratorios, como en el caso del i-PP cristalizado isotérmicamente, aún queda mucho trabajo experimental, en polímeros, metales y cerámicos, así como trabajo de modelado matemático en la determinación de los errores involucrados (Ejemplo debido al espesor de la muestra), así como de la simulación de nucleación y crecimiento bidimensional. Fig. 11. Metalografía de aluminio enfriado muy lentamente desde el estado fundido, si indican zonas donde se observan fronteras hiperbólicas. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 CONCLUSIONES Se presenta un modelo de geometrías de fronteras intercristalinas (esferulitas o granos), basado exclusivamente en parámetros geométricos y cinéticos (no energéticos), que permite dar una explicación alternativa a la curvatura de dichas fronteras, que experimentalmente se cumple para la cristalización del i-PP cristalizado a 135 °C y que una vez cabalmente demostrado podría servir para la determinación de la razón de rapideces de crecimiento y nucleación en materiales poliméricos, metálicos y cerámicos. BIBLIOGRAFÍA 1. V. A. González, C. A. Guerrero y J. Aguilar., Revista Ingenierías, Vol. V: 15, p. 38, 2002. 2. V. A. González, C. A. Guerrero, J. Aguilar., Revista Ingenierías, Vol. V: 17, p. 46, 2002. 3. Johnson W.A and Mehl R.F., Trans. Amer. Inst. Minning Met. Eng., V: 135, 426, (1939). 4. Avrami M., J. Phys. Chem. V:7, 1103, (1939). 5. Avrami M., J. Phys. Chem. V:8, 212, (1940). 6. J. Brandrup, E.H. Immergut, E. A. Grulke, “Polymer Handbook” 4a Ed. John Wiley & Sons, New York (1999). 7. Lord Kelvin, Philosophical Magazine, Vol. 24, No. 151, p. 503 (1887). 8. C. S. Smith, “Metal Interfaces”, Ed. American Chemical Society, New York (1952). 9. C. S. Smith, Metallurgical Rev. V9(33), 1, (1964). 10. J. D. Verhoeven, “Fundamentos de Metalurgia Física”, Ed. Limusa, México (1987). 11. V.A. González, U. Ortíz Méndez, Ciencia UANL V1(4), 339,(1998). 11 �Los misterios del mundo cuántico J. Rubén Morones Ibarra Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, UANL morones@fcf.uanl.mx Quien no se sienta impresionado por la mecánica cuántica es que no la ha entendido. Nihels Bohr.1 RESUMEN La mecánica cuántica es una teoría que describe el comportamiento de los sistemas a escala atómica y subatómica. La concordancia entre la teoría y el experimento es excelente para una amplia variedad de fenómenos, lo cual hace de ella una teoría confiable. No obstante el impresionante éxito de la teoría, muchos físicos creen que sus fundamentos teóricos y sus bases conceptuales deben ser reinterpretados, pues conduce a resultados que salen fuera de la comprensión humana. Por tal motivo la consideran como una teoría incompleta. PALABRAS CLAVE Mecánica cuántica, paradoja EPR, gato de Schrodinger, no-localidad. ABSTRACT Quantum mechanics is a theory for describing systems in the atomic and subatomic scale. The excellent concordance between the theory and the experimental facts in a very wide range of phenomena makes it a very reliable theory. Nevertheless the impressive success of the theory, many physicists believe that the theoretical foundations and the conceptual basis of quantum mechanics should be reinterpreted, since some results of the theory are beyond the human understanding. This is the reason why some physicists consider it as an incomplete theory. KEYWORDS Quantum mechanics, EPR paradox, Schrodinger´s cat, non-locality. INTRODUCCIÓN Al final del siglo XIX, en el año 1890, William Thomson, después conocido como Lord Kelvin, el físico más notable de esa época en Inglaterra, declaró en una conferencia que la física había logrado desentrañar todos los misterios del mundo material y que solo dos “pequeñas nubes” permanecían pendientes de resolver por los físicos. Lord Kelvin invitaba a los estudiantes graduados en física a que buscaran otros campos del conocimiento ya que en la física no quedaba prácticamente nada por hacer.2 Los pequeños problemas pendientes por resolver en la física a los que se refería Lord Kelvin, eran el resultado negativo de los experimentos de Michelson y Morley para detectar el éter luminífero y el problema de la radiación de cuerpo negro al que se le conoció con el nombre de Catástrofe 12 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Los misterios del mundo cuántico / J. Rubén Morones Ibarra del Ultravioleta. Este último problema consistía fundamentalmente en que al calcular la cantidad de radiación que emite un cuerpo caliente, los resultados teóricos conducían a valores infinitos para la energía total de radiación, resultado por supuesto inadmisible para cualquier teoría física. Estos dos problemas que parecían pequeños para muchos físicos, condujeron a las dos grandes revoluciones en la física del siglo veinte: La teoría de la relatividad y la mecánica cuántica (M.C.), las cuales se originaron en el experimento de Michelson y Morley y en el problema de la radiación del cuerpo negro, respectivamente. En el desarrollo de la física, cuando los instrumentos de medición alcanzaron una precisión tal que permitieron hacer observaciones al nivel atómico, se encontró que la descripción de los fenómenos de acuerdo con las leyes de la física que se usaban en el año 1900 y que hoy conocemos como física clásica, conducía a resultados que no concordaban con los experimentos, o que arrojaban resultados absurdos. Esta situación llevó a la creación de una nueva teoría para explicar los fenómenos del mundo atómico. Esta teoría, conocida hoy como mecánica cuántica (M.C.) fue desarrollada entre los años 1924 y 1927 por Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg, Paul M. Dirac y otros. A diferencia de las teorías clásicas como la mecánica o el electromagnetismo, donde en principio se puede predecir con precisión absoluta cual será el resultado de la medición de una cantidad física, en la mecánica cuántica esto no sucede. La capacidad Werner Heisenberg (1901-1976), físico austríaco creador de la mecánica cuántica matricial. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 de predicción es una de las características de una teoría clásica; poder predecir donde caerá un objeto que se lanza al aire, cuánto tiempo tardará en caer al suelo y cuál será su trayectoria, por ejemplo, son aspectos que hacen confiable y le dan valor a una teoría sobre la dinámica de una partícula en el campo gravitacional de la Tierra. Una teoría con esta particularidad, se dice que es determinista, y significa que si se conocen las condiciones iniciales de un sistema, podemos predecir cómo evolucionará éste en el futuro. En la mecánica cuántica no se puede predecir el resultado de la medición de una cantidad física, solo se puede hablar de la probabilidad de obtener un determinado valor, lo cual hace que la M.C. sea una teoría no determinista. Esta característica molestó a muchos físicos en los inicios de la teoría; entre estos físicos estaba Einstein, quien expresó su desacuerdo con la mecánica cuántica en una frase que se ha hecho famosa: “Dios no juega a los dados”.3 Einstein era un partidario ferviente del principio de causalidad, y como consecuencia, del determinismo, y no aceptaba el concepto de probabilidad como fundamento válido para una teoría. Como dato curioso o irónico de la historia, tenemos que Einstein, quien había revolucionado la física con sus teorías relativistas, la especial y la general, y quien había dicho que “el sentido común es el conjunto de prejuicios que se forman en el individuo antes de los dieciocho años”, ahora él mostraba esta postura al rechazar la mecánica cuántica, una teoría revolucionaria que rompía con el prejuicio del determinismo. La M.C. introdujo conceptos completamente novedosos en la física. El principio de incertidumbre de Heisenberg, que niega el determinismo, condujo a una nueva visión de la realidad. La manera como la naturaleza se comporta a la escala atómica choca totalmente con los esquemas mentales que nos forjamos basados en la física clásica. Sin embargo, dado el éxito de la teoría para explicar los fenómenos observados y la concordancia de sus predicciones cuantitativas con los resultados experimentales, la teoría recibió la aceptación de una gran cantidad de físicos. No obstante este éxito, la interpretación filosófica de la mecánica cuántica estuvo y está todavía sujeta a apasionadas discusiones entre los físicos y filósofos. 13 �Los misterios del mundo cuántico / J. Rubén Morones Ibarra LAS TEORÍAS CLÁSICAS Según el punto de vista clásico, toda teoría científica debe ser objetiva, causal, determinista, local y completa. La objetividad significa que la naturaleza es independiente de nuestra conciencia, es decir, es independiente de nuestra percepción y los resultados de una observación o medición no dependen del observador. El principio de causalidad exige que dadas ciertas circunstancias deben producirse siempre los mismos efectos o resultados. La idea de una teoría causal es que a una causa determinada le corresponde un efecto único. En cuanto al determinismo, como ya se mencionó, significa que dadas las condiciones iniciales y las leyes de movimiento, contenidas en la teoría, es posible determinar el estado del sistema en cualquier tiempo futuro. La localidad de una teoría establece que un suceso físico no puede afectar a otro suceso con el que no esté conectado causalmente.4 Una conexión causal, significa que un efecto provocado en un lugar solo puede afectar a un sistema después de que la señal ha llegado hasta él, siguiendo las restricciones que impone la relatividad especial. Un golpe sobre una mesa aquí en la Tierra, no puede afectar a un sistema en la luna antes de un segundo, que es lo que tarda un rayo de luz en viajar de la Tierra a la luna. Una teoría satisface el postulado de completez si a cada variable definida en la teoría le corresponde una cantidad física en un sistema que se puede medir con precisión absoluta. Esto significa que a cada variable de la teoría le corresponde un elemento de realidad, cuyo valor podemos determinar sin perturbar al sistema. LA MECÁNICA CUÁNTICA El mundo de los átomos tiene un comportamiento completamente diferente al mundo macroscópico. Ahí suceden cosas raras, diríamos, pero con la expresión “cosas raras” lo que queremos decir es simplemente que estas cosas no encajan con nuestras ideas preconcebidas, determinadas por la información que obtenemos del mundo a través de nuestros sentidos y de los aparatos de medición. Estas ideas establecidas en nuestra mente impiden que comprendamos los fenómenos del mundo atómico, donde ocurren cosas que nunca habíamos visto antes 14 y que difícilmente hubiéramos podido imaginar. Los físicos y filósofos pensaron durante mucho tiempo que el principio de causalidad, debería ser parte esencial de toda ciencia, pues se espera que siempre que se tengan las mismas condiciones deben ocurrir los mismos fenómenos. Sin embargo, el principio de causalidad no tiene validez a escala atómica, ya que a una misma causa pueden seguir diferentes efectos, cada uno con cierta probabilidad de ocurrir. Tampoco el determinismo es una característica de la teoría cuántica, pues en el nivel atómico solo se pueden hacer predicciones probabilísticas. En el decaimiento de un núcleo radiactivo solo se puede hablar de la probabilidad de que en el próximo minuto decaiga emitiendo una partícula, pero no se puede asegurar nada. Aún usando dos núcleos idénticos, en idénticas circunstancias uno puede decaer en la siguiente hora y el otro no. La objetividad, la localidad, la causalidad, el determinismo y la completez de los que se habla en las teorías clásicas, están totalmente en duda al nivel atómico y subatómico, como se verá en el desarrollo de este artículo. La imagen de la realidad cuántica es muy distinta a aquella que nos proporcionan nuestros sentidos y el sentido común. El conocimiento de los sistemas a escala atómica solo se puede lograr en forma abstracta, a través de expresiones matemáticas y no tenemos por qué tratar de ajustar su comportamiento a nuestras concepciones usuales, las cuales tienen su origen en la observación de objetos o sistemas de una escala muy diferente, la escala macroscópica o humana. EL PROBLEMAS DE LA MEDICIÓN El proceso de realizar una medición sobre un sistema u objeto macroscópico no ocasiona ninguna alteración del estado del sistema. Supongamos que queremos medir la posición de una bola de billar, lo que hacemos es interaccionar de alguna manera con ella, arrojándole luz, por ejemplo, y la luz reflejada nos dirá donde está localizada la bola. Todo tipo de medición requiere una interacción entre el sistema que deseamos medir y el equipo que registra los valores de la medición. En el caso de objetos macroscópicos estas mediciones no afectan para nada al sistema. Medir la longitud de un objeto con una regla aparentemente no ocasiona ninguna perturbación al objeto que se mida. Algo Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Los misterios del mundo cuántico / J. Rubén Morones Ibarra muy diferente ocurre si tratamos de medir la posición de un electrón. Para localizarlo le arrojamos luz, y como ésta se comporta como partícula, al chocar los fotones con el electrón perturban su estado de manera perceptible, transfiriéndole una cantidad de movimiento apreciable. Notamos entonces que a la escala cuántica el proceso de medir cambia la realidad, entendida ésta como el estado del sistema sin observar. La objetividad que se supone en el mundo macroscópico se destruye en la M.C. debido a que el sujeto que realiza la observación de un sistema cuántico provoca modificaciones en el sistema comparables a los valores que mediría de las cantidades físicas de interés. Esto nos lleva a que el mundo comprensible y objetivo no existe en la escala de los átomos. Para sistemas cuánticos, se concluye que no es posible observar la realidad sin modificarla, en este sentido la M.C. no es una teoría objetiva. Una teoría que satisface los requisitos de objetividad y localidad se dice que es una teoría realista local.5 En 1964 el físico inglés John Bell publicó un trabajo, donde propone un criterio que puede ser aplicado mediante un diseño experimental, para determinar si una teoría es objetiva y local. Este criterio, introducido a través de unas desigualdades que llevan ahora el nombre de desigualdades de Bell, ha sido aplicado en varios experimentos dando como resultado que la mecánica cuántica no es una teoría realista local.6 En M.C. el estado de un sistema está determinado por una función a la que se le conoce como P. A. M. Dirac, físico inglés que contribuyó al desarrollo de la mecánica cuántica. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 función de onda. De acuerdo con la M.C., toda la información física del sistema puede ser obtenida a partir de esta función de onda, sin embargo a las variables dinámicas del sistema no se les asigna valores definidos sino que solamente pueden ser determinados probabilísticamente; no se puede predecir con certeza ningún resultado, solo se pueden obtener promedios de las cantidades físicas medibles. Esta falta de certeza es lo que molestó a algunos físicos quienes, como Einstein, siempre la juzgaron como una teoría incompleta. Por otra parte, es importante tener en cuenta que las características de la M.C. no llevan a la conclusión de que en el mundo macroscópico puedan tener lugar fenómenos de los que llaman paranormales, como la telepatía o la percepción extrasensorial. Aun cuando la M.C. ha revelado que los sistemas a escala atómica violan causalidad o localidad, a escala macroscópica estos principios siguen teniendo validez. La violación de la objetividad no debe utilizarse para concluir la validez de fenómenos que no han sido observados. La M.C. es una teoría científica y como tal pretende explicar el comportamiento de la naturaleza, donde el experimento es el que decide la validez o invalidez de la teoría. La experimentación exige la preparación de sistemas que puedan estudiarse reproduciendo el fenómeno una y otra vez. Una teoría científica no incorpora fenómenos que no pueden observarse en forma sistemática, y en el caso de fenómenos que ocurran aquí en la tierra, estos deben ser reproducibles. Cualquier cosa que no satisface esto no es objeto de un estudio científico. ¿QUÉ SIGNIFICA ENTENDER? El significado de entender o comprender algo desempeña un papel importante en M.C.; no comprender algo significa que no podemos conectarlo con la información que tenemos o con los conocimientos que poseemos. Cuando lo que debemos aceptar como nuevo, choca con ideas preconcebidas o con nuestras estructuras de pensamiento, entonces lo rechazamos. Debemos admitir que la naturaleza a escalas de longitud muy pequeñas, no tiene por que seguir los mismos patrones de comportamiento que obedece a escala macroscópica. Si reconocemos esto, y que el mundo macroscópico no es otra cosa que la manifestación del comportamiento promedio de 15 �Los misterios del mundo cuántico / J. Rubén Morones Ibarra cantidades muy grandes de átomos, entenderemos que la mecánica cuántica es una teoría que no tiene por que cumplir con los requisitos de objetividad, localidad, causalidad, determinismo y completez, que se les exige a las teorías clásicas. PARTÍCULAS Y ONDAS Los conceptos de partícula y onda los entendemos como entes diferentes y es así como se manejan en la física clásica. A una partícula se le asocia una cantidad de materia en una región pequeña del espacio, donde pequeño quiere decir que posee dimensiones mucho menores que las dimensiones del sistema que estamos considerando. Por ejemplo, un átomo es una partícula cuando se considera que forma parte de un gas dentro de un volumen de un decímetro cúbico, pero un átomo no puede considerarse una partícula cuando estamos estudiando sus estados de energía. Similarmente la Luna, la Tierra o el Sol pueden considerarse como partículas a escalas mayores que el tamaño del sistema solar. En cuanto al concepto de onda, estamos familiarizados con él por las ondas en el agua, o en un resorte o en una cuerda. Una onda se extiende por una región del espacio y no se le asocia una posición definida. Cuando usamos el concepto de partícula en un sistema físico, ésta se considera como un punto y una onda tiene una descripción matemática más abstracta, la de una función que satisface una ecuación conocida precisamente como ecuación de onda. Dicho lo anterior nos encontramos con que partícula y onda son cosas diferentes. Sin embargo en el mundo cuántico resulta que la distinción entre onda y partícula desaparece, teniendo los objetos del mundo cuántico, como los átomos, los electrones, los núcleos atómicos, etc. un comportamiento dual, el de onda y partícula a la vez; este es uno de los enigmas del comportamiento cuántico. HECHOS EXPERIMENTALES Richard Feynman, uno de los más distinguidos físicos teóricos del siglo XX ha dicho que todos los misterios de la mecánica cuántica pueden ser exhibidos en el experimento de la doble rendija.7 Los orígenes de este experimento se remontan al año de 1801, cuando el físico inglés Thomas Young lo realizó, logrando probar el comportamiento 16 ondulatorio de la luz. El experimento, que se muestra en la figura 1, consiste en hacer pasar luz a través de una pantalla que contiene dos orificios pequeños. El patrón de difracción producido en la pantalla, se debe a efectos de interferencia de las ondas. Este fenómeno solo puede ser producido por ondas y fue esta la primera prueba concluyente de la naturaleza ondulatoria de la luz.8 Por otra parte, en el año de 1905, en otro tipo de experimentos, se llega a la conclusión de que la luz exhibe también un comportamiento de corpúsculo, a estos corpúsculos de luz se les llama fotones. Fig. 1. Experimento de Young de la doble rendija. El carácter corpuscular de la luz ha sido probado en múltiples experimentos, lo que demuestra el comportamiento dual, de onda y partícula de la luz. Supongamos que queremos estudiar el comportamiento corpuscular de la luz en el experimento de la doble rendija. Para conseguir esto disminuimos la intensidad de la luz a valores de, por ejemplo, un fotón cada cinco segundos. Si hacemos el experimento con una sola rendija, tapando la rendija derecha, por ejemplo, lo que se observa es una línea iluminada como se muestra en la figura 2. Si tapamos ahora la rendija izquierda, los fotones pasaran por la rendija derecha, la cual está abierta, y lo que se observa es la figura 3, que corresponde a una línea semejante a la de la figura 2 pero desplazada a la derecha, ya que los fotones pasan por la rendija derecha. Lo sorprendente ahora es que si dejamos abiertas las dos rendijas y realizamos el experimento, entonces no observamos lo que se muestra en la figura 4, que es lo que esperaríamos, sino el patrón de difracción de la figura 1. Esto indica que puntos Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Los misterios del mundo cuántico / J. Rubén Morones Ibarra Fig. 4. Resultado que se esperaría si la luz se comportara como partículas que no interfieren. Fig. 2. Resultado del experimento de Young con una sola rendija. Se ha tapado la rendija derecha en el experimento de la figura 1. Fig. 3. Resultado del experimento de Young con una sola rendija. Se ha tapado la rendija izquierda en el experimento de la figura 1. que estaban iluminados en el experimento de una sola rendija, aparecen ahora oscuros y viceversa. Este resultado es verdaderamente asombroso, parece decir que el fotón “sabe” si están abiertas las dos rendijas o una sola. Lo que ocurre realmente es que una interpretación del fenómeno basada en el concepto clásico de trayectoria para una partícula no nos permite entender este fenómeno que es producto de un comportamiento ondulatorio de las partículas, es decir es un fenómeno de interferencia. Lo que se esperaría observar en un experimento con partículas es que al realizar el experimento con las dos rendijas abiertas, en la pantalla se registre la suma de las partículas que pasan por una rendija más las partículas que pasan por la otra. Sin embargo, el resultado observado es completamente distinto y por lo tanto desconcertante. La forma de explicar el efecto de interferencia es que el fotón pasa por las dos rendijas al mismo tiempo; Feynman, describe Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 esto diciendo que “el electrón (o el fotón en este caso) hace lo que quiere”.9 Existe algo más sobre este mismo experimento que causa asombro. Si queremos saber por donde pasa cada fotón y colocamos detectores en cada orificio, el patrón de difracción desaparece y lo que se observa es el comportamiento corpuscular de los fotones. En otras palabras, cuando observamos al fotón se comporta como partícula y cuando no lo observamos se comporta como onda, causando el fenómeno de interferencia. La conclusión es nuevamente que la observación modifica la realidad. Una descripción excelente de estos fenómenos se encuentra en el libro de Richard Feynman.7 Si el experimento de la doble rendija lo realizamos usando electrones, obtenemos exactamente el mismo resultado que cuando usamos fotones. LA PARADOJA EPR Entre los físicos que se oponían a la interpretación de Copenhague, la cual se explica más adelante, estaban Einstein y uno de los creadores de la mecánica cuántica, Erwin Schrodinger. Existen dos famosos ejemplos, propuestos por estos científicos, para mostrar lo absurdo que puede resultar creer en la interpretación ortodoxa de la mecánica cuántica. El problema propuesto por Einstein se conoce como La Paradoja EPR, debido a que fueron Einstein, Podolsky y Rosen, quienes la plantearon. El otro problema se conoce como El Gato de Schrodinger, situación planteada por Schrodinger con el mismo propósito que la paradoja EPR. Ambos problemas han quedado como ejemplo de experimentos pensados que han puesto en duda a la completez de la mecánica cuántica. 17 �Los misterios del mundo cuántico / J. Rubén Morones Ibarra La paradoja EPR, cuya consecuencia ha sido considerada por muchos físicos como la más extraña de la M.C.,10 conduce a la transmisión de señales a velocidades mayores que la de la luz. Este resultado es contrario a la relatividad y además viola el principio de causalidad y la hipótesis de localidad. Esto significa que se pueden determinar los valores de una cantidad física conociendo los valores de otra cantidad en otro punto del espacio, que no se conecta con el primero mediante una relación causal; ¡un resultado evidentemente inaceptable para una teoría científica!. La paradoja EPR plantea el experimento pensado del decaimiento de una partícula en otras dos, cada “supiera” que se ha realizado una medición sobre el primero y conociera también los resultados de ésta. Este es uno de los enigmas de la M.C., donde la determinación del estado de uno de los fotones (o electrones), determina el estado del otro sin que exista una relación causal. El propósito de la paradoja EPR era probar que la mecánica cuántica es una teoría incompleta pues no puede explicar este fenómeno, y según nuestra intuición y nuestra lógica, debe existir algo que haga que ambas partículas tengan la información sobre sus espines, antes de realizar el experimento, cosa que la MC no tiene contemplada en su estructura. una de espín . Si inicialmente el momento angular orbital es cero, entonces, debido a la conservación del espín, las dos partículas en las que decae deben EL GATO DE SCHRODINGER En términos muy sencillos podemos plantear este experimento de la siguiente forma: dentro de una caja cerrada y dentro de la cual no podemos ver, se colocan un gato inicialmente vivo y un núcleo radiactivo, el cual, al emitir la radiación, activará un mecanismo que permitirá que se libere un gas venenoso que matará al gato. Si queremos plantear matemáticamente el estado del gato en un tiempo posterior, entonces debemos escribir una combinación de estado de gato vivo y estado de gato muerto. Este es un ejemplo de lo extraño de la teoría cuántica. Considerando la absurda situación de gato vivo y gato muerto de este problema, un físico de prestigio, Robert Wald, dijo “si usted cree realmente en la mecánica cuántica, entonces no debe tomarla demasiado en serio”.11 La paradoja muestra una característica general de la mecánica cuántica, que indica que mientras no observemos al sistema, todos los estados son posibles y que solo cuando realizamos una medición, el sistema se colapsa o se realiza en un estado determinado, en este caso vemos al gato vivo o muerto, pero solo después de que abrimos la caja para realizar la observación. ¡Antes de abrir la caja el gato está vivo y muerto a la vez, o ni uno ni otro!. Esta característica de la mecánica cuántica es lo que la hace una teoría que viola objetividad, causalidad y determinismo. En un experimento realizado en 1996 por un grupo de físicos de Estados Unidos, se consiguió atrapar mediante una trampa de láseres a un ión de berilio logrando que dos estados diferentes se tener espines opuestos, que designaremos como 1 − 1 , correspondiendo a los estados 2 y 2 , y respectivamente. Puesto que las partículas, producto del decaimiento, se moverán en direcciones opuestas por la conservación del momento lineal, entonces se irán separando al transcurrir el tiempo. El estado del espín de cada una de las partículas no lo sabemos y según la mecánica cuántica, el estado general de cada partícula, es una combinación lineal de ambos Ψ = 1 1 + 1 − 1 2 2 2 2 . Supongamos que estados, así que después de que las partículas estén a una distancia de miles o millones de kilómetros una de la otra, realizamos la medición del espín en una de ellas, y obtenemos, por ejemplo, el valor 1 2 entonces inmediatamente la otra tomará el valor . Es como si la segunda partícula se enterara inmediatamente del resultado de la medición sobre la primera, sin que haya transcurrido el tiempo necesario para que le llegue una señal desde la primera partícula. Experimentos basados en la paradoja EPR se han llevado a cabo en varias partes del mundo verificándose que efectivamente la M.C. es una teoría no-local. Los experimentos han sido realizados con fotones y se ha encontrado que sin que haya la posibilidad de que la información sobre el resultado de la medición en uno de los fotones se transmita al otro fotón, este último se comporta como si 18 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Los misterios del mundo cuántico / J. Rubén Morones Ibarra Erwin Schrodinger, (1887-1961), físico austriaco que desarrolló una formulación de la mecánica cuántica que lleva su nombre. encontraran en posiciones distintas, separados una distancia de alrededor de 80 nanómetros. Esto indica que consiguieron que una propiedad cuántica que es el estado del átomo, se relacionara con una propiedad macroscópica, la posición del mismo. El resultado experimental fue asombroso, era como si el átomo se encontrara en ambas posiciones al mismo tiempo, es decir, en una superposición de estados, lo mismo que el problema del gato de Schrodinger.12 EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE La M.C. impone restricciones a la precisión con la que se pueden medir simultáneamente ciertas parejas de cantidades físicas. Estas parejas se conocen en mecánica cuántica como variables complementarias, o variables canónicamente conjugadas y satisfacen una relación de incertidumbre o desigualdad de Heisenberg. Ejemplo de un par de variables complementarias son la posición y la velocidad. El determinismo de la física clásica que nos dice que si sabemos la posición y la velocidad de una partícula podemos conocer su trayectoria futura, no tiene validez en la teoría cuántica puesto que no podemos conocer la posición y la velocidad simultáneamente. De hecho, en la física cuántica el concepto de trayectoria de una partícula carece de sentido. La razón por la cual la mecánica cuántica se interpreta en términos de probabilidades se debe precisamente al principio de incertidumbre de Heisenberg. Cuando se efectúan mediciones de una cantidad física en un sistema, lo que se hace es Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 realizar muchas mediciones sobre un conjunto de partículas que se encuentran en el mismo estado. Estas mediciones darán un conjunto de valores para los cuales podemos calcular la desviación estándar. El principio de incertidumbre establece que para el caso de dos variables complementarias como la posición y el momento lineal, el producto de estas desviaciones estándar siempre será mayor que un valor mínimo diferente de cero. Decimos entonces que hay un límite a la precisión con la que se pueden calcular un par de variables complementarias simultáneamente y solo podemos establecer sus valores probables. Como ejemplo de aplicación del principio de incertidumbre tomemos el caso de un electrón en el estado de momento angular orbital L=0 (electrón s) en un átomo. Este electrón caería al núcleo atómico debido a la atracción eléctrica que el núcleo ejerce sobre él. La razón por la que no cae es que al concentrarse el electrón en una región tan pequeña como el núcleo, su velocidad se incrementaría a valores muy grandes, por el principio de incertidumbre y esta velocidad haría que el electrón se escapara del núcleo. Cuando se descubrió el núcleo atómico, se pensó que había electrones dentro de él, pero un modelo de núcleo atómico con electrones conduce a dificultades con el experimento. El problema de la estructura del núcleo se resolvió con el descubrimiento del neutrón y la aplicación del principio de incertidumbre vino a reforzar la observación experimental de que dentro del núcleo atómico no hay electrones. Otro aspecto extraño del mundo cuántico es que ahí el tiempo no tiene dirección privilegiada, es decir, podemos tomar el tiempo en una dirección o en otra y los procesos son indistinguibles, ya que las expresiones de la mecánica cuántica que permiten calcular cantidades físicas, son invariantes ante el cambio de t por - t , siendo t el tiempo. De hecho esto se cumple también para todas las leyes fundamentales de la física. La flecha del tiempo aparece cuando consideramos sistemas de muchas partículas fuera del equilibrio, entonces el sistema evoluciona hacia estados de equilibrio los cuales son más probables, es aquí donde se origina el concepto de la dirección del tiempo. El envejecimiento no es otra cosa que el aumento de la entropía, la evolución de los sistemas macroscópicos hacia estados cuya probabilidad de 19 �Los misterios del mundo cuántico / J. Rubén Morones Ibarra ocurrencia es mayor que la de los estados presentes. Pero en el mundo de las partículas fundamentales no ocurre esto, las partículas inestables, como los núcleos atómicos, por ejemplo, no envejecen. La probabilidad de que decaiga un núcleo radiactivo en el próximo segundo no depende de cuándo fue creado o formado este núcleo. Un núcleo que se formó hace millones de años tiene la misma probabilidad de decaer que uno idéntico que se acaba de formar en el laboratorio. En este sentido su comportamiento es muy diferente a las formas de vida superiores, como los animales o los seres humanos; una persona de 80 años tiene una probabilidad mayor de morir que un niño de diez años, por ejemplo. INTERPRETACIONES DE LA MECÁNICA CUÁNTICA En el análisis de los fundamentos de la teoría cuántica que es el estudio de los problemas filosóficos a los que la teoría da origen, se plantean las siguientes cuestiones: a) ¿Es la mecánica cuántica una teoría incompleta?, b) ¿Es la indeterminación una característica de la naturaleza que nos impide realizar mediciones precisas? o, c) ¿Es sólo una falla en los aparatos de medición lo que limita la precisión del conocimiento del mundo?. Hay entre los científicos dos posturas filosóficas fundamentales para juzgar a la teoría cuántica. Una de ellas es la realista,13 la cual asegura que la naturaleza es objetiva y que los objetos están ahí independientemente de que sean o no observados, que un átomo radiactivo decae emitiendo partículas sin importar si lo observamos o no, o que si medimos una cantidad física, como por ejemplo la posición de una partícula, encontraremos a la partícula donde está, porque ya estaba ahí antes de realizar la medición. Esta interpretación plantea que la mecánica cuántica, a pesar de ser una teoría exitosa desde el punto de vista operacional ya que predice cuantitativamente lo que se observa experimentalmente, es una teoría incompleta, a la que le falta introducir variables dinámicas nuevas, que los físicos llaman variables ocultas, que son las cantidades que permitirán 20 comprender los fenómenos cuánticos.14 En este sentido la indeterminación de las cantidades físicas no es algo intrínseco de la naturaleza sino una muestra de nuestra ignorancia sobre los sistemas cuánticos. La otra interpretación es conocida como ortodoxa o de Copenhague; esencialmente sostiene que las variables de un sistema cuántico no tienen valores determinados antes de medirlos, que es el proceso de medición lo que fuerza al sistema a definirse por un valor de la variable que estamos midiendo. Según la interpretación de Copenhague, la mecánica cuántica es una teoría intrínsecamente probabilística. Lo esencial de la indeterminación cuántica no significa que no podamos saber cuál es el estado de un sistema antes de medirlo o de interaccionar con él, sino que significa que el concepto de una partícula o un sistema en un estado determinado antes de medirlo, no tiene sentido en mecánica cuántica.15 Solo tiene significado la descripción del sistema como una superposición de todos los estados posibles, compatibles con las condiciones del sistema. Por ejemplo, el estado de espín de un electrón está 1 − 1 dado por una superposición de los estados 2 y 2 , o en el caso del gato de Schrodinger, el estado de gato vivo y muerto. De manera similar, cuando decimos que no podemos determinar dónde se encuentra el electrón antes de realizar la medición, significa que puede estar en cualquier parte del universo, con probabilidades diferentes para cada región, por Max Born, (1882-1970) físico alemán que dio la interpretación probabilística a la función de onda. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Los misterios del mundo cuántico / J. Rubén Morones Ibarra supuesto. Si encerramos al electrón en una caja, existe la probabilidad de encontrarlo en cualquier parte dentro de ella, con una cierta distribución de probabilidad. Si después de realizar una medición de la posición de un electrón lo localizamos en un determinado lugar, podemos hacer la pregunta, ¿dónde estaba el electrón antes de localizarlo?. La respuesta según la M.C. es que no tenía posición precisa, su comportamiento ondulatorio hacía que estuviera “esparcido” en todo el espacio. La mecánica cuántica conduce a resultados más allá de la comprensión humana, sin embargo, a pesar de la complejidad de la teoría cuántica y de los conflictos filosóficos sobre sus fundamentos, los resultados de sus aplicaciones son una indiscutible prueba de su validez y de su utilidad. Los fenómenos cuánticos son una realidad en nuestro mundo macroscópico, el magnetismo de los materiales es una propiedad relacionada con el espín del electrón, que es un fenómeno estrictamente cuántico; el color de los materiales se origina en los niveles de energía cuantizados de los electrones en los átomos. Por otra parte las aplicaciones del conocimiento del comportamiento cuántico, son la base de la tecnología moderna; el transistor, los chips, los láseres, equipos de resonancia magnética nuclear, los materiales superconductores, etc. Son solo algunos ejemplos del impacto de la mecánica cuántica en la sociedad. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 BIBLIOGRAFÍA 1. Kaku, M., Beyond Einstein, 1995. 2. Kafatos, Menas and Nadeau, Robert, The Conscious Universe, 1990. 3. Einstein, A. y Born, M., Correspondencia 19161955, 1973. 4. Nadeau, Robert and Kafatos, Meneas, The NonLocal Universe, 2001. 5. Mandl, F., Quantum Mechanics, John Wiley and Sons, 1997. 6. Rae, Alastair, I. M. , Quantum Mechanics, 2002. 7. Feynman, R. Lectures on Physics, Vol. III, 1965. 8. Halliday, D., Resnick, R. y Krane, Física Vol. II, 1999. 9. Ryder, Lewis, Quantum Field Theory, 2000. 10. Silverman, Mark P., More than one Mystery, 1994. 11. Penrose, Roger, The Large, the Small and the Human Mind, 2000. 12. 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Los resultados revelaron que la solución al 3.5% de NaCl fue el medio más agresivo, los aceros presentaron un alto grado de actividad corrosiva al compararlos con valores de la serie electromotriz. PALABRAS CLAVE Corrosión electroquímica, polarización, pasividación, ciclovoltametria, acero para oleoductos. ABSTRACT Corrosion resistance of two types of steel -an ASTM A53 Gr. B and an ASTM A106 Gr. B- are presented in this paper. The samples were expossed for 51 days to three different corrosive agents: natural water, solution of 3.5 % of NaCl and solution of H2SO4 with pH 3. Ciclovoltametries, and measurement of the potentials were carried out as well as calculations of the corrosion rates by means of the polarization resistance technique (Rp) using the Stern-Geary’s equation. Results showed that the solution of 3.5 % of NaCl was the most aggressive, the steels presented a high degree of corrosive activity compared to the electromotive series. KEYWORDS Electrochemical Corrosion, Polarization, Passivity, Ciclovoltametry, Pipelines Steel. INTRODUCCIÓN El hierro (Fe) ha formado parte de la vida diaria del ser humano durante muchos siglos, quien se ha visto en la necesidad de usar constantemente su ingenio para ir mejorando la calidad de este metal con el propósito de llevar una vida más cómoda. 22 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Evaluación de la resistencia a la corrosión de aleaciones para oleoductos / Adrián Cortés Méndez, et al Para extraer el metal de los yacimientos se utiliza una gran cantidad de energía y se invierte un gran esfuerzo para evitar que el metal se deteriore y vuelvan a su estado original, es decir, minerales de Fe, los cuales se encuentran bajo la forma de óxidos, estos compuestos representan el estado más estable del Fe, respecto al medio ambiente. El mineral de hierro más común es la hematita, óxido de hierro, Fe2O3. El producto más común de la corrosión del Fe, la herrumbre, está compuesta de hematita y otros hidróxidos, Fe(OH)3. Los agentes con los que el hombre tiene que luchar son el medio ambiente que lo rodea, la humedad, lluvias ácidas, el agua del mar, y otros ambientes que causan el retorno del metal a una forma más estable, similar a la de los minerales, comúnmente llamado corrosión. El Fe se encuentra en la naturaleza en forma de compuestos y sólo por el esfuerzo del hombre pasa al estado metálico. Cuanto mayor es el trabajo para lograr esta transformación, mayor es la tendencia del metal para volver a su estado natural. Este proceso de vuelta al origen se llama “corrosión“. Esto se puede ver en la figura 1, mediante la energía libre de Gibbs.1 Fig. 1. Gráfica muestra el estado del (mineral-metalproducto de corrosión) en función de la energía de Gibbs. La corrosión es la destrucción de los metales iniciada en la superficie. Esta destrucción puede ser de naturaleza química, pero en muchos casos transcurre electroquímicamente, debido a reacciones con el medio ambiente.2 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 POLARIZACIÓN La polarización es el desplazamiento del potencial de equilibrio o de reposo en una reacción reducción oxidación (redox). Al sumergir los metales en una solución acuosa éstos adquieren una diferencia de potencial respecto al de equilibrio (∆Eeq). Debido a que se genera una interfase entre el metal y la solución, conocida como doble capa electroquímica, de unas cuantas micras formada por cargas positivas y negativas que crean un campo eléctrico. La reacción electroquímica de oxidación que da lugar a la disolución del metal modifica el potencial de equilibrio del sistema. Con la ayuda de un voltímetro es posible registrar la evolución del potencial del sistema metal-solución.3 ∆Eeq = Emetal – Esolución (1) La disolución en el metal da lugar al desarrollo de un proceso de corrosión, alejando el potencial del equilibrio. ∆Eeq = [Emetal + η] – Esolución ≠ ∆Eeq (2) Este desplazamiento de potencial se conoce como potencial (η). Al potencial fuera del equilibrio se le llama potencial de corrosión (Ecorr) o potencial mixto, donde está involucrado el potencial del metal que se oxida o disuelve.1,3 ∆Eeq = [Emetal + η] – Esolución = Ecorr = Emixto LA PASIVIDAD Como pasividad se define una condición de resistencia a la corrosión debido a la formación de películas superficiales delgadas sobre el metal, el cual queda protegido de los agentes químicos agresivos que lo rodean por esta película. Esta capa en lo general está formada por óxidos del mismo metal. Para su formación es necesario que exista humedad, si ésta no está presente, el metal sufrirá corrosión.3,5 RESISTENCIA DE POLARIZACIÓN Una de las técnicas electroquímicas para medir potenciales es la resistencia de polarización (Rp) de Stern-Geary. La técnica consiste en desplazar al sistema de su potencial de equilibrio Ecorr, a otro valor de potencial ya sea catódicamente o anódicamente, 23 �Evaluación de la resistencia a la corrosión de aleaciones para oleoductos / Adrián Cortés Méndez, et al registrándose las variaciones de potencial (∆E) y de corriente (∆I) en el sistema debido a este desplazamiento. La ecuación para el cálculo de la velocidad de corrosión, icorr, a partir de aplicar la Rp se obtiene a través de la ley de Ohm despejando la resistencia (R): E = IR (4) R=E/I (5) Donde E es el potencial, I la corriente, y R la resistencia. La resistencia de polarización se puede definir en función del desplazamiento de potencial: Rp = E / I ∆E / ∆I (6) A través de esta polarización y de pendientes de Tafel, la velocidad de corrosión se expresa de acuerdo a la ecuación de Stern-Geary:3 ∆E/∆I = [(ba*bc)/(2.3*(ba+bc) *Icorr] (7) Donde B es la constante de Tafel B = [ (ba * bc) / (2.3 * (ba + bc) ] (8) (9) Por lo tanto ∆E / ∆I = B / Icorr Rp = B / Icorr (10) Si se divide la Icorr por unidad de área se obtienen la densidad de corriente de corrosión que es igual a la velocidad de corrosión.3,5 icorr = Icorr / área (11) EXPERIMENTACIÓN Los aceros usados en los ensayos electroquímicos son de dos tipos de aleaciones para tubería utilizada por PEMEX. Las características para el primer acero utilizado corresponde a un acero al carbono ASTM A53 Gr B y el segundo material corresponde a un acero al carbono ASTM A106 Gr B, ambos sin costura y extremos planos. Se realizó un corte transversal a los tubos, obteniendo especímenes de 2.6 cm. de altura y con un arco de 3 cm, como se muestra en la figura 2, el área de trabajo expuesta a los sistemas corrosivos fue de 3 cm2. El embebido de cada espécimen quedó ajustado como se muestra en la figura 3, el volumen del contenedor utilizado fue de 350 ml al igual que el volumen del medio corrosivo. El recipiente no fue sellado herméticamente con el propósito de mantener presencia de oxígeno y mantener el nivel de electrolito. 24 Fig. 2. Espécimen. a) área expuesta; b) área aislada del electrolito; c) conductor de corriente. Fig. 3. Espécimen embebido en el medio electrolítico. Se utilizaron 3 tipos de electrolitos a una temperatura ambiente de 25 ± 2 oC, el primero fue agua natural de llave con un pH de 7.1, el segundo fue una solución al 3.5 % de NaCl, con un pH de 7.9, el tercero fue una solución de ácido sulfúrico, H2SO4, hasta obtener un pH de 3.0. Se prepararon 18 especímenes, 3 especímenes por electrolito con el propósito de tener una comparación y una repetibilidad de resultados. Las mediciones de los potenciales y los barridos obtenidos se realizaron con un potenciostato, figura 4, con las siguientes características: • Potenciostato / Galvanostato PG5EV. Marca VIMAR. • Electrodo de referencia de Hg / HgCl2 (calomel) saturado. • El electrodo auxiliar utilizado fue de grafito. El potenciostato permite polarizar, al modificar el potencial del electrodo de trabajo construido de acero, permitiendo obtener la respuesta en corriente Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Evaluación de la resistencia a la corrosión de aleaciones para oleoductos / Adrián Cortés Méndez, et al explica más detalladamente en la figura 5. Para las polarizaciones o barridos se polarizó catódicamente y anódicamente ± 0.050 Volts a una velocidad de 0.010 Volts/seg. Al polarizar se obtiene una respuesta de corriente que se grafica para obtener las curvas cíclicas o ciclovoltagramas (Volts/mili-Amp.).4,5 Fig. 4. Potenciostato / Galvanostato. a un estímulo en potencial. Los potenciales referidos son medidos respecto a un electrodo de referencia de calomel. Un tercer electrodo, el denominado auxiliar o contraelectrodo, cierra el circuito con el electrodo de trabajo, permitiendo el paso de la corriente necesaria para polarizar al electrodo de acero a un valor de potencial deseado. La medición con el electrodo de referencia está recomendada por la norma ASM.4 Que éste sea embebido en un aditamento de vidrio llamado probeta lugging, como se puede observar en la figura 5, usualmente se recomienda para minimizar la interfase de resistencia ohmica en el electrolito. La distancia de acercamiento recomendada entre la probeta lugging y el electrodo de trabajo es de 1mm y la boquilla recomendada para el lugging será de un diámetro 2 veces la distancia que hay de la superficie del electrodo de trabajo y la boquilla, por lo tanto, si la distancia recomendada es de 1 mm la boquilla de la probeta lugging será de 2 mm de diámetro esto se Fig. 5. Representación de la medición de potencial con los electrodos. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 RESULTADOS Y DISCUSIÓN El análisis químico de las aleaciones que se utilizaron en esta investigación se muestran en la tabla I, para el acero ASTM A53 Gr. B y en la tabla II para el acero ASTM A106 Gr. B, en ambas se muestran el porcentaje en peso de los elementos. Tabla I. Composición química del acero A53 Gr. B. (% en peso, balance Fe). C Si Mn P S Cr Mo Cu 0.111 0.285 0.983 0.0109 0.0016 0.0284 0.0237 0.0499 Tabla II. Composición química del acero A106 Gr. B. (% en peso, balance Fe). C 0.111 Si 0.262 Mn P S Cr Mo Cu 1.07 0.0107 0.0026 0.0488 0.0373 0.0986 En la figura 6 (a) se presenta la micrografía del acero A53 Gr. B, la microestructura que presenta es de matriz ferrítica equiaxial con perlita laminar semibandeada, tamaño de grano ASTM 8 a 8 ½ . En la figura 6 (b) se muestra una micrografía del acero A106 Gr. B la microestructura consta de matriz ferrita equiaxial con perlita laminar semibandeada, el tamaño de grano ASTM es de 8 ½ a 9. La microestructura que muestran los aceros de los tubos se obtiene con un tratamiento térmico de normalizado a 900 °C y se deja enfriar al aire a temperatura ambiente, la microestructura que se muestra en la micrografía del acero A106 muestra un tamaño de grano más fino que la micrografía del acero A53, determinado con la norma ASTM E-112, debido a que el tratamiento fue durante menor tiempo.6 25 �Potencial de corrosión en volts Evaluación de la resistencia a la corrosión de aleaciones para oleoductos / Adrián Cortés Méndez, et al -0.560 Agua natural ASTM Agua + 3.5% NaCl A53 Gr. B ASTM A53 Gr. B -0.580 Agua + H2SO4 Agua natural ASTM Agua + 3.5% NaCl Agua + H2SO4 ASTM A53 Gr. B A106 Gr. B ASTM A106 Gr. B ASTM A106 Gr. B -0.600 -0.620 -0.640 -0.652 -0.664 -0.660 -0.654 -0.666 -0.680 -0.700 -0.699 -0.710 -0.704 -0.713 -0.720 -0.740 -0.760 -0.723 -0.738 -0.747 -0.757 -0.780 (a) -0.800 Fig. 7. Gráfica de potencial de corrosión promedio (Ecorr) de los aceros al carbono A53 Gr. B y A106 Gr. B embebidos en los diferentes sistemas, con dos desviaciones estándar de la media. (b) Fig. 6. Acero al carbono (a) ASTM A53 Gr. B. (b) ASTM A106 Gr. B (Micrografía óptica 100 X con ataque nital al 3 %). POTENCIALES DE CORROSIÓN En la figura 7 se muestran los potenciales de corrosión Ecorr para los dos aceros al carbono calculados a dos desviaciones estándar de la media. Para el sistema de agua natural el promedio de los potenciales para el acero A53 Gr. B tiene un valor de -0.704 Volts y para el A106 Gr B es de –0.708 Volts, ambos muestran un comportamiento muy similar con un alto grado de actividad corrosiva en base al potencial del Fe de la serie electromotriz, el comportamiento se atribuye a que la microestructura presenta un grano muy fino y está compuesta de perlita y ferrita, creando así zonas activas, ya que a nivel microscópico la ferrita se comporta como ánodo y la perlita como cátodo formando pares galvánicos.1,6 En el sistema de agua con adición del 3.5% de NaCl, la alta concentración de cloruros se presenta en los potenciales medidos, el promedio para el acero A53 Gr. B está en –0.725 Volts, mientras que para el acero A106 Gr. B es de –0.730 Volts, la actividad corrosiva para ambos es más elevada con respecto al potencial del Fe mostrado en la serie 26 electromotriz. Los potenciales promedio para los aceros embebidos en el sistema de agua con adición de H2SO4 con pH 3, son para el acero A53 Gr. B de –0.658 Volts y para el acero A106 Gr. B de –0.660 Volts. Estos potenciales son menores que los dos casos anteriores, sin embargo, son potenciales con una actividad corrosiva alta con respecto al potencial del Fe de la serie electromotriz, al tercer día en ambos aceros hubo una disminución del potencial de –0.675 Volts a –0.615 Volts tendiendo a formarse películas pasivas, después aumentó el potencial, señal de que las películas pasivas formadas fueron rotas. En la figura 8 se muestran las velocidades promedios de corrosión en los aceros A53 y A106 embebidos en cada uno de los sistemas probados con sus variaciones calculadas a dos desviaciones estándar de la media. En el sistema de agua natural el acero A53 Gr. B muestra un promedio de icorr de 13.54 micro-Amp/cm2 y en el segundo acero A106 Gr. B fue de 13.94 micro-Amp/cm2, se puede observar que el comportamiento de ambos aceros es muy similar en el sistema de agua con adición del 3.5% de NaCl. La adición de cloruros en este sistema se hace presente en el promedio de la icorr en el acero A53 Gr. B está en 19.17 micro-Amp/cm2 y para el acero A106 Gr. B el promedio de la icorr es de 25.21 micro-Amp/cm2. Estas variaciones son mayores que las observadas para el sistema de agua debido a la gran cantidad de cloruros presentes. En el sistema de agua con H2SO4 el promedio de icorr para un acero A53 Gr. B fue de 19.53 mA/cm2 y para el acero A106 Gr. B fue de 24.05 mA/cm2, el promedio en este electrolito fue similar al del cloruro, pero las Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Evaluación de la resistencia a la corrosión de aleaciones para oleoductos / Adrián Cortés Méndez, et al Velocidad de corrosión icorr promedio 70.0 65.0 icorr micro-amp./cm 2 60.0 55.0 50.0 45.0 40.0 39.53 35.0 30.0 28.42 27.17 25.0 20.0 17.89 15.0 10.0 21.13 17.21 9.2 20.94 18.48 10.66 9.41 10.9 5.0 0.0 Agua ASTM 53 Agua + 3.5% NaCl Gr.B ASTM 53 Gr.B Agua + H2SO4 ASTM 53 Gr.B Agua ASTM 106 Agua + 3.5% NaCl Agua + H2SO4 GR.B ASTM 106 Gr.B ASTM 106 Gr.B Fig. 8. Velocidad de corrosión promedio (icorr) los aceros al carbono A53 Gr. B y A106 Gr. B embebidos en los diferentes sistemas, con dos desviaciones estándar de la media. (a) fluctuaciones de las curvas fueron más uniformes, lo que permite conocer que se genera una capa de óxido más uniforme entre el metal y la capa de óxido que en el sistema con cloruros, esto se puede corroborar en la micrografias de las capas de óxido. MICROGRAFÍAS DE LAS CAPAS DE ÓXIDOS FORMADOS EN LOS SISTEMAS Las zonas de corrosión del espécimen fueron analizadas mediante microscopía óptica, el ataque corrosivo en ambos aceros fue muy similar para cada uno de los sistemas, por lo que sólo se mostrarán las micrográficas del acero A53 Gr. B. Se identificaron las zonas como (a) metal base, (b) oxidación, (c) productos de óxido y (d) baquelita. La figura 9 (a) muestra una micrografía del acero expuesta en el sistema de agua natural, se observa que se presentó un tipo de corrosión generalizada. En la figura 9 (b) se muestra una micrografía del acero embebido en solución al 3.5% de NaCl, se puede observar un ataque agresivo de corrosión por picaduras en este sistema. Los cloruros atacaron al metal base en forma de picadura convirtiéndose posteriormente en corrosión generalizada. En este sistema se tiene presencia de oxígeno, agua y cloruros por lo que es de esperarse un sin número de reacciones pero las que predominan suelen ser la presencia de los Cl- disueltos los cuales son responsables del rompimiento de la capa pasiva, ocurriendo un fenómeno de ataque localizado. En el sistema de Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 (b) Fig. 9. Capa de óxido del espécimen A53 Gr. B (a) embebido en un sistema de agua natural. (b) embebido en un sistema de solución de 3.5% de NaCl. a) metal; b) capa de óxido; c) productos de corrosión; d) resina. (Micrografía óptica a 200X). agua con adición de H2SO4 y pH 3, se observó un ambiente no tan agresivo como el de los cloruros pero sí una corrosión generalizada muy parecida a la presentada por el sistema de agua natural. MICROGRAFÍAS DE LOS PRODUCTOS DE CORROSIÓN PRECIPITADOS EN LOS DIFERENTES SISTEMAS Se realizaron tres muestreos de análisis químico en cada uno de los sistemas para comprobar el contenido de elementos, los productos de corrosión en el sistema de agua natural para un acero A53 Gr. B, las 27 �Evaluación de la resistencia a la corrosión de aleaciones para oleoductos / Adrián Cortés Méndez, et al reacciones electroquímicas que predominaron en este sistema fueron Fe(OH)2 y Fe(OH)3 (hidróxido ferroso y hidróxido férrico). Con el análisis cuantitativo se corroboró esto, los elementos encontrados fueron el oxígeno y predominante el hierro. Los productos de corrosión obtenidos en sistema de agua con adición de 3.5% de NaCl fueron 4(OH)– (oxidrilos), Fe(OH)2 (oxidrilos en combinación con hierro), FeCl2, FeCl3 (cloruro ferroso y férrico), NaOH (hidróxido de sodio), al cuantificar estos productos de corrosión, los elementos encontrados fueron cloro (Cl), sodio (Na), oxígeno (O) y hierro, siendo el hierro predominante. En la figura 10 se muestra la micrografía electrónica de productos de corrosión y análisis cuantitativo del acero A106. Las reacciones electroquímicas predominantemente formadas en el sistema de agua con adición de H2SO4 con pH 3 fueron 2H2O (agua), Fe2+SO4, Fe2(SO4)3 (sulfatos en combinación con Fe), los elementos encontrados mediante el análisis cuantitativo fueron azufre (S), oxígeno (O) y Fe encontrándose éste en mayor cantidad después del oxígeno. CONCLUSIONES Figura 10. Productos de corrosión y análisis cuantitativo del acero A106 en un sistema de agua natural más 3.5% de NaCl. (Micrografía electrónica aumentos 1200X). 28 De los ensayos realizados y los resultados obtenidos se concluye que de los tres sistemas que se utilizaron para la experimentación el electrolito más agresivo para los aceros al carbono ASTM A53 Gr. B y ASTM A106 Gr. B fue el sistema de agua con adición de 3.5% de NaCl. Ambas aleaciones estudiadas presentaron un comportamiento similar en cuanto a la rapidez de corrosión durante la experimentación en los tres sistemas. Los fenómenos de corrosión que se llevaron a cabo para los tres sistemas fueron principalmente de corrosión uniforme, en el sistema de agua natural el fenómeno corrosivo fue completamente uniforme; en el sistema de agua con adición de 3.5% de NaCl el fenómeno fue igualmente uniforme pero seguido de un ataque localizado; en el sistema de H2SO4 con pH 3 el fenómeno presentado fue uniforme muy adherente a la superficie del metal. El análisis cuantitativo de los productos de corrosión precipitados en cada sistema fueron los esperados de acuerdo a las reacciones químicas que predominaron en cada uno de los sistemas. REFERENCIAS 1. Más allá de la herrumbre, Javier Ávila y Joan Genesca. Editorial Genesca. Primera Edición, 1986. México. 2. Corrosion basics. An Introduction, National Association of Corrosion Engineer (NACE). EUA, 1984, pp 23, 40 y 41. 3. Manual de corrosión: Deterioro del concreto armado y opciones de preservación, Patricia Rodríguez, FIME-UANL, pp 1, 5- 7, 1999. 4. ASM Handbook Volumen 13 “Corrosion” ASM International The Materials Information Society. pp 22, 23. 5. Priciples and Prevention of Corrosion. Second Edition. Denny A. Jones. Prentice Hall. Cap. 1, p. 8, Cap. 2 pp 98, 99-102. 6. ASM Handbook Volumen 9 “Metallography and microestructures” ASM International The Materials Information Society. pp 162 y 210. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Learning organizations and quadruple loops of feedback Part I. Theoretical models Lorin Loverde lorinloverde@hotmail.com RESUMEN Una organización en aprendizaje va más allá del entrenamiento y el desarrollo a alto nivel de todos los aspectos corporativos. Se describen 4 tipos de retroalimentación para enfatizar la necesidad de aprendizaje multinivel. Se enfatiza sobre los nuevos roles requeridos, incluyendo líderes éticos, líderes transformacionales, liderazgo distribuido, profesores, y equipos auto administrados. PALABRAS CLAVE Organización en aprendizaje, administración, liderazgo, retroalimentación, equipos autoadministrados. ABSTRACT The learning organization should not be limited to training and development; it should include the higher levels of re-organizing of all aspects of corporations by changing to more distributive leadership and more teamwork, which increases participation to knowledge development by all the people in the organization. Four types of feedback loops are described to emphasize the need for multi-leveled learning. New roles are emphasized, including ethical leaders, transformational leaders, distributed leadership, practitioner faculty, and Self-Managed Teams. KEYWORDS Learning organization, management, leadership, feedback, self managed teams. What should we learn to achieve organizational excellence? New management theories with their advice keep popping up as people discover more laws of nature. We can consider some of the conceptual models that have developed over the past few decades. When stimulus-response psychology discovered reinforcement, management theory created the transactional model of leadership where trades and rewards are given for performance. When humanistic psychology discovered cooperative tendencies, management theory created sensitivity training where appreciation of people increased performance. When quantum theory discovered observer effects, management theory created participation in relationships where interaction among members contributes to the field effect. When complexity theory Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 29 �Learning organizations and quadruple loops of feedback. Part I. Theoretical models / Lorin Loverde discovered emergence out of chaotic conditions, management theory created the support of diversity to promote emergence of new organizational levels where organizational vitality is enhanced by the number of new possibilities competing for survival. There is, however, a difference between natural systems and human systems. We choose, while natural systems do not. Whatever natural system is discovered, it is never more than a metaphor to apply to human free choice. A guiding metaphor is important, however, it is after all a metaphor (or in scientific terms, a theoretical model) once it is applied to humans with free will. The task of understanding and implementing these new models belongs to the Learning Organization, but it has sometimes been criticized for being vague and difficult to implement. To be successful, this model requires much more than more training; the entire organization must be re-organized to become more horizontal, reduce centralism, expand the role of self-managed teams, and change the roles of middle and upper management. In a simplified definition, a Learning Organization is one that consciously implements learning throughout the organization so that it is capable of quality, flexibility, and rapid change. This implementation process ranges from simple training to sophisticated knowledge management systems to capture expertise and make it accessible to all members and teams. A learning organization differs from an organization with training programs because everyone in the organization adds continual learning, improvement and breakthrough as part of their goals. Any organization that implements programs like Total Quality Management, horizontal management, continous improvement, and change management must, by necessity, also become a 30 learning organization to some degree because those programs require everyone to learn frequently and profoundly. If companies with such programs are not aware of the learning dimension, they might miss opportunities to enhance the very learning that makes those programs possible. FEEDBACK LOOPS IN THE LEARNING ORGANIZATION Feedback Loops The following figures refer to feedback loops in learning; each successive system of feedback encompasses the previous ones to yield four levels of learning. A loop is knowledge of results that guides activity; a level is a type of learning that changes according to the kind of loop involved. The purpose of the items in the Figures is to give only an example of the types of business functions involved in each of the four feedback loops for the learning organization. The items shown are not intended to be adequate for drawing up a specific plan for a specific business but are rather intended to be suggestive for the different types of issues that become important at the four different levels of feedback. In cybernetic theory, the feedback loop is necessary to give continuous information to guide the activity of the system. A single loop of feedback tells the system if it is on target or off target. For example, a guided missile senses its target and sends feedback to its guidance system when it is off target, requiring correction of error. By continually correcting errors, the missile eventually zeros in on its target. In a learning organization single-loop feedback is perfected through training in established knowledge and standard operating procedures. The payoffs are efficiency and quality. In figure 1 there are two columns showing feedback loops, one oriented to beginning and the second oriented to endings. The beginning phases in column one are done with some anticipation of the ending phases in column two. It would be possible to expand the number of columns to show a sequence of value-added operation for Supply Chain Management or re-engineering, but the emphasis here is on the four levels of successively more expansive feedback loops. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Learning organizations and quadruple loops of feedback. Part I. Theoretical models / Lorin Loverde Single-loop Learning 1st Loop Single-loop Learning Implementing a Plan 1a. Distributed Leadership 2a. Training 3a. Teamwork 4a. Quality Assurance, in Process 5a. Purchasing 6a. Receiving 7a. Manufacturing 8a. In-bound Logistics 9a. Accounting-Budgeting-Cash Flow 10a. Information Technology 11a. Market Research – Advertising 12a. Contracts 13a. Building tacit knowledge 1 st Loop Single -loop Learning Completing a Plan 1b. Cultural Identity as developed over time 2b. Continuous Improvement 3b. Project Management 4b. Quality Control, Testing 5b. Returns 6b. Shipping 7b. Packaging 8b. Out-bound Logistics 9b. Accoun ting-Auditing -Currency Exchange 10b. Knowledge Management 11b. Sales -Service -Guarantees 12b. Product Liability 13b.Relying on tacit knowledge developed over time Fig. 1. Operations. Single-loop learning Figure 1 shows some of the basic operations of an ongoing business. Here there is an important assumption: the business has already been established. Therefore, the focus for learning is how to meet established goals within an established corporate culture. There are two columns showing single-loop feedback, one oriented to implementing a plan and the second oriented to completing a plan. Double-loop learning A double loop of feedback is reflective. It requires a self-conscious agent that questions whether the goal is worth while. The guided missile might work well, but the second loop of feedback can change the goal.1 For figure 2, it is no longer assumed that there is an ongoing organization, business as usual, or an established corporate culture. This change of assumption also changes considerably the focus for learning, which now is about which goals to have. There are two basic conditions for double-loop feedback in organizations: a start-up Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 of a new organization or a shake-up of an existing organization. Figure 2 shows in two columns (a) aspects of originating a cycle, such as the reflective view of the future, articulation of beliefs and values, and (b) aspects of ending a cycle, such as change management or re-structuring. The types of cycles will vary according to whether it is a start-up of an organization with little history or a shake-up of an established organization with more than a few years of history. In an established learning organization, doubleloop feedback is perfected through the movement that identifies tacit knowledge and makes it explicit so it can become accessible throughout the system. The payoffs are effectiveness and targeting of the best niches to serve. Teamwork changes into Self-Managed Teams (SMTs), where distributed leadership and flexible roles Three-sixty (360 degree) feedback risks in-fighting but can also give superiors important insights into their limitations. Keeping close to the customer and stakeholder focus is an 31 �Learning organizations and quadruple loops of feedback. Part I. Theoretical models / Lorin Loverde 2 Double-Loop Learning 2nd Loop Double-loop Learning Originating a Cycle and Defining a New Vision 1. Vision of Possibilities: technologies, markets, strategies 2a. Belief systems, values, priorities 3a. Corporate Start-up, Organizational Design and Values 4a. Self-Managed Teams critically review standard operating procedures (SOPs) 5a. Financial structuring, capitalization of new entity 6a. Design of product or conception of service 7a. Understanding customer criticism of products and services 8a. Regulatory Agencies 9a. Supplier relationships 10a. Making tacit knowledge explicit4 11a. Knowledge starting its life-cycle5 nd 2 Loop Double-loop Learning Ending a Cycle and Implementing a New Vision 3 2b. Corporate culture, history and tradition 3b. Basic Change Management 4b. Continual improvement 5b. Financial re-structuring, debt management 6b. Product Life-cycle Management 7b. Product or service revisions, begin next generation design and production 8b. Change of laws, anti-trust actions 9b. Community criticismof the company 10b.New use for explicit knowledge, technology transfer, systemic access to knowledge 11b. Knowledge ending its life-cycle 1 Fig. 2. Reflections important aspect of double-loop feedback because the customers and stakeholders2 (including suppliers, regulators, and the community) naturally have a critical view of products/services purchased. Double-loop learning and other higher levels are not meant to replace the single-loop. Singleloop learning is part of standard operating procedures, which are appropriate after the company is set up or until change is required. The second level of learning is connected to the first3 and encompasses it. The second loop occurs as one reflects on what the single-loop learning accomplishes; the double loop is feedback obtained when making the single loop a theme or when criticizing the purposes of the single loop. Triple-loop learning Triple-loop feedback means expansive action in light of multiple systems, diverse cultures, and new 32 opportunities.4 The third loop requires exposure to fundamental differences, such as found when agents from different cultures find they see things differently.5 In a learning organization, triple-loop feedback is initiated in a number of ways: (a) internally by increasing diversity by hiring people from different countries or backgrounds, so they bring different cultural perspectives to a company even if it still has domestic operations, (b) externally by doing business in diverse markets, so the foreign markets themselves have different cultural assumptions, (c) externally by outsourcing, joint ventures, and/or making strategic alliances with companies from other cultures. The possibility of this third loop of feedback does not mean that management listens and learns. Organizations can miss triple-loop learning and instead work at a minimal level: hire various categories or “foreigners” simply to fulfill statutory requirements, or establish foreign divisions merely Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Learning organizations and quadruple loops of feedback. Part I. Theoretical models / Lorin Loverde 3 Triple-Loop Learning 3rd Loop Triple-loop Learning Cross-Cultural Activities 1a. Outsourcing in other regions 2a. Strategic Alliances and the extended organization10 3a. Competitor Intelligence evaluating corporate culture and potentials 4a. Organize and improve knowledge throughout the system11 5a. Diversity in own workforce 6a. Self-Managed Teams and distributed leadership 7a. Transnational corporations integrate local operations with global knowledge centers 8a. Surfing the edge of chaos 12 9a. Individual power struggles take advantage of ambiguity 3 rd Loop Triple -loop Learning Risks/Rewards 1b. Global opportunities 2b. Risk of power struggles but potential reward of rapid expansion 3b. Reward of out maneuvering competitors but risk of error 4b. Reward of increasing leverage but risk of picking the wrong focus 5b. Reward of corporate renewal and emergence from chaotic conditions 6b. Reward of rapid decision making but risk of errors in decisions 7b. Reward of global markets but risk of local reactions against globalism 8b. Relativism, loss of value differentiation, anything goes 9b. Risk of Conflicts from hidden agendas, egoism, politics in the war of all against all 2 1 Fig. 3. Expansions. for the low labor rates. To be effective, triple-loop learning means that that all levels really listen to the contributions of diversity. The payoffs are emergence of unanticipated changes and organizational vitality that is continually renewed through the diverse viewpoints. This diversity of cultural views also brings conflict, so organizations at the higher level of triple-loop learning need to establish the safe space that encourages people to express divergent views.6 Ethics at this level is often conceptualized as the responsibility of the organization to have a constitution to protect diversity. We should realize, however, that such assertions within an organization are still subject to reflective review on a philosophical level, which later will bring us to the fourth level. For the moment, staying at the third level, figure 3 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 lists some of the areas in which triple-loop learning is required, usually involving some form of increased diversity and cross-cultural contact. The third loop of learning is connected to the second and encompasses it, or at least overlaps with it. The third loop occurs when a member of one culture is surprised by the thoughts and criticisms by the member of another culture. Like the second level, the third level is reflective/critical, but its foundation is in another horizon or another paradigm. We might say our third level learning begins when someone from another culture else applies their second-level criticism to our concerns. The key factor is that we cannot make that kind of critique while trapped within our own horizon and operating at our second level of learning. Therefore, diversity across horizons produces more types of knowledge and world-views, enhancing both survival and creativity. 33 �Learning organizations and quadruple loops of feedback. Part I. Theoretical models / Lorin Loverde Quadruple-Loop Learning 4 4 Quadruple-loop Learning Foundations 1a. Co-primacy of ethics: placing the good equal with success 2a. Horizons, eras, paradigms in science15, religion, etc. 3a. Mega-trends16 4a. Deep assumptions, a world view, root metaphors17 5a. Provisional universal principles 6a. Knowledge creation, profound metaphors, imaginative leaps 7a. Self-Managed Teams: transformational leadership through authentic dialogue18 8a. Revolution, complete change of system because the establishment no longer works equitably 3 2 4 Quadruple-loop Learning Implications 1b. Develop integrity, trust 2b. Discover new paradigms 3b. Lead the change curve but risk being too far ahead 4b. Vertical intelligence but risk of chaos in loss of all organizing assumptions 5b. Stand against relativism but risk of the abyss, nihilism 6b. Breakthrough, new vision of future possibilities 7b. Deep commitment to goals and values 8b. Risk of totalitarianism that imposes definitions of reality in a power vacuum 1 Fig. 4 Philosophical Reflections. Quadruple-loop learning A quadruple loop of feedback is more deeply reflective, so it is inherently philosophical. It also questions what is going on but questions much more than specific goals. It learns from application of universals to situations, allowing us to overcome the inherent relativism of triple-loop learning that is stuck with multiple systems and no way to choose among them. The fourth loop of feedback can decide among systemic options and evaluate the foundational claims of each. In a learning organization, quadrupleloop feedback is perfected through philosophically reflecting on foundations, justifying rationales, and discovering new paradigms to identify universal principles7 by which one can decide among various cultural views. Nothing is more important for the business than its business philosophy, which guides and justifies all decisions. If it is born of the right 34 level of consciousness, philosophy will define what reality is, justify the proper values, and align the individual/group efforts into unity. The payoffs are breakthroughs into entirely new markets with the opportunity for first-mover advantage. Transformational leadership goes beyond rational management and the use of formal authority to achieve compliance. Transformational leaders must be great communicators, be able to resist stress, have a negative need for security, a perpetual drive for achievement, and a positive need for challenges. In addition, they must demonstrate high standards of ethical and moral conduct, have a high tolerance for uncertainty and ambiguity, take risks, and initiate innovative breakthroughs.8 Figure 4 shows some of the higher-level reflections that are important for business, including the place of ethics, the deep assumptions, horizons, Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Learning organizations and quadruple loops of feedback. Part I. Theoretical models / Lorin Loverde paradigms, principles and knowledge creation. The fourth loop of learning is connected to the third and the second and encompasses them. The fourth loop occurs when a member of any culture is both reflective and comparative, and then attempts to justify a position with good reasons. This is a turn toward the universal. At the second level, trapped in double-loop feedback, a member of one culture or representative of one paradigm cannot see outside of that horizon. Therefore, we cannot reasonably claim some universality within the process of double-loop learning. Quadruple-loop learning only begins when it is comparative across horizons, thus avoiding the criticism that it is naïve foundationalism based on absolutes that are valid only within one cultural horizon. If you are wondering why the “learning organization” is so important, the answer is simple. The alternative is the static organization. Actually, the static organization is not extinct…yet. Many relatively static organizations still exist in spite of slow learning because they have other advantages such as economies of scale, technological exclusivity, brand identity, or lazy markets where things do not change much over the years. Learning organizations are inherently dynamic and become necessary under the opposite conditions: small competitors run circles around the giants, technology changes overnight, generics are rapidly replaced by successive waves of well-tailored specialty products, and market dynamics shift the playing field faster than the giants can dance on the red hot coals. If the organization can then not learn rapidly how to succeed differently, it dies. Period. Old style leaders who still cultivate egotistical richness and power do not change because they get religion; they change because of fear of being wiped off the playing field by world-class competitors both locally and globally. Most of the US Fortune 500 companies of fifty years ago are gone. In conclusion, the learning organization that encompasses all four feedback loops not only is more competitive in the face of world-class companies, it also is beneficial for humanistic and environmental concerns. The learning organization becomes smart enough to treat knowledge workers better because they now contribute more, and it takes a long-term view of sustainable economic growth. Ethical Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 leadership and corporate social responsibility are integral to the organization and are recognized as a wise investment that fosters sustainable growth, not viewed as an expense that retards the illusion of endless growth. Failing a lack of ethical standards in the economic sector, entire countries have already and in the future will continue to be tempted to turn against capitalism. The learning organization is a necessary even if not sufficient condition for business excellence. The problem is that most companies treated the learning organization as another management fad. When companies achieve corporate-wide reorganization to overcome centralism, 9 they will have the opportunity to implement real learning on an organizational level. REFERENCES 1. Senge, Peter M., The Fifth Discipline: The Art and Practice of the Learning Organization, Century Business, Random House, London: 1993. 2. Loverde, Lorin, “Business Leadership and Higher Purpose: Foundations for Business Ethics,” Ingenierías, Revista de divulgación de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, México, Vol. V, No. 14, Enero, 2002 http://www.uanl. mx/publicaciones/ingenierias/14/pdf/14Lorin%/ 20Loverde.pdf (retrieved November 2, 2004) 3. Deal, Terrence E., and Kennedy, Allen A., Corporate Cultures: The Rites and Rituals of Corporate Life. Addison-Wesley Publishing Company: Reading, MA, 1982. 35 �Learning organizations and quadruple loops of feedback. Part I. Theoretical models / Lorin Loverde 4. Nonaka, Ikujiro, “The Knowledge Creating Company,” Harvard Business Review, Nov-Dec 1991. 5. Joseph Firestone, “Key Issues in Knowledge Management,” Knowledge and Innovation, a Journal of Knowledge Management Consortium International, Vol 1, No. 3 April 2001. 6. The connectivity of the higher loops to the lower loops of feedback was recommended by Alan Belasen, private e-mail conversation, December 4, 2004. 7. Loverde, Lorin, “Intellectual Capital Evaluation: an M&A Approach,” Knowledge and Innovation, a Journal of Knowledge Management Consortium International, Vol 1, No. 3 April 2001 http:// www.kmci.org/KI_Journal/KI_ArticlesHome. htm (retrieved April 1, 2002) 8. Richard Vicenzi, “Diversity’s Role in Emergence, Vitality, and Balancing Stakeholder Interests at the Edge of Chaos,” Journal of Diversity Praxis, Vol. I, No. 3, 2004. http://www.globaldiversityinstitute. org/journal/Summer04/workplace_Sum04php (retrieved November 20, 2004) 9. 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Para llegar a estos patrones se utiliza el proceso de “descubrimiento de conocimiento en bases de datos”, el cual consiste de una serie de pasos que permite a identificar patrones poco obvios dentro de los datos. Este artículo describe el proceso del “descubrimiento de conocimiento en bases de datos” y algunas de sus aplicaciones actuales, e ilustra el proceso mediante el estudio de un caso a partir de una base de datos de clientes de una pequeña industria química. PALABRAS CLAVE Patrones de compra, descubrimiento de conocimiento en bases de datos, minería de datos, inteligencia artificial. ABSTRACT The discovery of buying patterns is a very important knowledge source for the development of selling and buying strategies in a company. Obtaining these patterns in a quick and easy way enables us to know and analiyse the needs of our clients, and learn what we can do to solve these needs. In order to extract these patterns we use the process of knowledge discovery in databases (KDD). This process consists of several steps that lead us to discover interesting patterns in our data. This paper describes the concept of knowledge discovery in databases and some of its current applications. We show this process through a case study using the database of a small chemical firm. KEYWORDS Buying patterns, knowledge discovery in databases, data mining, artificial intelligence. INTRODUCCIÓN El objetivo de este artículo es presentar el proceso de descubrimiento de conocimiento en bases de datos a través del análisis de la base de datos de una empresa cuyo nombre se omite por razones de confidencialidad. Esta empresa se dedica a la comercialización de productos químicos especializados. El realizar un Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 37 �El proceso de descubrimiento de conocimiento en bases de datos / José Fernando Reyes Saldaña, et al análisis de los datos de ventas proveerá información importante acerca de los hábitos de compra de sus clientes. Para llegar a conocer los patrones existentes dentro de la base de datos se debe resolver un problema de asociación. Este tipo de problema se caracteriza por buscar patrones dentro de los datos para llegar a reglas que asocien los diferentes atributos de ellas. Para resolver el problema de interés para este artículo se analizará la información contenida en la base de datos en forma de transacciones, donde una transacción contiene los datos de los artículos comprados por un mismo cliente. Este problema se conoce como el problema del carrito del supermercado. Su propósito es estudiar los artículos adquiridos por un cliente para identificar combinaciones que tienen afinidad unos con otros, es decir, se trata de identificar la relación entre dos artículos presentes en la misma transacción. Por ejemplo, se espera ver en un supermercado que un cliente que ha comprado carne para asar, lleve en el mismo carrito el carbón, cebolla y todo lo necesario para asar la carne. Sin embargo, se requerirá una gran cantidad de información sin ningún orden específico, ya que los clientes no suelen acomodarse según lo que compran. El trabajo del analista será el buscar de entre todos estos datos, cuáles pueden proveer información valiosa acerca de los hábitos de compra de los clientes. Para resolver este problema se utilizarán el proceso de descubrimiento de conocimiento de bases de datos (Knowledge Discovery in Databases, KDD por sus siglas en inglés) y la minería de datos (data mining), DM los cuales son muy estudiados en la actualidad debido a su amplia aplicación en las bases de datos corporativas, las cuales tienden a ser de gran tamaño. García-Flores 1 menciona algunas de las aplicaciones de KDD, el cual se emplea en una gran cantidad de actividades, tales como: Mercadeo: Ésta ha sido un área de aplicación tradicional de las técnicas de descubrimiento de conocimiento. La aplicación dentro del mercadeo está principalmente encaminada al análisis de las bases de datos de clientes. Por ejemplo, Fitzgerald2 y Whitung3 presentan cómo mejorar el proceso de venta de empresas mediante la minería de datos. 38 Inversiones financieras: Muchas aplicaciones de análisis financiero emplean técnicas de predicción para tareas como la creación de la cartera de clientes y la creación de modelos financieros, pero para mantener su ventaja competitiva, raramente se publican estos trabajos. Becerra4 presenta un estudio del riesgo de inversión en diferentes países. Detección de fraudes: Los bancos y otras instituciones financieras utilizan KDD para la detección de transacciones sospechosas y actividades de lavado de dinero. Sangi5 realizó un estudio de transacciones sospechosas para la detección de fraudes bancarios. Manufactura y producción: El KDD en planeación y control de manufactura es un área con gran potencial de ganancia, dado que los datos obtenidos son raramente explotados. Ho6 muestra una aplicación de minería de datos en monitoreo y diagnóstico de manufactura remota. Administración de redes: Esta área tiene un factor de cambio muy rápido con respecto al tiempo. Las redes de computadoras y telecomunicaciones son grandes y complejas y producen muchas alertas diariamente, pero también producen datos de los cuales se puede extraer conocimiento acerca de su operación. Mannion7 presenta un producto que integra minería de datos para la administración de redes computacionales. Minería de datos en Internet (Web mining): Es un área en auge debido al crecimiento exponencial de la Internet. Útil por ejemplo para el descubrimiento de patrones de navegación de los usuarios y para mejorar el diseño y organización de un sitio de Internet de Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �El proceso de descubrimiento de conocimiento en bases de datos / José Fernando Reyes Saldaña, et al acuerdo a los patrones de acceso. Chang8 presenta una aplicación de minería de datos en Internet para búsqueda de imágenes. El impacto de KDD y DM para las empresas puede ser muy amplio, ya que su utilidad potencial depende de los resultados del análisis de datos. Pequeñas variaciones en los valores de los parámetros pueden producir resultados muy generales o demasiado particulares. Sin embargo, si se definen bien cuáles serán los datos de entrada y los datos de salida, se puede acotar el campo de estudio del análisis y definir el alcance del resultado que se espera obtener al utilizar KDD. PROCEDIMIENTO PARA LA BÚSQUEDA DE INFORMACIÓN EN BASES DE DATOS El proceso de KDD consiste de varios pasos, a través de los cuales se creará un modelo para el análisis de la base de datos. Estos pasos son: 1. Aprender el dominio de la aplicación. Implica el adquirir conocimiento del área de estudio del sistema y la meta a obtener. Se puede descomponer esta tarea en tres áreas: a. Aprendizaje del tema. El analista debe conocer el proceso detrás de la generación de la información para poder formular las preguntas correctas, seleccionar las variables relevantes a cada pregunta, interpretar los resultados y sugerir el curso de acción después de concluido el análisis. b. Recolección de datos. El analista debe conocer dónde se encuentran los datos correctos, cómo fueron obtenidos los datos de varias fuentes, cómo se pueden combinar estos datos y el grado de confianza de cada fuente. c. Experiencia en análisis de datos. El experto en DM debe tener conocimientos adecuados en el uso de la estadística. 2. Creación de la base de datos de trabajo. Consiste en elegir un subconjunto de variables o datos de muestra, de los cuales se obtendrá conocimiento. Esto con el fin de eliminar valores redundantes e inconsistencias en los datos de varias fuentes al juntarlos dentro de una sola base de datos. 3. Limpieza y pre-procesamiento de los datos. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 Incluye operaciones básicas sobre los datos, como el filtrado para reducir ruido y decidir qué hacer con los datos faltantes. Otras tareas de preprocesamiento no tan evidentes son: a. Derivar nuevos atributos. Crear campos explícitos con relaciones entre los atributos conocidos (como relaciones entre ingresos y gastos) pueden hacer el análisis más sencillo. b. Agrupación. Donde hay relaciones unoa-muchos en las bases de datos, podemos convertir estas relaciones en uno-a-uno y agregar un campo de conteo o suma, que contabilice todos los registros de la relación. 4. Reducción de datos y proyección. En este paso el analista trata de buscar características útiles para representar los datos en función de las metas del proyecto y posiblemente también reducir las dimensiones de la base de datos. 5. Elegir la función del algoritmo de minería de datos. El propósito del modelo se decidirá en este paso. Usualmente los algoritmos de DM realizan una de las siguientes tareas: a. Síntesis. Dados una gran cantidad de atributos, es necesario sintetizar los datos usando varias reglas características que simplificarán la construcción del modelo. b. Asociación. Los algoritmos en esta clase generan reglas que asocian patrones de transacciones con cierta probabilidad. c. Agrupamiento. Agrupar objetos dentro de clases, basados en sus características, maximizando la semejanza dentro de la misma clase, y minimizando la semejanza entre clases diferentes. d. Clasificación y predicción. Categorizar datos basándose en un conjunto de datos de entrenamiento y hacer un modelo para cada clase. Este modelo sirve para clasificar los nuevos datos agregados a la base de datos. 6. Elegir el algoritmo de minería de datos. La tarea consiste en seleccionar el método a ser usado para la búsqueda de patrones en los datos. Esto refina el alcance de la tarea anterior para utilizar el algoritmo más adecuado que ayude a alcanzar el objetivo final. 39 �El proceso de descubrimiento de conocimiento en bases de datos / José Fernando Reyes Saldaña, et al 7. Minería de datos. Es el paso de análisis propiamente dicho. 8. Interpretación. Consiste en entender los resultados del análisis y sus implicaciones y puede llevar a regresar a alguno de los pasos anteriores. Hay técnicas de visualización que pueden ser útiles en este paso para facilitar el entendimiento. 9. Utilización del conocimiento obtenido. La aplicación de los patrones extraídos puede implicar uno de los siguientes objetivos: a. Descripción. La meta es simplemente obtener una descripción del sistema bajo estudio. b. Predicción. Las relaciones obtenidas son usadas para realizar predicciones de situaciones fuera de la base de datos. c. Intervención. Los resultados pueden conducir a una intervención activa en el sistema modelado. El proceso puede contener varias iteraciones o ciclos entre los pasos. El punto crucial de este procedimiento se encuentra en el algoritmo de análisis (paso 6), que provee de una forma inteligente y automática de obtener conocimiento útil a partir de los datos. El paso central del KDD, la minería de datos, es un método de análisis apropiado cuando partimos de una pregunta vaga con muchas relaciones posibles por evaluar, por ejemplo “¿Qué grupos de clientes tienden a comprar X?”. Por otro lado, si la pregunta es específica, los métodos estadísticos clásicos resultan más adecuados para abordar el estudio. En la siguiente sección se presentan las herramientas que se utilizarán para el análisis de los datos con KDD. En las secciones restantes se ilustra la aplicación del proceso KDD al análisis de la base de datos de una pequeña empresa química. HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS El descubrimiento de conocimiento se realizó a través de un programa en lenguaje Java. Se eligió este lenguaje debido a que es portátil, es decir, se puede utilizar en cualquier sistema operativo sin cambios en el programa original; está totalmente orientado a objetos, además de tener a disposición 40 la biblioteca de funciones de análisis Weka. La biblioteca de análisis Weka fue desarrollada por la Universidad de Waikato, Nueva Zelanda, y contiene un conjunto de algoritmos de aprendizaje de máquina. El utilizar esta biblioteca de análisis numérico permite centrarse más en el manejo de los datos y el formato de los resultados que en detalles de implementación de los algoritmos. Para poder procesar los datos, es necesario convertirlos a un formato de archivo especial, llamado ARFF. A continuación se ilustrarán los pasos del KDD mediante el caso de estudio ya mencionado. LA INFORMACIÓN A ANALIZAR El primer paso del proceso de KDD es familiarizarse con el dominio de la aplicación y la meta a obtener. La base de datos de la empresa contiene información acerca de todos los movimientos realizados por el departamento de ventas durante un período de doce meses, los cuales totalizan trece mil seiscientos noventa movimientos. Cada entrada en esta base de datos representa una compra, como se puede ver en la figura 1. La meta del análisis es conocer qué artículos compran en común los clientes, es decir, si un cliente adquiere el artículo A, es posible que también adquiera el artículo C, en la misma compra o compras diferentes. Como segundo paso se debe crear la base de datos de trabajo. Este proceso puede ser el más complicado, ya que si no tenemos bien definido el objetivo, cualquier subconjunto de datos puede parecer útil. Sin embargo, una vez que se sabe cuál es el resultado que se desea obtener, es posible definir más fácilmente qué datos serán necesarios. En el caso del estudio que se presenta existen muchos datos en la base de datos original que no serán útiles para el análisis. Por ejemplo, en la figura 1, la columna con el número de cliente y su razón social representan la misma información, igualmente para el número de artículo y descripción. Debido a que se buscan los artículos comunes que compran los clientes, se considerará solamente el número de cuenta del cliente y el número de catálogo del artículo. El resto de los datos se descartará. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �El proceso de descubrimiento de conocimiento en bases de datos / José Fernando Reyes Saldaña, et al Fig. 1. Muestra de la base de datos de transacciones. Incluye número de cuenta de los compradores e información sobre el producto adquirido. LIMPIEZA Y PRE-PROCESAMIENTO DE DATOS El primer paso para la limpieza será el eliminar de la base de datos de trabajo productos comprados más de una vez por el mismo cliente, ya que como contiene los movimientos realizados por los clientes durante un período de doce meses, es de esperarse que los clientes hayan comprado un mismo artículo más de una vez en este período. Así, si se ordenan los artículos por número de cliente y número de artículo se pueden identificar grupos de cliente-artículo repetidos, que se pueden eliminar fácilmente. Una vez ordenados los datos hay dos acciones que se deben realizar con ellos. La primera es obtener la lista de todos los artículos diferentes. La segunda, la eliminación de los productos repetidos, con el fin de preparar el archivo ARFF. Ambas tareas se realizarán mediante macros en Excel, debido a que se tienen una cantidad pequeña de datos en el caso de trabajo. La eliminación de artículos repetidos reduce los movimientos de 13,690 a 3,725. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 Una vez obtenida la lista de clientes y artículos, se acomodan todos los artículos comprados por un cliente en un renglón. Ya acomodados se obtiene una lista como la que se muestra en la figura 2. Esta lista contiene los artículos en la primera columna y la lista de artículos por cliente en los renglones a partir de la columna D, como se muestra en la figura 2. A partir de este archivo se obtendrá el listado de transacciones para el archivo ARFF. Se desarrolla otra macro más, que realizará la exportación desde los datos, haciendo lo siguiente: 1. Dentro de la lista de artículos, se marcan con un “1” los que se encuentran presentes en nuestro arreglo de la derecha, y se dejan con el “?” los que no se encuentran. Sólo se marcan los que tienen más de un artículo, ya que no se puede obtener una relación con un solo artículo. 2. Una vez terminado, se exporta la columna de valores al archivo ARFF. Esta columna representa una transacción. 41 �El proceso de descubrimiento de conocimiento en bases de datos / José Fernando Reyes Saldaña, et al Fig. 2. Datos preparados para la exportación a la sección 3 del archivo ARFF. Se muestra el número de catálogo de los productos y los números de cuenta de los compradores. 3. Se reinician todas las celdas de valores a “?” y se prosigue con la siguiente línea. Una vez terminado el archivo requerido por nuestro algoritmo, se elige como función de minería de datos la de asociación. EL OBJETIVO DEL ANÁLISIS Debido a que se espera obtener relaciones entre los diferentes productos que se encuentren dentro del conjunto de transacciones de la empresa, la función más apropiada para el análisis es el descubrimiento de reglas de asociación dada por Webb.9 El descubrimiento de reglas de asociación busca relaciones o afinidades entre conjuntos de artículos (item sets). Un conjunto de artículos se define como cualquier combinación formada por dos o más artículos diferentes de todos los artículos disponibles. Una regla de asociación se forma con dos conjuntos: la premisa y la conclusión. La conclusión se 42 restringe a un solo elemento. Las reglas generalmente se escriben con una flecha apuntando hacia la conclusión desde la premisa, por ejemplo {0041} → {3465}. Una regla de asociación indica una afinidad entre la premisa y la conclusión, y generalmente está acompañada por estadísticos basados en frecuencia que describen esta relación. Los dos estadísticos utilizados inicialmente para describir las relaciones son el soporte (o apoyo, denotado sop) y la confianza (conf), los cuales son valores numéricos. Para describirlos se necesitan algunas definiciones. Se define D como la base de datos de las transacciones, es decir, un conjunto de transacciones, y N como el número de transacciones en D. Cada transacción Di es un conjunto de elementos, en el ejemplo un elemento es el número de artículo, como 0041 ó 3465. Se define sop(X) como la proporción de transacciones que contienen el conjunto X, donde I es un conjunto de elementos, y se utilizará |A| para denotar la cardinalidad del conjunto A. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �El proceso de descubrimiento de conocimiento en bases de datos / José Fernando Reyes Saldaña, et al sop ( X ) = {I | I ∈ D ∧ I ⊇ X } (1) N El soporte de una regla de asociación es la proporción de transacciones que contienen tanto a la premisa como la conclusión. La confianza de una regla de asociación es la proporción de transacciones que contienen a la premisa, y que también contienen a la conclusión. Así, para una asociación A→C: (2) sop ( A → C ) = sop ( A ∪ C ) conf ( A → C ) = sop ( A ∩ C ) sop( A) (3) A continuación se ilustra el cálculo del soporte con una pequeña base de datos de ejemplo que contiene 10 transacciones, mostrada en la figura 3. Se puede observar aquí que, si se quiere obtener sop(manzanas), de 10 transacciones disponibles 4 contienen manzanas, por lo que sop(manzanas) = 4/10 = 0.4, igualmente para el sop(zanahoria) hay 3 transacciones que la contienen, así sop(zanahoria) {ciruelas, lechuga, tomates} {apio, dulcería} {dulcería} {manzanas, zanahorias, tomates, papas, dulcería} {manzanas, naranjas, lechugas, tomates, dulcería} {duraznos, naranjas, apio, papas} {frijoles, lechuga, tomates} {naranjas, lechuga, zanahorias, tomates, dulcería} {manzanas, plátanos, ciruelas, zanahorias, tomates, cebollas, dulcería} {manzanas, papas} Fig. 3. Base de datos de ejemplo. = 3/10 = 0.3, sop(dulcería) = 0.6, sop(manzana→ dulcería) = 0.3, sop(manzana→tomates)=0.3. Si el soporte o apoyo es suficientemente alto y la base de datos es grande, entonces la confianza es un estimado de la probabilidad que cualquier transacción futura que contenga la premisa, contendrá también la conclusión. De la base de datos de ejemplo de la figura 3, vemos que conf(manzanas→dulcería) = sop(manzana→dulcería) / sop(manzanas) = 0.3/0.4 = 0.75, conf(manzanas→tomates) = 0.75, conf(zanahorias→dulcería) = 1. El algoritmo de asociación tratará de descubrir todas las reglas que excedan las cotas mínimas Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 especificadas para el soporte y la confianza. La búsqueda exhaustiva de reglas de asociación consideraría simplemente todas las combinaciones posibles de elementos, poniéndolas como premisas y conclusiones, entonces se evaluaría el soporte y la confianza de cada regla, y se descartarían todas las asociaciones que no satisfacen las restricciones. Sin embargo el número de combinaciones crece rápidamente con el número de elementos, por lo que si hay 1,000 elementos, se tendrán 21,000 combinaciones (aproximadamente 10300). Para cada premisa existe la posibilidad de formar una regla poniendo como conclusión cualquier conjunto de elementos que no contenga algún elemento que ya se encuentra en la premisa. Así, este procedimiento para la búsqueda de reglas de asociación es muy costoso computacionalmente, por lo que se necesita otro procedimiento más eficiente. EL ALGORITMO APRIORI El algoritmo Apriori presentado por Agrawal10 ataca el problema reduciendo el número de conjuntos considerados. El usuario define un soporte mínimo, min_sop. De la definición de soporte tenemos q u e s i sop( A ∪ C ) ≤ min_sop e n t o n c e s sop( A → C ) ≤ min_sop . Apriori genera todos los conjuntos que cumplen con la condición de tener un soporte menor o igual a min_sop. Para cada conjunto frecuente X se generan todas las reglas de asociación A → C tales que A ∪ C = X y A ∩ C = ∅ . Cualquier regla que no satisfaga las restricciones impuestas por el usuario, como por ejemplo la confianza mínima, se desechan, y las reglas que sí cumplen se conservan. Como sop ( A) ≥ sop ( A → C ) y sop (C ) ≥ sop ( A → C ) , si A ∪ C es un conjunto frecuente entonces tanto A como C son conjuntos frecuentes. El soporte, la confianza, y otras métricas por las cuales la regla de asociación A → C es evaluada pueden ser derivadas desde sop ( A) , sop (C ) y sop ( A ∪ C ) . Así, guardando todos los conjuntos frecuentes y su soporte, tenemos toda la información requerida para generar y evaluar las 43 �El proceso de descubrimiento de conocimiento en bases de datos / José Fernando Reyes Saldaña, et al reglas de asociación que satisfacen min_sop. En la solución del problema del carrito de supermercado, cada producto individual aparece solamente en una pequeña cantidad del total de las transacciones. Así, el número de conjuntos frecuentes es relativamente bajo, aún cuando min_sop sea un valor muy pequeño. Por eso, el utilizar conjuntos frecuentes nos permite reducir el espacio de búsqueda a un tamaño más manejable, debido a que los datos del carrito de compras se encuentran muy dispersos. La búsqueda inicial de reglas de asociación permite encontrar todas las asociaciones que satisfagan una restricción inicial de soporte y confianza. Esto puede llevar a obtener una gran cantidad de reglas de asociación a partir de los datos, las cuales no serían manejables. Por lo tanto es deseable reducir el número de reglas de tal manera que solo queden las más interesantes. Para esto se utilizan otras medidas de interés de las reglas de asociación como el levantamiento y el apalancamiento. LEVANTAMIENTO Esta medida compara un subconjunto de los datos contra todos los datos, dando resultados más generalizados que el soporte y la confianza, los cuales sólo nos proveen resultados evaluados en un subconjunto de los datos. El levantamiento (lev) se define como la relación entre la frecuencia con que la conclusión se encuentra en las transacciones que contienen la premisa, dividida entre la frecuencia de la conclusión en todos los datos. lev( A → C ) = conf ( A → C ) sop(C ) (4) Valores de levantamiento mayores a 1 indican que la conclusión es más frecuente en transacciones que contienen también la premisa, que en transacciones que no la contienen. Por ejemplo, considerando la asociación {tomates}→{lechuga}. Si sop({lechuga})=0.4 y conf({tomates}→{lechuga})=0.67. Entonces, lev({tomates} → {lechuga}) = = 0.67 = 1.675 0 .4 44 conf (tomates → lechuga) sop(lechuga) Como contraste, consideramos otra asociación con la misma confianza, {tomates}→{dulcería}. Donde sop({dulcería}) = 0.6, conf({tomates}→{dulcería}) = 0.67. Así, lev(tomates → dulcería) = = conf (tomates → dulcería) sop (dulcería) 0.67 = 1.117 0 .6 Estos valores relativos de levantamiento indican que los tomates tienen un mayor impacto en la frecuencia de la lechuga que en la frecuencia de la dulcería. APALANCAMIENTO Aunque el levantamiento es muy usado, no es siempre una buena medida de qué tan interesante puede ser una regla. Una asociación con poca frecuencia y mucho levantamiento puede ser de menor interés que una de mucha frecuencia pero poco levantamiento, debido a que esta última aplica a más individuos. El apalancamiento (ap) es una medida que captura tanto el volumen como la fuerza de la regla en un sólo valor, y se define como la diferencia entre la frecuencia con la que la premisa y la conclusión ocurren y la frecuencia que se esperaría si ambos fueran independientes. ap ( A → C ) = sop ( A → C ) - sop ( A) ⋅ sop (C ) (5) Por ejemplo, considérense las asociaciones {zanahorias}→{tomates} y {lechuga}→{tomates}. Ambas asociaciones tienen confianza = 1.0 y levantamiento = 1.667. Aunque el segundo puede ser de mayor interés por aplicar a más clientes. Podemos constatar esto al calcular el apalancamiento para {zanahorias}→{tomates} así, sop ({zanahorias} → {tomates}) = 0.3 sop ({zanahorias}) = 0.3 sop ({tomates}) = 0.6 ∴ ap ({zanahorias} → {tomates}) = 0.3 - 0.3 ⋅ 0.6 = 0.12 Y el apalancamiento para {lechuga}→ {tomates}, Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �El proceso de descubrimiento de conocimiento en bases de datos / José Fernando Reyes Saldaña, et al sop ({lechuga} → {tomates}) = 0.4 sop ({lechuga}) = 0.4 sop ({tomates}) = 0.6 ∴ ap ({lechuga} → {tomates}) = 0.4 - 0.4 ⋅ 0.6 = 0.16 El impacto final de la segunda asociación es mayor que el de la primera. Medidas como el levantamiento y apalancamiento pueden ser usadas para restringir el número de reglas que obtenemos con el descubrimiento de reglas de asociación, proponiendo un valor mínimo para que éstas sean descartadas y obtener las mejores. Ahora que se conoce el procedimiento a utilizar para realizar la minería de datos y se han procesado los datos para su utilización en el algoritmo, se presenta enseguida el modo en que se resolvió el problema propuesto en el presente trabajo. RESULTADOS OBTENIDOS Una vez programado el algoritmo y listo para ser ejecutado en Java, es necesario proveer los parámetros adecuados para obtener una buena cantidad de reglas de asociación. Los parámetros provistos son: • Soporte mínimo = 0.05: Es el soporte mínimo a tener para que la regla sea considerada. Este soporte es muy pequeño debido a la relación entre la cantidad de reglas y la cantidad de atributos que se tienen. Dado que, como ya lo dijimos anteriormente, la matriz de transacciones de un problema de carrito de compras es una matriz dispersa, necesitamos utilizar un valor de confianza muy bajo para obtener reglas desde nuestro archivo. Es por esto que dentro de nuestro algoritmo definimos el soporte mínimo en 0.05. • Tipo de métrica = Confianza: Las opciones disponibles para esta opción son los cuatro tipos de métricas explicadas anteriormente: soporte, confianza, levantamiento y apalancamiento. En este caso se indica que se considerarán las reglas con la confianza indicada. • Número de reglas = 20: Indica el número máximo de reglas a obtener. Se utiliza como criterio de parada para detener la ejecución si se llega a este número de reglas cumpliendo con las restricciones propuestas. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 Una vez que se ha preparado el archivo de datos, y se ha implementado el algoritmo, éste se ejecuta y se obtiene una ventana de resultados como la mostrada en la figura 4. Aquí se puede observar que el algoritmo se ha ejecutado y ha dado como resultado un conjunto de 6 reglas de asociación para los datos. Estas reglas Instancias: 312 Atributos: 1028 Finds association rules. Apriori ======= Minimum support: 0.05 Minimum metric <confidence>: 0.2 Number of cycles performed: 19 Generated sets of large itemsets: Size of set of large itemsets L(1): 22 Size of set of large itemsets L(2): 3 Best rules found: 1. 1829=1 18 ==> 0122=1 16 2. 1829=1 18 ==> 0119=1 16 3. 0119=1 26 ==> 0122=1 21 4. 0122=1 30 ==> 0119=1 21 5. 0119=1 26 ==> 1829=1 16 6. 0122=1 30 ==> 1829=1 16 conf:(0.89) conf:(0.89) conf:(0.81) conf:(0.7) conf:(0.62) conf:(0.53) Fig. 4. Ventana de resultados mostrada por el algoritmo de minería de datos, después de ejecutarlo con el archivo generado mediante los datos originales. 45 �El proceso de descubrimiento de conocimiento en bases de datos / José Fernando Reyes Saldaña, et al indican que cuando un cliente adquiere un artículo, adquiere también el otro. Si se cambia la restricción de soporte mínimo, a 0.02, se obtiene el conjunto de reglas mostrado en la figura 5. 1. 2626=1 15 ==> 2627=1 15 conf:(1) 2. 2628=1 12 ==> 2626=1 2627=1 12 conf:(1) 3. 2626=1 2628=1 12 ==> 2627=1 12 conf:(1) 4. 2627=1 2628=1 12 ==> 2626=1 12 conf:(1) 5. 2628=1 12 ==> 2627=1 12 conf:(1) 6. 2628=1 12 ==> 2626=1 12 conf:(1) 7. 2627=1 16 ==> 2626=1 15 conf:(0.94) 8. 1829=1 18 ==> 0122=1 16 conf:(0.89) 9. 1829=1 18 ==> 0119=1 16 conf:(0.89) 10. 0119=1 1829=1 16 ==> 0122=1 14 conf:(0.88) ... ... 30. 1803=1 27 ==> 1797=1 12 conf:(0.44) 31. 1803=1 27 ==> 1795=1 12 conf:(0.44) 32. 0541=1 27 ==> 1803=1 12 conf:(0.44) 33. 1803=1 27 ==> 0541=1 12 conf:(0.44) 34. 1803=1 27 ==> 0119=1 12 conf:(0.44) 35. 0557=1 30 ==> 0014=1 12 conf:(0.4) 36. 0014=1 40 ==> 0557=1 12 conf:(0.3) Fig. 5. Listado de reglas de asociación obtenidas por el algoritmo de minería de datos después de cambiar el soporte mínimo, para obtener un mayor número de reglas. Una vez obtenidos los resultados, es necesario interpretarlos. Para ello es útil conocer las situaciones externas que generaron los datos. Por ejemplo, algunas reglas relacionan los productos 2626, 2627 y 2628, que son soluciones búfer analíticas de pH 4, 7 y 10, respectivamente. Una regla adicional relaciona estos compuestos con el yoduro de potasio, que se usa también como reactivo analítico. Tiene sentido suponer que los laboratorios químicos se surten de todos sus reactivos analíticos con el mismo proveedor. Para interpretar otro conjunto de productos frecuentes, notamos que muchos de los clientes de la empresa en cuestión son escuelas, por lo que ácidos y bases fuertes tienden a aparecer juntos. Por ejemplo, se venden juntas soluciones de amoniaco, hidróxido de sodio, y ácidos clorhídrico y sulfúrico en diferentes concentraciones. Se encuentra en una combinación más interesante que algunas reglas asocian soluciones búfer de acetato 46 y fosfato, que son usados en los laboratorios de las plantas de tratamiento de aguas. Aunque no todas estas explicaciones son igualmente útiles o interesantes para la empresa, la información obtenida definitivamente puede apoyar la toma de decisiones en planta o para tomar medidas relacionadas con el manejo de inventario. Es ilustrativo tomar en cuenta el nivel de confianza obtenido con cada regla. En la figura 4 se puede observar que las primeras 2 reglas tienen un nivel de 0.89, lo que indica que en la mayor parte de las transacciones estas reglas son ciertas, sin embargo en un 0.11 de las reglas, no sucede así. Con la regla número 6, que solamente tiene un nivel de confianza de 0.53, por lo que esta regla se aplica a aproximadamente la mitad de las transacciones que contienen al artículo 0122. COMENTARIOS FINALES En el presente artículo se mostró la aplicación del proceso de KDD y su paso central, la minería de datos, a través de un caso de estudio, del cual se extrajo un conjunto de reglas de asociación mediante el algoritmo conocido como Apriori. Este conjunto de reglas permite realizar el análisis de los patrones de compra de productos por parte de los clientes. La minería de datos es apropiada cuando la pregunta inicial es vaga y hay que evaluar las muchas relaciones posibles entre los atributos, por ejemplo “¿Qué grupos de clientes tienden a comprar X?”. En cambio, si la pregunta es más específica, los métodos estadísticos clásicos son los más adecuados para emprender el estudio. Dada la naturaleza de la pregunta que plantea el problema del carrito de supermercado, el análisis de las reglas de asociación puede llevar a obtener resultados que de otra manera hubiera sido imposible conocer, ya que el análisis manual de los datos no es fácil, y el obtener reglas por medios empíricos, como la experiencia, es poco confiable. Como se pudo observar, el tratamiento de los datos es un proceso muy laborioso y que puede tomar gran parte del tiempo utilizado en todo el proceso de KDD, ya que es muy importante el definir los datos de entrada para obtener resultados satisfactorios. Los patrones obtenidos como resultado permiten Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �El proceso de descubrimiento de conocimiento en bases de datos / José Fernando Reyes Saldaña, et al realizar un análisis de los productos en común que los clientes compran, y con esto obtener algunas aplicaciones prácticas como son mejores estrategias de compra y venta, de acomodo de productos, diseño de promociones, entre otras. El proceso de KDD es una herramienta importante para el análisis de los patrones de compra de los clientes, que puede ayudar a las empresas a obtener una ventaja competitiva muy valiosa. REFERENCIAS 1. García-Flores, R. A multi-agent system for chemical supply chain simulation, management and support. PhD tesis, University of Leeds, United Kingdom, 2002. 2. Fitzgerald, K., Grocery Cards get and Extra Scan, Credit Card Management, Marzo 2004, 34-49. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 3. Withing, R. 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Under the auspices of the task group, we have completed a new least-squares adjustment of those values--termed the 2002 adjustment--that takes into account all relevant data available through 31 December 2002.1 The accompanying tables give the 2002 CODATA recommended values resulting from that adjustment, except for some specialized x-ray-related quantities and various natural and atomic units. The complete 2002 CODATA set of more than 300 recommended values, together with a detailed description of the data and their analysis, is given in reference 1. All of the values, as well as the correlation coefficients between any two constants, are available online in a searchable database provided by NIST’s fundamental constants data center. The internet address is http://physics.nist. gov/constants. The 2002 CODATA set replaces its immediate predecessor, which resulted from the 1998 adjustment,2 also carried out under the auspices of the task group. Only four years have elapsed between the 31 December 1998 and 31 December 2002 closing dates of the two adjustments (12 years separated the 1998 adjustment and its predecessor), but a number of advances in experiment and theory have led to improvements in our knowledge of the values of the constants. The new information includes measurements of the Newtonian constant of gravitation G; improved experimental values of the relative atomic masses of helium-4, oxygen-16, and cesium-133 (carbon-12 has a relative atomic mass of exactly 12, by definition); a more accurate value of the 1S1/22S1/2 transition frequency in hydrogen; a new result for the bound-state root-mean-square (rms) charge radius of the proton Rp; and highly accurate measurements related to the bound-state g-factor of the electron in the hydrogenic ions 12C5+ and 16O7+. Additional experimental refinements include a new, quite accurate measurement of the muon magnetic moment anomaly aµ; an accurate value, obtained from the atomic recoil frequency shift of photons absorbed and emitted by Cs atoms, for the quotient h/m(133Cs), where h is the Planck constant and m(133Cs) is the mass of the 133Cs atom; a result for the molar volume of silicon Vm(Si); and new experimental findings concerning previous measurements of the {220} lattice spacing of particular Si crystals. 48 Reprinted with permission from www.physicstoday. org, guide/fundconst.pdf copyright 2004, American Institute of Physics. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �The fundamental physical constants / Peter J. Mohr, Barry N. Taylor Theorists have developed improved expressions for the hydrogen and deuterium energy levels, the electron and muon magnetic moment anomalies ae and aµ, the ground-state hyperfine splitting of muonium (that is, the µ+e- “atom”), and the electron bound-state g-factor in hydrogenic ions. CONSEQUENCES OF NEW RESULTS The new information available to the task group led to significant changes in both the values and the uncertainties of many of the fundamental constants. A few highlights follow. • The new results for G agreed sufficiently well among themselves to convince the task group that an earlier, highly discrepant but credible result need no longer be considered in determining the recommended value. That decision led to a new recommended value of G with a relative standard uncertainty (that is, relative estimated standard deviation) ur = 1.5 × 10-4. The new ur is a factor of 10 smaller than that of the 1998 recommended value. • Accurate measurements of the frequency ratios fs(12C5+)/fc(12C5+) and fs(16O7+)/fc(16O7+), together with the theoretical expression for the boundstate g-factor of the electron in each ion, have yielded values for the relative atomic mass of the electron Ar(e) and the electron-to-proton mass ratio me/mp with relative uncertainties of about 5 × 10-10. (In the expressions for the frequency ratios, fs is the precession, or “spin-flip,” frequency of the electron in the ground state of the indicated hydrogenic ion in an applied magnetic flux density, and fc is the cyclotron frequency of the ion in the same flux density.) Compared to the 1998 uncertainties, the new uncertainties represent a reduction by more than a factor of four. • The new result for V m(Si) is credible, but inconsistent with four credible measurements of other quantities. Thus, one or more of the five results has a problem. We present some details below about the discrepancy and how we dealt with it. • The 1998 adjustment included input from three combined x-ray and optical-interferometer determinations of the {220} lattice spacing Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 of particular Si crystals. Subsequently, it was discovered that two of those three experiments appeared to have problems, so the data from those experiments were not included in the 2002 adjustment. Removing these data eliminates the scatter in the fine-structure-constant (α) values implied by the accurate x-ray measurement of h/mn, where mn is the neutron mass. Moreover, the value of α inferred from h/mn now agrees well with values of α from other sources. • An error was discovered in the eighth-order coefficient A1(8) in the theoretical expression for the electron magnetic moment anomaly ae(th). That discovery has led to a fractional increase of 5.7 × 10-9 in the value for α implied by the experimental result for ae, about 1.5 times the relative uncertainty of the 1998 ae value of α. Other experiments also yield values for α. In particular, the new result for h/m(133Cs) has yielded a reduction of the uncertainty of the recommended value of α from ur 3.7 × 10-9 in 1998 to ur 3.3 × 10-9. • The significant advances in the theory of hydrogen and deuterium energy levels and the improved value of R p have eliminated a systematic deviation between theory and experiment observed in the 1998 adjustment. As a result, the CODATA set now includes recommended values for Rp and the bound-state rms charge radius of the deuteron Rd. DATA ANALYSIS The 2002 adjustment is similar to the 1998 adjustment in many key respects. First, we treat all of the input data on an essentially equal footing, regardless of their uncertainties. Doing so allows us to properly consider all components of uncertainty and all significant correlations among the data. It also eliminates any arbitrary division of the data into different categories--such divisions generally occurred in adjustments before that of 1998. Second, we used the standard least-squares algorithm to analyze the data rather than an extended algorithm that tries to take into account the “uncertainty of the uncertainty” assigned to an input datum. An extended algorithm was applied as part of the 1986 adjustment,3 but the complexity of 49 �The fundamental physical constants / Peter J. Mohr, Barry N. Taylor the measurements and calculations in the field of fundamental constants makes it difficult enough to evaluate uncertainties in a meaningful way, let alone the uncertainties of those uncertainties. Third, we reprised an innovation from the 1998 adjustment to properly take into account the uncertainty of various theoretical expressions--for example, the energy levels of H and D required to obtain the Rydberg constant Ri from measurements of transition frequencies. We used an additive correction δi for each such expression, included those corrections among the variables of the least-squares adjustment, and took their estimated values as input data. The best a priori estimate of each δi was zero but with a standard uncertainty equal to the standard uncertainty of the theoretical expression. Fourth, we analyzed the data using the method of least squares for correlated input data. Although the need to consider correlations among the input data in the evaluation of the fundamental constants was first emphasized well over half a century ago, the 1998 adjustment was the first time it was actually done. As in the 1998 adjustment, the analysis of the input data proceeded in several stages. First, we compared the various measured values of each quantity. Next, by comparing values of a common inferred constant, principally α or h, we examined whether measured values of different quantities were consistent. Finally, we used the least-squares method as described above to carry out a multivariate analysis of the data. The focus of all those investigations was the compatibility of the data and the extent to which a particular datum would contribute to the 2002 recommended values of the constants. The final least-squares adjustment used 105 of the 112 input data that were initially considered and 61 variables or adjusted constants whose values were determined by the least-squares algorithm. The input data included, for example, 27 H and D transition frequencies and frequency differences. Among the adjusted constants were Ri, α, h, and Ar(e). Most of the recommended values in the 2002 CODATA set were calculated from the adjusted constants. For example, the elementary charge follows from the expression e (2αh/μ0c)1/2, where μ0 4π × 10-7 N/A2 is the magnetic constant and the speed of light c is defined to be 299 792 458 m/s. The uncertainties of 50 derived quantities are obtained from the uncertainties and covariances of the adjusted constants on which they depend. A DISCREPANT MEASUREMENT The primary difficulty with the input data uncovered in the course of the 2002 adjustment was a significant incompatibility of the value of Vm(Si) with four measurements involving the Josephson constant KJ 2e/h and the von Klitzing constant RK h/e2: two moving-coil watt-balance results for the product KJ2RK, a mercury-electrometer result for KJ, and a capacitor volt-balance result for KJ. The inconsistencies led us to consider whether relaxing either one or both of the assumptions that KJ 2e/h and RK h/e2 would reduce or possibly even eliminate the inconsistencies. Although both theory and experiment support the exactness of the assumed relations, we would have deemed our analysis incomplete had we not investigated possible modifications. To that end, we assumed KJ (2e/h)(1 + εJ) and RK (h/e2)(1 + εK), where εJ and εK are unknown correction factors taken as additional adjusted constants. We set the initial input values of the correction factors to be zero, but gave them a sufficiently large uncertainty that their output values resulting from a least-squares adjustment were determined by other input data, not by those initial values. If we found that the adjusted values of the correction factors were statistically compatible with zero, then we could conclude that the experimental evidence suggested the relations KJ 2e/h and RK h/e2 were valid. On the other hand, an adjusted value of either of the correction factors that differed from zero in a statistically significant way would engender doubt about the exactness of the associated relation. We found no statistically significant deviations from zero for either εJ or εK. The task group ultimately decided that, in the final least-squares adjustment, the a priori assigned uncertainties of the five incompatible input data would be weighted by a multiplicative factor 2.325. That weighting reduced the discrepancy between the value of Vm(Si) and the four other measurements to 1.5 standard deviations. As a consequence of the new Vm(Si) datum and the increased uncertainties, the 2002 recommended value of h is larger than the 1998 recommended value by a fractional amount of about Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �The fundamental physical constants / Peter J. Mohr, Barry N. Taylor 8 × 10-8, and its uncertainty is increased by about a factor of two, from ur = 7.8 × 10-8 to ur = 1.7 × 10-7. The 2002 CODATA set includes comparable changes in the recommended values and uncertainties of other constants, such as e, that depend strongly on h. Usually, new information leads to a reduction in uncertainties, but in this case new information has led to an increase. REDUNDANCY IS SOLIDITY Because there is little redundancy among some of the key input data, the 2002 CODATA set does not rest on as solid a foundation as one might wish. The constants α and h and the molar gas constant R play a critical role in determining many other constants, yet the recommended value of each is largely determined by a severely limited number of input data. Moreover, some of those data have rather different uncertainties u and hence rather different weights 1/u2. The key input data used to determine α are the electron magnetic moment anomaly ae and the quotient h/m(133Cs). (The relative uncertainty of the quotient exceeds that of the anomaly by more than a factor of two.) Furthermore, only a single competitive experimental value of ae exists, along with a single calculated value of the eighth-order coefficient A1(8) in the theoretical expression for ae based on quantum electrodynamics. The two watt-balance values of KJ2RK are the key input data that determine h. The uncertainties in the two measurements differ by a factor of 2.3 and, as we have already discussed, the two measurements are incompatible with a measurement for the molar volume of Si. For the molar gas constant, the key input data are based on two speed-of-sound measurements in argon: One of them used a spherical acoustic resonator; the other, an acoustic interferometer. The uncertainties of the two measurements differ by a factor of 4.7. If our knowledge of the values of α, h, and R is to advance, we need additional input data that can provide for those constants uncertainties that are no larger than the current uncertainties. Ideally, the uncertainties would be considerably smaller than those of the current values. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 New experimental and theoretical data that influence our knowledge of the values of the constants appear nearly continuously. And, thanks to the World Wide Web, it’s easy to distribute new recommended values of the fundamental constants. Indeed, the 2002 CODATA set first appeared on the Web on 9 December 2003. The Web has also engendered new modes of work and thought--users expect that the information they find is up-to-date. For these reasons, the CODATA task group on fundamental constants decided at the time of the 1998 adjustment to take advantage of the high degree of computerization that had been incorporated in the 1998 compilation and to provide a new CODATA set of recommended values every 4 years: The 1213 years separating the first CODATA set4 of 1973, the second set3 of 1986, and the 1998 set2 was no longer acceptable. The 2002 set is the first from the new schedule. Based on the experience gained in preparing that set, we expect to maintain the new schedule in the future. The reader may therefore anticipate an updated fundamental constants article in the Physics Today Buyer’s Guide in four years. This paper is a contribution of NIST and is not subject to copyright in the US. NIST is an agency of the Technology Administration, US Department of Commerce. National Institute of Standards and Technology http://www.nist.gov/ REFERENCES 1. P. J. Mohr, B. N. Taylor, Rev. Mod. Phys. 76 (in press). 2. P. J. Mohr, B. N. Taylor, Rev. Mod. Phys. 72, 351 (2000); J. Phys. Chem. Ref. Data 28, 1713 (1999). 3. E. R. Cohen, B. N. Taylor, Rev. Mod. Phys. 59, 1121 (1987). 4. E. R. Cohen, B. N. Taylor, J. Phys. Chem. Ref. Data 2, 663 (1973). 51 �The fundamental physical constants / Peter J. Mohr, Barry N. Taylor CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants – 2002 Quantity speed of light in vacuum magnetic constant electric constant 1/m0c 2 characteristic impedance of vacuum m0 /ë0=m0c Newtonian constant of gravitation Planck constant in eV s h/2p in eV s \c in MeV fm Planck mass (\c/G)1/2 Planck temperature (\c5/G) 1/2/ k Planck length \/mPc=(\G/c 3 )1/2 Planck time lP/c=(\G/c 5 )1/2 elementary charge magnetic flux quantum h/2e conductance quantum 2e 2/h inverse of conductance quantum Josephson constanta 2e/ h von Klitzing constantb h/e 2=m0c/2a Bohr magneton e \/2me in eV T–1 nuclear magneton e\/2mp in eV T –1 fine-structure constant e 2/4pë0 \c inverse fine-structure constant Rydberg constant a2mec/2h R hc in eV Bohr radius a/4pR =4pë0\2/mee 2 Hartree energy e 2/4pë0 a0=2R hc=a2mec 2 in eV quantum of circulation Fermi coupling constantc weak mixing angled qW (on-shell scheme) 2 [1–(mW /mZ )2 sin2 qW=sW electron mass in u, me=Ar(e) u (electron rel. atomic mass times u) energy equivalent in MeV electron–muon mass ratio electron–tau mass ratio electron–proton mass ratio electron–neutron mass ratio electron–deuteron mass ratio electron to alpha particle mass ratio electron charge to mass quotient electron molar mass NAme 52 Symbol Value UNIVERSAL 299 792 458 4p 10–7 =12.566 370 614 . . . 10–7 ë0 8.854 187 817. . . 10–12 Z0 376.730 313 461. . . G 6.6742(10) 10–11 G/\c 6.7087(10) 10–39 h 6.626 0693(11) 10–34 4.135 667 43(35) 10–15 \ 1.054 571 68(18) 10–34 6.582 119 15(56) 10–16 197.326 968(17) mP 2.176 45(16) 10–8 32 TP 1.416 79(11) × 1� lP 1.616 24(12) 10–35 tP 5.391 21(40) 10–44 ELECTROMAGNETIC e 1.602 176 53(14) 10–19 e/h 2.417 989 40(21) 1014 F0 2.067 833 72(18) 10–15 G0 7.748 091 733(26) 10–5 G0–1 12 906.403 725(43) KJ 483 597.879(41) 109 RK 25 812.807 449(86) mB 927.400 949(80) 10–26 5.788 381 804(39) 10–5 mB/h 13.996 2458(12) 109 mB/hc 46.686 4507(40) mB/k 0.671 7131(12) mN 5.050 783 43(43) 10–27 3.152 451 259(21) 10–8 mN/h 7.622 593 71(65) mN/hc 2.542 623 58(22) 10–2 mN/k 3.658 2637(64) 10–4 ATOMIC AND NUCLEAR General a 7.297 352 568(24) 10–3 a–1 137.035 999 11(46) 10 973 731.568 525(73) R 3.289 841 960 360(22) 1015 R c R hc 2.179 872 09(37) 10–18 13.605 6923(12) 0.529 177 2108(18) 10–10 a0 4.359 744 17(75) 10–18 Eh 27.211 3845(23) 3.636 947 550(24) 10–4 h/2me 7.273 895 101(48) 10–4 h/me Electroweak 1.166 39(1) 10–5 GF/(\c)3 c, c0 m0 Unit Relative standard uncertainty ur m s–1 N A–2 N A–2 F m–1 W m3 kg–1 s–2 (GeV/c 2 )–2 Js eV s Js eV s MeV fm kg K m s (exact) (exact) (exact) (exact) 1.5 10–4 1.5 10–4 1.7 10–7 8.5 10–8 1.7 10–7 8.5 10–8 8.5 1 –8 7.5 10–5 7.5×1�–5 7.5 10–5 7.5 10–5 C A J–1 Wb S W Hz V–1 W J T–1 eV T–1 Hz T–1 m–1 T–1 K T–1 J T–1 eV T–1 MHz T–1 m–1 T–1 K T–1 8.5 8.5 8.5 3.3 3.3 8.5 3.3 8.6 6.7 8.6 8.6 1.8 8.6 6.7 8.6 8.6 1.8 10–8 10–8 10–8 10–9 10–9 10–8 10–9 10–8 10–9 10–8 10–8 10–6 10–8 10–9 10–8 10–8 10–6 m–1 Hz J eV m J eV m2 s–1 m2 s–1 3.3 3.3 6.6 6.6 1.7 8.5 3.3 1.7 8.5 6.7 6.7 10–9 10–9 10–12 10–12 10–7 10–8 10–9 10–7 10–8 10–9 10–9 GeV –2 8.6 10–6 sin2 qW 0.222 15(76) Electron, e– me 9.109 3826(16) 10–31 5.485 799 0945(24) 10–4 mec 2 8.187 1047(14) 10–14 0.510 998 918(44) me /mm 4.836 331 67(13) 10–3 2.875 64(47) 10–4 me /mt me /mp 5.446 170 2173(25) 10–4 me /mn 5.438 673 4481(38) 10–4 me /md 2.724 437 1095(13) 10–4 me /ma 1.370 933 555 75(61) 10–4 –e/me –1.758 820 12(15) 1011 M(e), Me 5.485 799 0945(24) 10–7 3.4 10–3 kg u J MeV C kg–1 kg mol –1 1.7 4.4 1.7 8.6 2.6 1.6 4.6 7.0 4.8 4.4 8.6 4.4 10–7 10–10 10–7 10–8 10–8 10–4 10–10 10–10 10–10 10–10 10–8 10–10 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �The fundamental physical constants / Peter J. Mohr, Barry N. Taylor CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants – 2002 Quantity Symbol Value Unit Relative standard uncertainty ur Compton wavelength h/mec l C /2p=aa0=a 2/4pR classical electron radius a2a0 Thomson cross section (8p/3)re2 electron magnetic moment to Bohr magneton ratio to nuclear magneton ratio electron magnetic moment anomaly |me |/mB –1 electron g-factor –2(1+ae ) electron–muon magnetic moment ratio electron–proton magnetic moment ratio electron to shielded proton magnetic moment ratio (H2O, sphere, 25 °C) electron–neutron magnetic moment ratio electron–deuteron magnetic moment ratio electron to shielded helione magnetic moment ratio (gas, sphere, 25 °C) electron gyromagnetic ratio 2|me|/\ lC |C re se me me /m B me /m N ae ge me /mm me /mp 2.426 310 238(16) 10–12 386.159 2678(26) 10–15 2.817 940 325(28) 10–15 0.665 245 873(13) 10–28 –928.476 412(80) 10–26 –1.001 159 652 1859(38) –1838.281 971 07(85) 1.159 652 1859(38) 10–3 –2.002 319 304 3718(75) 206.766 9894(54) –658.210 6862(66) m m m m2 J T –1 6.7 6.7 1.0 2.0 8.6 3.8 4.6 3.2 3.8 2.6 1.0 me /m´p me /mn me /md –658.227 5956(71) 960.920 50(23) –2143.923 493(23) 864.058 255(10) me /m´h 1.760 859 74(15) 1011 ge 28 024.9532(24) ge /2p Muon, m – mm muon mass 1.883 531 40(33) 10–28 in u, mm=Ar(m) u (muon rel. atomic mass times u) 0.113 428 9264(30) mmc 2 energy equivalent 1.692 833 60(29) 10–11 in MeV 105.658 3692(94) mm/me muon–electron mass ratio 206.768 2838(54) mm/mt muon–tau mass ratio 5.945 92(97) 10–2 mm/mp muon–proton mass ratio 0.112 609 5269(29) mm/mn muon–neutron mass ratio 0.112 454 5175(29) M(m), Mm muon molar mass NAmm 0.113 428 9264(30) 10–3 muon Compton wavelength h/mm c 11.734 441 05(30) 10–15 l C,m 1.867 594 298(47) 10–15 l C,m/2p | C,m muon magnetic moment –4.490 447 99(40) 10–26 mm to Bohr magneton ratio –4.841 970 45(13) 10–3 mm/mB to nuclear magneton ratio –8.890 596 98(23) mm/mN am muon magnetic moment anomaly |mm|/(e\/2mm ) –1 1.165 919 81(62) 10–3 gm muon g-factor –2(1+am ) –2.002 331 8396(12) muon–proton magnetic moment ratio –3.183 345 118(89) mm/mp Tau, t – mt tau massf 3.167 77(52) 10–27 in u, mt=Ar(t) u (tau rel. atomic mass times u) 1.907 68(31) mt c 2 energy equivalent 2.847 05(46) 10–10 in MeV 1776.99(29) mt /me tau–electron mass ratio 3477.48(57) mt /mm tau–muon mass ratio 16.8183(27) mt /mp tau–proton mass ratio 1.893 90(31) mt /mn tau–neutron mass ratio 1.891 29(31) M(t), Mt tau molar mass NAmt 1.907 68(31) 10–3 tau Compton wavelength h/mt c 0.697 72(11) 10–15 l C,t 0.111 046(18) 10–15 lC,t /2p | C,t Proton, p mp proton mass 1.672 621 71(29) 10–27 in u, mp=Ar(p) u (proton rel. atomic mass times u) 1.007 276 466 88(13) mp c 2 energy equivalent 1.503 277 43(26) 10–10 in MeV 938.272 029(80) mp/me proton–electron mass ratio 1836.152 672 61(85) mp/mm proton–muon mass ratio 8.880 243 33(23) mp/mt proton–tau mass ratio 0.528 012(86) mp/mn proton–neutron mass ratio 0.998 623 478 72(58) e/mp proton charge to mass quotient 9.578 833 76(82) 107 M(p), Mp proton molar mass NAmp 1.007 276 466 88(13) 10–3 proton Compton wavelength h/mp c 1.321 409 8555(88) 10–15 l C,p 0.210 308 9104(14) 10–15 l C,p /2p | C,p Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 10–9 10–9 10–8 10–8 10–8 10–12 10–10 10–9 10–12 10–8 10–8 1.1 10–8 2.4 10–7 1.1 10–8 s–1 T–1 MHz T–1 kg u J MeV kg mol–1 m m J T –1 kg u J MeV kg mol–1 m m kg u J MeV C kg–1 kg mol–1 m m 1.2 10–8 8.6 10–8 8.6 10–8 1.7 2.6 1.7 8.9 2.6 1.6 2.6 2.6 2.6 2.5 2.5 8.9 2.6 2.6 5.3 6.2 2.8 10–7 10–8 10–7 10–8 10–8 10–4 10–8 10–8 10–8 10–8 10–8 10–8 10–8 10–8 10–7 10–10 10–8 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 10–4 10–4 10–4 10–4 10–4 10–4 10–4 10–4 10–4 10–4 10–4 1.7 1.3 1.7 8.6 4.6 2.6 1.6 5.8 8.6 1.3 6.7 6.7 10–7 10 –10 10–7 10–8 10–10 10–8 10–4 10–10 10–8 10–10 10–9 10–9 53 �The fundamental physical constants / Peter J. Mohr, Barry N. Taylor CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants – 2002 Quantity Symbol Value Unit Relative standard uncertainty ur proton rms charge radius proton magnetic moment to Bohr magneton ratio to nuclear magneton ratio proton g-factor 2mp/mN proton–neutron magnetic moment ratio shielded proton magnetic moment (H2O, sphere, 25 °C) to Bohr magneton ratio to nuclear magneton ratio proton magnetic shielding correction 1 – m´p /mp (H2O, sphere, 25 °C) proton gyromagnetic ratio 2mp/\ Rp mp mp/mB mp/mN gp mp/mn 0.8750(68) 1 –15 1.410 606 71(12) 10–26 1.521 032 206(15) 10–3 2.792 847 351(28) 5.585 694 701(56) –1.459 898 05(34) m J T–1 7.8 8.7 1.0 1.0 1.0 2.4 m´p m´p /mB m´p /mN 1.410 570 47(12) 10–26 1.520 993 132(16) 10–3 2.792 775 604(30) J T–1 8.7 10–8 1.1 10–8 1.1 10–8 s´p gp gp/2p 25.689(15) 10–6 2.675 222 05(23) 108 42.577 4813(37) shielded proton gyromagnetic ratio 2m´p /\ (H2O, sphere, 25 °C) g´p g´p /2p 2.675 153 33(23) 108 42.576 3875(37) Neutron, n 1.674 927 28(29) 10–27 mn neutron mass 1.008 664 915 60(55) in u, mn=Ar(n) u (neutron rel. atomic mass times u) 1.505 349 57(26) 10–10 mnc 2 energy equivalent in MeV 939.565 360(81) 1838.683 6598(13) mn /me neutron–electron mass ratio 8.892 484 02(23) mn /mm neutron–muon mass ratio 0.528 740(86) mn /mt neutron–tau mass ratio 1.001 378 418 70(58) mn /mp neutron–proton mass ratio 1.008 664 915 60(55) 10–3 M(n), Mn neutron molar mass NAmn 1.319 590 9067(88) 10–15 neutron Compton wavelength h/mnc l C,n 0.210 019 4157(14) 10–15 l C,n/2p | C,n –0.966 236 45(24) 10–26 neutron magnetic moment mn –1.041 875 63(25) 10–3 to Bohr magneton ratio mn/mB –1.913 042 73(45) to nuclear magneton ratio mn/mN –3.826 085 46(90) gn neutron g-factor 2mn/mN 1.040 668 82(25) 10–3 mn/me neutron–electron magnetic moment ratio –0.684 979 34(16) neutron–proton magnetic moment ratio mn/mp neutron to shielded proton magnetic moment ratio –0.684 996 94(16) (H2O, sphere, 25 °C) mn/m9p 1.832 471 83(46) 108 neutron gyromagnetic ratio 2|mn|/\ gn 29.164 6950(73) gn/2p Deuteron, d 3.343 583 35(57) 10–27 md deuteron mass 2.013 553 212 70(35) in u, md=Ar(d) u (deuteron rel. atomic mass times u) 3.005 062 85(51) 10–10 energy equivalent mdc 2 1875.612 82(16) in MeV 3670.482 9652(18) deuteron–electron mass ratio md/me 1.999 007 500 82(41) deuteron–proton mass ratio md/mp 2.013 553 212 70(35) 10–3 deuteron molar mass NAmd M(d), Md 2.1394(28) 10–15 Rd deuteron rms charge radius 0.433 073 482(38) 10–26 deuteron magnetic moment md 0.466 975 4567(50) 10–3 to Bohr magneton ratio md/mB 0.857 438 2329(92) to nuclear magneton ratio md/mN –4.664 345 548(50) 10–4 deuteron–electron magnetic moment ratio md/me 0.307 012 2084(45) deuteron–proton magnetic moment ratio md/mp –0.448 206 52(11) deuteron–neutron magnetic moment ratio md/mn Helion, h 5.006 412 14(86) 10–27 helion mass e mh 3.014 932 2434(58) in u, mh=Ar(h) u (helion rel. atomic mass times u) 4.499 538 84(77) 10–10 energy equivalent mhc 2 2808.391 42(24) in MeV 5495.885 269(11) helion–electron mass ratio mh/me 2.993 152 6671(58) helion–proton mass ratio mh/mp 3.014 932 2434(58) 10–3 helion molar mass NAmh M(h), Mh –1.074 553 024(93) 10–26 m9h shielded helion magnetic moment (gas, sphere, 25 °C) –1.158 671 474(14) 10–3 m9h/mB to Bohr magneton ratio 54 1 –3 10–8 10–8 10–8 10–8 10–7 s–1 T–1 MHz T–1 5.7 10–4 8.6 10–8 8.6 10–8 s–1 T–1 MHz T–1 8.6 10–8 8.6 10–8 kg u J MeV 1.7 5.5 1.7 8.6 7.0 2.6 1.6 5.8 5.5 6.7 6.7 2.5 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 kg mol–1 m m J T–1 s–1 T–1 MHz T–1 kg u J MeV kg mol–1 m J T –1 kg u J MeV kg mol–1 J T –1 10 –7 10–10 10–7 10–8 10–10 10–8 10–4 10–10 10–10 10–9 10–9 10–7 10–7 10–7 10–7 10–7 10–7 2.4 10–7 2.5 10–7 2.5 10–7 1.7 1.7 1.7 8.6 4.8 2.0 1.7 1.3 8.7 1.1 1.1 1.1 1.5 2.4 10–7 10–10 10–7 10–8 10–10 10–10 10–10 10–3 10–8 10–8 10–8 10–8 10–8 10–7 1.7 1.9 1.7 8.6 2.0 1.9 1.9 8.7 1.2 10–7 10–9 10–7 10–8 10–9 10–9 10–9 10–8 10–8 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �The fundamental physical constants / Peter J. Mohr, Barry N. Taylor CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants – 2002 Unit Relative standard uncertainty ur Quantity Symbol Value to nuclear magneton ratio shielded helion to proton magnetic moment ratio (gas, sphere, 25 °C) shielded helion to shielded proton magnetic moment ratio (gas/H2O, spheres, 25 °C) shielded helion gyromagnetic ratio 2|m9h|/\ (gas, sphere, 25 °C) m9h/mN –2.127 497 723(25) 1.2 10–8 m9h/mp –0.761 766 562(12) 1.5 10–8 m9h/m9p –0.761 786 1313(33) 4.3 10–9 2.037 894 70(18) 108 g9h 32.434 1015(28) g9h /2p Alpha particle, a alpha particle mass ma 6.644 6565(11) 10–27 in u, ma=Ar(a) u (alpha particle rel. atomic mass times u) 4.001 506 179 149(56) ma c 2 energy equivalent 5.971 9194(10) 10–10 in MeV 3727.379 17(32) 7294.299 5363(32) alpha particle to electron mass ratio ma /me 3.972 599 689 07(52) alpha particle to proton mass ratio ma /mp 4.001 506 179 149(56) 10–3 M(a), M a alpha particle molar mass NAma PHYSICOCHEMICAL Avogadro constant 6.022 1415(10) 1023 NA, L atomic mass constant 1 12 mu= 12 m( C)=1 u=10–3 kg mol–1/NA mu 1.660 538 86(28) 10–27 mu c 2 energy equivalent 1.492 417 90(26) 10–10 in MeV 931.494 043(80) g Faraday constant NAe 96 485.3383(83) F NAh molar Planck constant 3.990 312 716(27) 10–10 NAhc 0.119 626 565 72(80) R molar gas constant 8.314 472(15) 1.380 6505(24) 10–23 k Boltzmann constant R/NA in eV K–1 8.617 343(15) 10–5 2.083 6644(36) 1010 k/h 69.503 56(12) k/hc molar volume of ideal gas RT/p T=273.15 K, p=101.325 kPa Vm 22.413 996(39) 10–3 n0 Loschmidt constant NA/Vm 2.686 7773(47) 1025 T=273.15 K, p=100 kPa Vm 22.710 981(40) 10–3 h Sackur–Tetrode constant (absolute entropy constant) 5 2 3/2 2 +ln[(2pmukT1/h ) kT 1/p 0 ] –1.151 7047(44) T1=1 K, p0=100 kPa S0 / R –1.164 8677(44) T1=1 K, p0=101.325 kPa 4 3 2 5.670 400(40) 10–8 Stefan–Boltzmann constant (p 2/60)k /\ c s 2 3.741 771 38(64) 10–16 c1 first radiation constant 2phc 1.191 042 82(20) 10–16 c1L first radiation constant for spectral radiance 2hc 2 1.438 7752(25) 10–2 c2 second radiation constant hc/k Wien displacement law constant 2.897 7685(51) 10–3 b b=lmaxT=c2/4.965 114 231 . . . s–1 T –1 MHz T –1 8.7 10–8 8.7 10–8 kg u J MeV kg mol–1 1.7 1.4 1.7 8.6 4.4 1.3 1.4 mol–1 1.7 10–7 kg J MeV C mol–1 J s mol–1 J m mol–1 J mol–1 K–1 J K–1 eV K–1 Hz K–1 m–1 K–1 1.7 1.7 8.6 8.6 6.7 6.7 1.7 1.8 1.8 1.7 1.7 m3 mol–1 m–3 m3 mol–1 1.7 10–6 1.8 10–6 1.7 10–6 W m–2 K–4 W m2 W m2 sr–1 mK 3.8 3.8 7.0 1.7 1.7 1.7 mK 1.7 10–6 10–7 10–11 10–7 10–8 10–10 10–10 10–11 10–7 10–7 10–8 10–8 10–9 10–9 10–6 10–6 10–6 10–6 10–6 10–6 10–6 10–6 10–7 10–7 10–6 aSee the ‘‘Internationally Adopted Values’’ table for the conventional value for realizing representations of the volt using the Josephson effect. bSee the ‘‘Internationally Adopted Values’’ table for the conventional value for realizing representations of the ohm using the quantum Hall effect. cValue recommended by the Particle Data Group [Hagiwara et al., Phys. Rev. D 66, 010001 (2002)]. dBased on the ratio of the masses of the W and Z bosons m /m recommended by the Particle Data Group [Hagiwara et al., Phys. Rev. D 66, 010001 (2002)]. The W Z 2 value for sin2qW they recommend, which is based on a particular variant of the modified minimal subtraction (MS) scheme, is sin qW(MZ )=0.231 24(24). 3 eThe helion, symbol h, is the nucleus of the He atom. fThis and all other values involving m are based on the value of m c 2 in MeV recommended by the Particle Data Group [Hagiwara et al., Phys. Rev. D 66, t t 010001 (2002)], but with a standard uncertainty of 0.29 MeV rather than the quoted uncertainty of –0.26 MeV, +0.29 MeV. gThe numerical value of F to be used in coulometric chemical measurements is 96 485.336(16) [1.7 10–7] when the relevant current is measured in terms of × representations of the volt and ohm based on the Josephson and quantum Hall effects and the internationally adopted conventional values of the Josephson and von Klitzing constants KJ–90 and RK–90 given in the “Internationally Adopted Values” table. hThe entropy of an ideal monoatomic gas of relative atomic mass A is given by S=S + 3 R ln A –R ln(p/p )+ 5 R ln(T/K). r Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 0 2 r 0 2 55 �The fundamental physical constants / Peter J. Mohr, Barry N. Taylor Internationally Adopted Values of Various Quantities Quantity a 12 relative atomic mass of C molar mass constant molar mass of 12C conventional value of Josephson constantb conventional value of von Klitzing constantc standard atmosphere standard acceleration of gravityd Symbol Value Ar(12C) Mu M(12C) KJ–90 RK–90 12 1 1 Unit –3 (exact) (exact) (exact) (exact) (exact) (exact) (exact) –1 kg mol kg mol–1 GHz V–1 W Pa m s–2 12 10–3 483 597.9 25 812.807 101 325 9.806 65 gn Relative standard uncertainty ur aThe relative atomic mass A (X) of particle X with mass m(X) is defined by A (X) = m(X)/m , where m = m(12C)/12 = M /N = 1 u is the atomic mass constant, r r u u u A Mu is the molar mass constant, NA is the Avogadro constant, and u is the unified atomic mass unit. Thus the mass of particle X is m(X)= Ar(X) u and the molar mass of X is M(X)= Ar(X)Mu. bThis is the value adopted internationally for realizing representations of the volt using the Josephson effect. cThis is the value adopted internationally for realizing representations of the ohm using the quantum Hall effect. dThe value given was adopted by the 3rd General Conference on Weights and Measures (CGPM), 1903, and is the conventional value used to calculate the now obsolete unit kilogram force. CODATA Recommended Values of Energy Equivalents – 2002 Relevant unit m–1 (1 J )/hc= 5.034 117 20(86) 1024 m–1 Hz (1 J )/h= 33 1.509 190 37(26) 10 Hz (1 kg)= 1 kg (1 kg)c/ h= 4.524 438 91(77) 1041 m–1 (1 kg)c 2/ h= 1.356 392 66(23) 1050 Hz (1 m–1 )hc= 1.986 445 61(34) 10–25 J (1 m–1 )h/c= 2.210 218 81(38) 10–42 kg (1 m–1 )= 1 m–1 (1 m–1 )c= 299 792 458 Hz (1 Hz)h= 6.626 0693(11) 10–34 J (1 Hz)h/c 2= 7.372 4964(13) 10–51 kg (1 Hz)/c= 3.335 640 951 . . . 1K (1 K)k= 1.380 6505(24) 10–23 J (1 K)k/c 2= 1.536 1808(27) 10–40 kg (1 K)k/ hc= 69.503 56(12) m–1 (1 K)k/ h= 2.083 6644(36) 1010 Hz 1 eV (1 eV )= 1.602 176 53(14) 10–19 J (1 eV )/c 2= 1.782 661 81(15) 10–36 kg (1 eV)/hc= 8.065 544 45(69) 105 m–1 (1 eV )/h= 2.417 989 40(21) 1014 Hz 1u (1 u)c 2= 1.492 417 90(26) 10–10 J (1 u)= 1.660 538 86(28) 10–27 kg (1 u)c/h= 7.513 006 608(50) 1014 m–1 (1 u)c 2/h= 2.252 342 718(15) 1023 Hz 1 Eh (1 Eh )= 4.359 744 17(75) 10–18 J (1 Eh )/c 2= 4.850 869 60(83) 10–35 kg (1 Eh )/hc= (1 Eh )/h= 2.194 746 313 705(15) 107 m–1 6.579 683 920 721(44) 1015 Hz J (1 J )= 1J 1J 1 kg 1m –1 1 Hz kg (1 J )/c 2= 1.112 650 056 . . . (1 kg)c = 8.987 551 787 . . . 2 16 10 J 10–17 kg 10–9 m–1 (1 Hz)= 1 Hz CODATA Recommended Values of Energy Equivalents – 2002 Relevant unit K eV u Eh 1J (1 J )/k= 22 7.242 963(13) 10 K (1 J )= 18 6.241 509 47(53) 10 eV (1 J )/c 2= 9 6.700 5361(11) 10 u (1 J )= 2.293 712 57(39) 1017 Eh 1 kg (1 kg)c 2/k= 6.509 650(11) 1039 K (1 kg)c 2= 35 5.609 588 96(48) 10 eV (1 kg)= 6.022 1415(10) 1026 u (1 kg)c 2= 2.061 486 05(35) 1034 Eh 1m (1 m–1 )hc/k= 1.438 7752(25) 10–2 K (1 m–1 )hc= 1.239 841 91(11) 10–6 eV (1 m–1 )h/c= 1.331 025 0506(89) 10–15 u (1 m–1 )hc= 4.556 335 252 760(30) 10–8 Eh 1 Hz (1 Hz)h/k= 4.799 2374(84) 10–11 K (1 Hz)h= 4.135 667 43(35) 10–15 eV (1 Hz)h/c 2= 4.439 821 667(30) 10–24 u (1 Hz)h= 1.519 829 846 006(10) 10–16 Eh 1K (1 K)= 1K (1 K)k= 8.617 343(15) 10–5 eV (1 K)k/c 2= 9.251 098(16) 10–14 u (1 K)k= 3.166 8153(55) 10–6 Eh 1 eV (1 eV )/k= 4 1.160 4505(20) 10 K (1 eV )= 1 eV (1 eV )/c 2= 1.073 544 171(92) 10–9 u (1 eV )= 3.674 932 45(31) 10–2 Eh 1u (1 u)c 2/k= 13 1.080 9527(19) 10 K (1 u)c 2= 931.494 043(80) 106 eV (1 u)= 1u (1 u)c 2= 3.423 177 686(23) 10 7 Eh 1 Eh (1 Eh )/k= 5 3.157 7465(55) 10 K (1 Eh )= 27.211 3845(23) eV (1 Eh )/c 2= 2.921 262 323(19) 10–8 u (1 Eh )= 1 Eh –1 56 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �La tecnología en la enseñanza y el aprendizaje de la física Roberto Sayavedra Soto Facultad de Ciencias, UNAM roberto.sayavedra@alexandria21.net Artículo publicado en el Boletín de la Sociedad Mexicana de Física, No. 2, Vol. 18, Abril-Junio 2004. LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA Los avances de la ciencia y la tecnología han influido en el desarrollo de la sociedad. Lo que son las garras al león, son los desarrollos tecnológicos a los seres humanos.l Por lo que ha sido una preocupación de los educadores incorporar a la tecnología en el curriculum escolar. El ejemplo se tiene con la escuela secundaria técnica en nuestro país en los años 70. El riesgo es que la incorporación de esta rama del conocimiento humano en el curriculum escolar se da en un marco filosófico que responde a la época en la que se tomó la decisión. Este tipo de decisiones en la educación marca el desarrollo de los sistemas educativos a largo plazo. Y si en los años setenta la tecnología estaba subordinada a la ciencia y podía reducirse a ella, es decir, dependía ontológicamente de ella,2 la imagen que se formaron los alumnos de esa época sobre la tecnología está afectando su desempeño en la sociedad actual. Son varios los problemas que aparecen en la práctica de los docentes cuando se maneja de forma inconsciente esta creencia de la tecnología con los alumnos. Problemas que van desde que la tecnología tiene un status inferior a la ciencia, ocasionando que se tenga una actitud de menor estima en los ambientes académicos al conocimiento práctico respecto del teórico, hasta confundir en las investigaciones educativas la utilización de la tecnología para el desarrollo de habilidades operativas de la misma, en vez de analizar el valor educativo de ésta. Por ejemplo, últimamente se está prestando más atención en la enseñanza de la ciencia al empleo de computadoras y sus amplias posibilidades de uso en red (como Internet) y no visualizar cómo el uso de la tecnología computacional afecta la mente de los alumnos y su visión sobre el quehacer de la ciencia. Niiniluotto3 ha analizado con detalle la naturaleza de la tecnología, proponiendo cinco modelos sobre sus relaciones con la ciencia: • La tecnología se subordina a la ciencia y puede reducirse a ella; depende, pues, ontológicamente, de la ciencia. • La ciencia se subordina a la tecnología y puede reducirse a ella; es decir, depende ontológicamente de la tecnología. • Ciencia y tecnología son más o menos lo mismo. Esta posición conduce al concepto de tecnociencia introducido por Latour.4 • La ciencia y la tecnología son ontológicamente independientes; también lo son desde un punto de vista causal. • La ciencia y la tecnología interaccionan causalmente, pero son ontológicamente independientes. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 57 �La tecnología en la enseñanza y el aprendizaje de la física / Roberto Sayavedra Soto Hoy en los ejemplos de los avances de la ciencia, en específico de la física, no se distingue en dónde interviene ésta, o en dónde el avance es consecuencia de la aplicación de la tecnología. Los premios Nobel de Física del año 2002 se otorgaron por los experimentos realizados con rayos X y neutrinos "abriendo dos nuevas ventanas al Universo" (http://nobelprize.org/physics/laureates/2002/) para continuar con el desarrollo de la astronomía. En el ejemplo no se distingue si los experimentos se realizaron para mostrar las posibilidades de desarrollo de este tipo de tecnología; o si las necesidades de esta nueva rama de la astronomía ocasionaron que se realizaran los experimentos. Donde por cierto las técnicas experimentales empleadas por los investigadores nos recuerdan que la observación y la experimentación científicas están cargadas de una competencia práctica previa, y que está fuertemente condicionada por la tecnología.2 Si se busca una posición sobre lo que es hoy la tecnología y cuál es su influencia en el ámbito educativo llevaría a un desarrollo de este trabajo fuera de los alcances del mismo. En cambio si buscamos un punto de vista operativo de la influencia de la tecnología, en sus diferentes manifestaciones, sobre el ámbito de la educación, encontraremos diferentes significados que ayudarán a los profesores a desempeñarse eficazmente cuando se asocien tales manifestaciones al hablar de Física con sus alumnos. INFLUENCIA DE LA TECNOLOGÍA EN LA MENTE DE LOS EDUCANDOS Cuando se busca una muestra o evidencia de la cultura humana en alguna región, se buscan muestras de la tecnología desarrollada por la sociedad que habitó dicha región. Hoy en nuestro caso, las evidencias de la tecnología desarrollada son complejas. La tecnología desarrollada hasta el momento nos “hace poderosos”. ¿Cómo es o cómo se refleja este poderío? Evidentemente, la tecnología afecta diferentes campos de la vida. ¿Es la tecnología capaz de hacernos cognitivamente más poderosos? Es a través de las diferentes manifestaciones de la tecnología que el ser humano manifiesta el uso de su inteligencia para la solución de sus necesidades. Una primera pregunta es ¿qué funciones de la mente son afectadas por la tecnología? Son varias 58 las respuestas posibles: sobre el conocimiento adquirido, sobre al acceso al conocimiento, y sobre la organización de los esquemas de conocimiento. Sin embargo para ocuparse específicamente de la tecnología en la enseñanza de la física, hay una clase de efectos cognitivos relacionados con el acceso y organización del conocimiento. Se trata de los efectos cognitivos sobre lo que Perkins denominó componentes tácticos de la actividad intelectual o marcos de pensamiento (thinkíng frames). Un “marco de pensamiento” es una “representación cuya intención es guiar el proceso de pensamiento apoyando, organizando y catalizando dicho proceso... el “marco” organiza nuestro pensamiento tanto como el visor de una cámara fotográfica enfoca y da dirección en el momento de sacar una fotografía”.5 La tecnología afecta sobre los “marcos de pensamiento” de las personas produciendo clases de efectos sobre ellas cuando interaccionan con la misma tecnología: a) La creación de metáforas que vienen a servir como “prismas cognitivos” a través de los cuales se examinan e interpretan los fenómenos, b) la estimulación de nuevas diferenciaciones con la consecuente creación de nuevas categorías cognitivas, c) la potenciación de la actividad intelectual, d) la potenciación de algunas habilidades específicas y la parcial extensión de otras, y e) la internalización de modos y herramientas simbólicas tecnológicas que sirven como herramientas cognitivas. Estas clases de efectos no agotan la gama de posibles formas por las cuales las tecnologías impactan los marcos, pero representan una amplia variedad de los mismos.6 Los marcos de pensamiento implican elementos tales como estrategias de pensamiento y de aprendizaje, el uso de lo metacognitivo, las maneras de ver el mundo y el dominio de determinada habilidades de procesamiento.6 Estos elementos están relacionados con la dimensión del papel del individuo: va desde los efectos que son incidentales, parte del proceso individual de culturización como consecuencia de la misma influencia de la tecnología dominante, hasta aquellos más deliberados en los Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �La tecnología en la enseñanza y el aprendizaje de la física / Roberto Sayavedra Soto cuales el compromiso de la mente juega un papel importante. LAS METÁFORAS EN LA FÍSICA Y LA EDUCACIÓN Este tipo de efecto no se refiere a la tecnología en sí misma, pero influye en la forma en que el individuo percibe el mundo. Tecnologías tales como el torno y el arado en la antigua Grecia, el reloj en la Europa medieval, el motor a vapor más adelante, y hoy la computadora. Estas tecnologías asumen ese rol en virtud de poder “definir o redefinir el papel del hombre en relación con la naturaleza”.6 Adoptada por filósofos, poetas y científicos, una tecnología nueva y dominante sirve como metáfora, como lente de aumento, a través de la cual un conjunto de ideas dispares de una cultura se enfocan hacia un mismo sentido. Las metáforas también funcionan como reorganizaciones del conocimiento ya adquirido. Es un tipo de procesamiento de la información de segundo orden, por el que una persona usa una metáfora adquirida para reexaminar su conocimiento, para reorganizarlo, y como consecuencia para reinterpretarlo. Además, las metáforas sirven también como guías en la exploración de fenómenos nuevos. El uso de metáforas no es ajeno a la propia ciencia, incluso en la ciencia de vanguardia como ocurrió cuando Einstein dijo: “Dios no juega a los dados” para aclarar su posición sobre la organización del Universo. Las metáforas en la ciencia pueden ser interpretadas no sólo como algo pedagógico o heurístico, sino que en ellas se muestran también Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 componentes significativos de las teorías científicas.7 Los ejemplos son: los “nichos” ecológicos, la “escalera” del ADN, la “caja negra” de la psicología. Otro ejemplo ha sido para ilustrar las diferencias entre interacción y medida en la mecánica cuántica, cuando Schrödinger propuso un experimento imaginario que tenía como protagonista a un gato que acabó tomando como apellido el del célebre austríaco. También es famoso en termodinámica el demonio de Maxwell, un ser capaz de poner en entredicho el segundo principio de la termodinámica mediante la separación de partículas de diferente cantidad de movimiento haciendo disminuir la entropía y aumentar el orden en el sistema. Aplicando la última metáfora mencionada a las instituciones educativas y de acuerdo a lo mencionado por Bourdieu8 cuando planteó la idea de que el sistema escolar en su conjunto pudiera actuar como una suerte de demonio de Maxwell que, a cambio de una gran cantidad de energía para llevar a cabo la selección de alumnos, mantiene el orden preexistente en la sociedad en relación con el capital cultural de cada cual. Según él, más allá de las retóricas progresistas, la escuela es un complejo artefacto capaz de separar y legitimar la distinción de los poseedores de capital cultural heredado respecto de quienes carecen de él por su origen. Al margen de su radicalidad y la discusión sobre su pertinencia, es difícil negar la potencia que tiene la metáfora de Maxwell, en el uso que Bourdieu hace de ella, para revelar aspectos poco visibles de las funciones de las instituciones escolares.7 Sin tratar de refinar lo expuesto sobre un uso metafórico de las propias metáforas de la ciencia como en el ejemplo anterior, es evidente que la reflexión a la que nos motiva, la suposición de aplicar muchos conceptos científicos de modo metafórico a la realidad de las actividades de enseñanza y aprendizaje en las aulas tiene una enorme potencia para explicarnos muchos aspectos de la vida escolar. ¿Por qué no dejar a nuestros alumnos que utilicen metáforas cuando hablen en física? Otro ejemplo es el desgaste que juegan los profesores innovadores versus los que llevan trabajando años en una institución, cuando éstos consiguen destruir lo que aquéllos trabajosamente han construido, puede quedar muy bien reflejado 59 �La tecnología en la enseñanza y el aprendizaje de la física / Roberto Sayavedra Soto y hasta explicado si se sabe cuáles son los estados inerciales de muchas instituciones escolares: el reposo o movimiento rectilíneo uniforme, del que sólo se apartarán por la acción de una fuerza. Y con ésta y otras metáforas dar una descripción completa de la problemática cristalizada a la que se enfrentan las instituciones educativas ante la necesidad de instaurar cambios en este principio de siglo.7 Digamos que hasta aquí el efecto sobre los “marcos del pensamiento” que nos proporciona la tecnología para explicar el comportamiento de la Naturaleza, donde incluimos a los fenómenos sociales en ella, sobre todo si se considera a la educación no como algo natural, sino social, construido y decidido.7 EL AVANCE DE LA TECNOLOGÍA CREA NUEVAS DIFERENCIACIONES Cuando se piensa en lo ocurrido con la alfabetización en la Edad Media, aparece el argumento de que una de las grandes e importantes consecuencias de la alfabetización fue la diferenciación cada vez más profunda entre lo que se dice o se escribe y lo que se entiende, se interpreta, se agrega o se atribuye a lo dicho o a lo escrito. Esta distinción comenzó cuando los jueces se alfabetizaron y comenzaron a distinguir entre sueños, profecías y visiones (los cuales eran anteriormente aceptados como evidencias), de testimonios oculares objetivos u otras versiones verificables.6 Hoy un profesor cuando se encuentra desempeñándose entre los planos de la mente, el del papel o pantalla de la computadora y la red (de profesores o de computadoras) apoyado con la tecnología de la telemática, potencia en él una diferencia profunda con aquel profesor de siglos anteriores. Esto debido al contacto directo con esta tecnología y a la “obligación” que impone ésta dadas sus características de aprendiz. Por ejemplo, los profesores que aprenden a programar a la computadora, también aprenden a diferenciar un “error” (algo malo y en algunos casos irreversibles) de un fallo que puede ser identificado y corregido por etapas. Mientras que el camino no directo tiene una base cultural, como el de las metáforas, y es captado por el individuo de una manera relativamente pasiva, las diferenciaciones hechas por contacto directo, a través de la experiencia de primera mano por ejemplo 60 con una computadora, no serán necesariamente compartidas, pero requieren un individuo activo que las cree. Cuando un profesor cae en lo que se ha denominado como el “olvido” de la tecnología, cuando no hay un acto consciente que le marque las diferencias lo lleva a generar imágenes en los alumnos de una tecnología subordinada a la ciencia. Trabajar en el laboratorio de física para “comprobar” lo expuesto en teoría conlleva visiones deformadas de la ciencia.9 Posiblemente el olvido de la tecnología venga desde la forma de su desempeño en el aula cuando se imparte la materia de física. Al analizar la naturaleza de la actividad científica, es decir, comprender cómo se construyen y evolucionan los conocimientos científicos, se imparte una física deformada, impartiendo visiones deformadas acerca de la naturaleza de la ciencia y de su actividad. Una forma de llevar a cabo la diferenciación sería contrastar el trabajo experimental de Ohm para llegar a la descripción del comportamiento de la corriente eléctrica a través de un conductor cuando se le aplica una diferencia de potencial;10 pasando a través de la descripción que hace el mismo Albert Einstein sobre cómo llegó a la concepción de la teoría de la relatividad,11 hasta lo que es hoy el trabajo en el laboratorio con la ayuda de la computadora en una práctica sobre movimiento o electricidad. Lo anterior lleva a la necesidad de poner atención en el uso de la computadora en la enseñanza y el aprendizaje de la física. Si esta tecnología ha llevado a los niños a buscar diferencias, donde se implica la metacognición, cuando la computadora les gana en los juegos, ya que “ella” piensa mejor. Un alumno, cuando realiza simulaciones en la computadora, no tiene las habilidades para diferenciarla entre una caja negra y un instrumento que crece sus sentidos. TECNOLOGÍAS QUE POTENCIAN POR ASOCIACIÓN La palabra escrita amplió el alcance del pensamiento al ayudar al ser humano a evitar las limitaciones de la memoria. El procesamiento de la información podría ampliar aún más el alcance del pensamiento, al ayudarnos a evitar las limitaciones humanas en la capacidad computacional, lo que Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �La tecnología en la enseñanza y el aprendizaje de la física / Roberto Sayavedra Soto incluiría no sólo la computarización de números sino también de palabras e imágenes.12 Algunas tecnologías no son simplemente artefactos a los que uno esté expuesto de forma pasiva, ya sea directa o a través de la transmisión cultural; las tecnologías también son un conjunto de técnicas con las cuales el individuo interacciona de forma activa. En lo que respecta a la informática, que puede trascender la cognición humana, el individuo interacciona con ella formando una asociación intelectual.6 El profesor de física deberá saber cómo asociarse con software que le permita a los alumnos diferenciar las tareas que antes hacían sin ayuda de la computadora, de aquellas actividades escolares donde el uso de la computadora les da oportunidades de desarrollo, es decir, actividades en física que no podrían hacer sin ayuda de este artefacto. Existe una gama de ejemplos de software con los que la computadora puede auxiliar al profesor en el desempeño de su clase. Por ejemplo, la asociación con software libre (http://www.gnu.org, www. gnu.org) de los grupos de investigación en física contemporánea ofrece posibilidades de trascender con las investigaciones en el tiempo. Es decir, no depender del desarrollo de plataformas comerciales, las cuales implican gastos cuando se actualizan, para mantener bases de datos, convenciones e investigaciones de su investigación en física a lo largo de los años en plataformas, ayudados con software libre. También el profesor puede asociarse con el software libre para desempeñarse eficazmente en el aula con sus alumnos. Si los alumnos viven esta asociación, comprenderán una faceta con la cual hoy se investiga en esta rama del conocimiento humano. Uno de los aspectos que aprenden los alumnos de la investigación en física, utilizando herramientas de la telemática, se refiere al tratamiento óptimo de los datos obtenidos. Cómo las computadoras ofrecen una solución y cómo en la medida en la que se requiere un mayor conocimiento de lo ocurrido en el fenómeno aumenta la cantidad de información, implicando un algoritmo para el manejo óptimo de ellos. En el mundo de la educación, para ver una película de un objeto en movimiento en “cámara lenta” se requieren de varios cientos de metros Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 de película para guardar la información. En la investigación en física, la observación de eventos astronómicos, cuya periodicidad es de cientos de años, requiere de un almacenamiento de datos en plataformas computacionales que puedan analizarse a través de varias generaciones sin menoscabo de la información por deterioro de la plataforma tecnológica empleada. LOS EFECTOS DE LA TECNOLOGÍA SOBRE LAS HABILIDADES COGNITIVAS Aquí no nos ocuparemos del aprendizaje de tecnologías específicas sino del cultivo de habilidades transferibles que se utilizan durante la asociación con la tecnología. Así, por ejemplo, tanto la imprenta y la alfabetización que se produce a consecuencia de la misma, se consideraban como un apoyo para cultivar el pensamiento abstracto. En este sentido el planteamiento de Salomon6 se diferencia de la mayoría de los estudios que se refieren a los efectos cognitivos producidos por la tecnología, por lo que se han centrado en el cultivo de las habilidades requeridas. A cambio, el aprendizaje de técnicas no es para un mejor manejo de la tecnología, sino para el cultivo y “crecimiento” de habilidades. Cultivar las habilidades implica que aquellas operaciones mentales usadas a partir de la estimulación producida por algún tipo de herramienta o símbolo, se verán mejoradas como resultado de su uso.6 Las consecuencias pueden ser que el individuo sea capaz de pensar en términos más variados como consecuencia de diseñar “ambientes” físicos con un “estimulador” experimental; 12 o adquiera la 61 �La tecnología en la enseñanza y el aprendizaje de la física / Roberto Sayavedra Soto capacidad de ser más explícito al emplear un lenguaje computacional; o adquiera estrategias metacognitivas como resultado de la programación. El cultivo de habilidades no puede ser adquirido sino por experiencia directa, de primera mano con la tecnología en consideración. Además, la tecnología debe demandar del individuo un desarrollo mayor de las habilidades que ya posea en el momento de enfrentarse con la tecnología, por lo que se recomienda que antes de usar la computadora para simular experimentos, se requiere que los alumnos adquieran previamente conocimientos prácticos en el laboratorio de física. El caso del uso de transductores para el análisis de fenómenos relacionados con el movimiento de los objetos, resulta de especial interés, ya que al “crecer los sentidos” de los alumnos se observan aspectos de dicho movimiento que no se perciben con la aplicación de las técnicas tradicionales del laboratorio por falta de tiempo y un análisis profundo del fenómeno. Cuando se emplea un transductor de movimiento se avanza más eficientemente en el análisis del movimiento. Los tipos de habilidades fomentadas con esta clase de asociación con la tecnología son conocidos como de “vía alta”.6 Para el profesor le resulta entonces necesario reconocer el tipo de relación directa que se necesita para conseguir la potencialización de alguna habilidad, es decir, cuáles son las estrategias didácticas que tendrá que llevar a cabo el profesor para beneficiar el proceso de enseñanza y aprendizaje. Tal como sugieren investigaciones recientes sobre este tema, la mera exposición, e incluso alguna actividad inconsciente y pobremente ejecutada, puede no ser suficiente. Si tomamos en consideración los distintos estudios sobre los efectos de la programación en niños, estas investigaciones han fallado en demostrar los efectos cognitivos mensurables más allá de algunos casos (casi siempre pobres) de dominio de la programación en sí misma.13 El camino denominado de “vía baja” (low road) se caracteriza por la práctica insistente de una actividad en distintas situaciones, lo que conduciría a un dominio casi automático (y por lo tanto poco comprometido mentalmente) de los elementos cognitivos, habilidades o conductas adquiridas. 62 Dichos elementos se aplicarán sin conciencia a la aplicación en situaciones ya practicadas. A medida que se adquiere más práctica, lo que haya sido aprendido se ejecutará con más solvencia, lo que genera que cada vez sea menos accesible a una inspección consciente, al mismo tiempo que será más accesible al control por parte del estímulo. Cuando se dejan de ejercitar este tipo de habilidades se pierde su control, si no recuérdese a aquella persona diestra en la ejecución del piano ¿qué le ocurrió cuando dejó de ejercitase durante un largo plazo? El otro camino, denominado la “vía alta” (high road), se caracteriza por ser un aprendizaje relativamente rápido. Este proceso está acompañado por un gran compromiso mental del individuo, el cual deliberadamente abstrae lo esencial del material y lo descontextualiza. Las abstracciones, principios o estrategias que este proceso conlleva estarán luego disponibles para ser transferidas de forma consciente. Por “compromiso mental”, se quiere decir: el empleo de las operaciones mentales no de forma automática sino metacognfitivamente, guiadas, deliberadas y enfocadas hacia la realización de una tarea.6 “Existiría una división de trabajo entre la “vía baja” y la “vía alta”. La primera es importante durante el proceso de culturización, de formación de hábitos, de socialización para establecer la imagen de uno mismo. Es importante en la adquisición de actitudes generales y de otros elementos cognitivos y conductas que no pueden ser enseñadas explícitamente de forma abstracta, ya que carecen tanto de disciplina cuanto de base deductiva lógica. Mucho de lo que llamamos “conocimiento tácito”, conducta cultural o estilo cognitivo, se adquiere de esta manera; es un aprendizaje incidental caracterizado por la práctica intensa. Quizás, lo más importante de la “vía baja” es que sea utilizada cuando una nueva habilidad se necesita, de esta forma logra desarrollarse paso a paso. Por otra parte si consideramos la educación en su forma más conocida, tiene que ver con conocimientos y habilidades que sí tienen una disciplina, es decir que pueden ser explicados y que deben ser dominados en un espacio de tiempo relativamente corto. La educación está diseñada entonces, para mover al educando hacía la “vía alta”. Este tipo de aprendizaje se da, por ejemplo, en la adquisición de estrategias que al principio, se basan en intención Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �La tecnología en la enseñanza y el aprendizaje de la física / Roberto Sayavedra Soto y en abstracción reflexiva. El cultivo de habilidades podría, por supuesto, coger cualquiera de las dos vías, pero uno normalmente se plantea que se produce a través de la experiencia con alguna tecnología que no requeriría esfuerzos y sin que nos diésemos cuenta, es decir, por la “vía baja”. Sin embargo, la utilización de una habilidad en forma repetitiva para tareas sin importancia y rutinarias, podría no conducirnos ni siquiera a la vía baja, no transferiría más allá del primer contacto”.6 “Unas cuantas horas aprendiendo a programar, aun si consideramos la programación potencialmente poderosa y desde el punto de vista cognitivo, no llega a cubrir los requerimientos básicos de la vía baja: los logros son normalmente pobres, la actividad en sí misma es cuantitativamente escasa e inconsecuente socialmente. Aprender a programar de verdad afecta habilidades cognitivas transferibles, tal como se ve en programadores expertos, pero este es el resultado de una gran cantidad de horas (algunos calculan más de 5000 horas) de programación hecha por individuos para quienes dicha actividad es importante”.6 El compromiso del profesor está entonces en el control del tiempo. Ya que para asociarse con la tecnología computacional de forma consciente. ¿Cómo se tendría que elaborar una estrategia que genere habilidades del pensamiento de vía alta? “Tanto si se usa la vía alta como la baja para la transferencia de habilidades, el cultivo de las mismas tiene otra cara: hay una pérdida relativa en el énfasis de algunas habilidades con la consiguiente extinción gradual de aquellas que se van volviendo innecesarias. Se ha argumentado, por ejemplo, que la aparición de la escritura, cuyo objetivo era entre otros el registrar información, actividad antes reservada a la memoria, produjo que las habilidades mnemotécnicas al ser menos, perdiesen capacidad. Este podría ser el caso también de las habilidades aritméticas: en una época de informática en la que las calculadoras manuales ya ni siquiera se fabriquen transformarán, tal como puntualizó Herbert Simon, el significado del verbo “conocer” en un verbo que implique acceso más que posesión. En resumen, el cultivo de una habilidad transferible puede suceder solamente en un encuentro activo con la tecnología, cuando la actividad desarrollada exige Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 la participación mental del individuo y cuando es consecuente. Entendiendo esto, hay por lo menos dos caminos a través de los cuales una habilidad transferible puede ser cultivada: cuando la tecnología se practica muy asiduamente y por lo tanto la habilidad se vuelve relativamente automática (efecto de vía baja), o cuando en la realización de la tarea el individuo compromete su atención y su consciencia, y se genera deliberadamente una generalización (efecto de vía alta). Comprometiéndose con esto el tiempo de duración de la estrategia que utilice el profesor. Ya que pueden pasar años en los que se utilice una computadora en el aula y los alumnos adquieran habilidades a lo largo del tiempo sin que se den cuenta; o si es en un corto tiempo, se requieren estrategias en las que el alumno se comprometa mentalmente con la actividad que realice. Hay pocos casos de efectos de programación, que entrarían dentro de esta categoría. ACERCA DE LA INTERNALIZACIÓN Una forma de explicar este tema, es primero pensar en la naturaleza de la internalización de la tecnología, para esto recurriremos al uso de una metáfora “contraria”. El cine es la externalización de nuestras sociedades y nuestros sueños, del mismo modo, la inteligencia artificial se puede concebir como un intento explícito de hacer un simulacro de los procesos mentales humanos. El concepto de internalización, en cambio, parecería implicar el establecimiento debido a algún proceso de una representación mental o de un conjunto de procesos internos, que de forma muy importante sirven como contrapartida de los sistemas de símbolos, procesos 63 �La tecnología en la enseñanza y el aprendizaje de la física / Roberto Sayavedra Soto y herramientas comunicativas externas.14 Para no confundir a la internalización con el desarrollo de habilidades, se pone el ejemplo cuando una persona se desempeña y/o manifiesta utilizando una herramienta de la tecnología. Un músico interpretando cierta melodía, la manera de colocarse cerca del cuerpo al instrumento, la forma de interpretar al autor, la manifestación de sus sentimientos nos hablarán de una internalización como consecuencia del desarrollo de habilidades relacionadas con la vía alta. S O B R E L O S C A N D I D AT O S A U N A INTERNALIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA Si se parte de que las herramientas de la telemática generan ambientes donde “lo virtual tiene poca afinidad con lo falso, lo ilusorio o lo imaginario. No es lo opuesto a lo real, sino una forma de ser que favorece los procesos de creación”.15 Nos da una visión de lo que las personas deberán enfrentar para desempeñarse eficazmente en la sociedad. La utilización de las herramientas de la telemática en el aula son idóneas para el desarrollo de habilidades de vía alta que lleven a los alumnos al descubrimiento de espacios diferentes para su desempeño como personas. Esta forma de actuación implica que los alumnos hayan internalizado a la tecnología empleada. “Para ser un candidato, hay un número de condiciones que deben ser cubiertas. Debe provenir de la misma, o ser de similar “sustancia” que lo que en ese momento la mente esté usando y manipulando: sonar “sustancia” en el modo de representación simbólica, operaciones y metaoperaciones. Además debe encajar en el nivel de desarrollo ontogenético del individuo. Es decir, los modos simbólicos, las operaciones y las metaoperaciones a las que se enfrenta el individuo en su interacción con la tecnología para que puedan convertirse en herramientas cognitivas, deben ser tales que puedan ser potencialmente reconstruidas y realizadas en la mente del que está aprendiendo. Deben ser por lo tanto, congruentes con su nivel de conocimiento, sus intuiciones y sus capacidades. Cabría preguntarse, ¿por qué debería alguien que está aprendiendo comprometerse en un proceso de internalización de un nuevo modo de representación o en una nueva estrategia?”.6 64 La segunda de las condiciones para que la internalización de la tecnología se cumpla, es que el sujeto pueda asimilarlo a un esquema ya existente. Para ello, se requiere de un trabajo previo de inducción a los profesores de Física al trabajo colaborativo, enfocado a la solución de problemas en el aula y/o de la asignatura.16 Dicho en otros términos, una herramienta o un modo de representación puede ser internalizado si sus funciones caen en lo que Vygotsky ha denominado la zona de desarrollo próximo. Y una tercera condición importante es que el candidato tecnológico para ser internalizado debe ser explícito en sus operaciones. Esto implica que las operaciones a realizar con ayuda de la tecnología, por ejemplo de la telemática, sean lo suficientemente explícitas, y no resulten una “caja negra”. Una herramienta que sea candidata para la internalización, debe mostrar la actividad que desarrolla para que el usuario pueda copiar el procedimiento y pueda reconstruirlo en su mente.6 Los requisitos para cumplir con esta última condición son los que se han desarrollado con la ayuda de las herramientas de la telemática como los foros y diálogos (chat) virtuales. Las características de estos elementos virtuales implican al usuario la internalización de las tecnologías tradicionales (lectura y escritura, manejo del lenguaje) y de las destrezas para un buen empleo de las herramientas usadas en la tecnología computacional. CONCLUSIONES A manera de conclusión se proponen momentos requeridos con los profesores para su actualización y/o capacitación; además, también proponer los dominios que debe internalizar aquella persona que requiere desempeñarse como docente de manera eficaz. Los momentos iniciales de cualquiera de los profesores que quiera utilizar a las herramientas de las tecnologías de la información y la comunicación en el aula para la enseñanza de la Física, deberán vivir actividades y realizar tareas de sensibilización para un cambio cognitivo,14 cambio que va más allá de simplemente buscar un cambio en la didáctica de las estrategias didácticas de la física. Para después participar en un segundo momento donde se sensibilice a los profesores sobre las asociaciones Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �La tecnología en la enseñanza y el aprendizaje de la física / Roberto Sayavedra Soto con la computadora que potenciarán su desempeño como docentes en la enseñanza y el aprendizaje de la física. Considero que sólo pasando por estos dos momentos los profesores podrán acceder al tercer momento con la utilización de los espacios virtuales que los lleven a nuevas creaciones de los espacios educativos. Por último, los dominios del conocimiento humano que deberá un profesor tener para desempeñarse eficazmente son los que se relacionan con los conocimientos de la física, la didáctica de esta disciplina en el aula, el uso de la tecnología computacional para entrenar y crecer los sentidos de los estudiantes, por lo que el último de los dominios es el conocimiento de los alumnos. Este último se relaciona con el campo de la psicología. Todo esto nos habla de un manejo interdisciplinario en aula de parte del profesor para lograr lo que hoy en día son conocimientos que le dan un significado a los alumnos sobre lo que es la física en su educación. REFERENCIAS 1. E. Carbonell y R. Sala, Planeta humano, Ediciones Península, S.A., Barcelona (2000). 2. J.A. Acevedo, et al. “Creencias sobre la tecnología y sus relaciones con la ciencia”, Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias 2, 3, Artículo 9. En: www.saum.uvigo.es/rec/, www.saum.uvigo. es/reec/ (2003). 3. 1. 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Beaty, Action learning: a guide for professional management and educational development, London: Kogan Page (2001). 65 �Metales activados de Rieke Parte I. Preparación y empleo en la obtención de reactivos de Grignard Luis Ángel Garza Rodríguez, Boris I. Kharisov Facultad de Ciencias Químicas, UANL. lagr19@mail.ru, bkhariss@ccr.dsi.uanl.mx Ubaldo Ortiz Méndez FIME-UANL uortiz@ccr.dsi.uanl.mx RESUMEN En este artículo, se examinan las técnicas de activación de metales para producir los “metales de Rieke”(metales de muy alta reactividad y área superficial). Se describen sus propiedades físicas y químicas, su aplicación en las síntesis orgánicas y organometálicas, así como las conducciones para su manejo. En esta parte se dedica mayor atención al calcio de Rieke y la preparación de reactivos de Grignard debido a sus múltiples usos en síntesis orgánica. PALABRAS CLAVE Metales de Rieke, reactivos de Grignard, síntesis orgánica, síntesis organometálica. Reuben D. Rieke ABSTRACT The techniques for activation of metals to produce the Rieke metals (very active metals with high surface area) are examined. Their physical and chemical properties, applications in organic and organometallic synthesis, as well as handling conditions are described. In this part of the article, special attention is paid to Rieke calcium and preparation of Grignard reagents due to their multiple application in organic synthesis. KEYWORDS Rieke metals, activation, Grignard reagents, organic synthesis, organometallic synthesis. INTRODUCCIÓN En los últimos 30 años, se han realizado intensos estudios en el área de la síntesis de compuestos orgánicos y organometálicos mediante el uso de metales en estado elemental (metales cerovalentes), desafortunadamente, la mayoría de estos metales no son lo suficientemente reactivos para interactuar debido a factores tales como: gran tamaño de partículas (malla 100–350), películas de óxidos, aceite u otros contaminantes (fosfatos, fluoruros, sulfatos) sobre la superficie además de poca superficie activa, entre otros. Estos factores pueden atenuarse e incluso eliminarse, si se someten los metales a utilizar a cualquiera de las diversas técnicas de activación existentes, con el fin de lograr sintetizar 66 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Metales activados de Rieke. Parte I. Preparación de metales... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al nuevos compuestos orgánicos y organometálicos que puedan ser utilizados como precursores de otros más complejos. Brevemente se mencionarán algunas de las técnicas de activación de metales más comúnmente utilizadas. Activación por reactivos y disolventes Esta técnica está enfocada a la eliminación de contaminantes sobre la superficie de las partículas metálicas, en el caso de óxidos se puede describir como “despasivado”. Por ejemplo el despasivado de partículas de zinc, como pretratamiento para la preparación de compuestos organozinc, consistente en activar el polvo de zinc mediante lavados rápidos con hidróxido de sodio diluido, seguido de lavados con: ácido acético diluido, agua, etanol, acetona y éter. Finalmente se seca al vacío a 100°C durante 2 h.1 Otra técnica de despasivación de zinc, es la proporcionada por el método de Cava.2 Descomposición de complejos MetalAntraceno La interacción de MgBr2 con antracenuro de sodio en tetrahidrofurano (THF) produce un sólido en forma de agujas (acicular) de color anaranjado, constituida por la fórmula MgC14H10*3THF, este complejo es de los más estudiados en campos de la química de coordinación y organometálica, en la producción de metales activados y de nuevos compuestos de coordinación y organometálicos. Existen diversos métodos por medio de los cuales se lleva a cabo la descomposición del complejo de antraceno con magnesio. a) a temperatura ambiente y en disolventes, tales como tolueno o éter, empleando MgC14H10*2THF como intermediario, se produce magnesio en polvo, b) mediante el calentamiento de MgC14H10*3THF sólido a 200°C, sometido a un alto vacío, de manera tal que se remueva el THF y el antraceno, el magnesio resultante, es un polvo negro, pirofórico, de alta área superficial, c) otro método se lleva a cabo a través de la descomposición mediante el uso de ultrasonido. a) Calor bajo alto vacío MgC14H10 * 3THF b) Solvente a rt Mg* c) Ultrasonido Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 (1) Algunas aplicaciones adicionales del uso del complejo MgC14H10*3THF, es la preparación de polvos metálicos finamente divididos utilizando como materiales precursores las sales metálicas.3 Agentes reductores Existe una amplia gama de compuestos que se emplean en la reducción de sales metálicas para la preparación de polvos metálicos y catalizadores soportados, ejemplos de éstos son: la reducción de sales de níquel mediante el uso de borohidruro de sodio en medio acuoso o alcohólico, las reducciones de cloruro de níquel anhidro en presencia de trifenilfosfina mediante el uso de Zn, Mg o Mn.4 Bönnermann y colaboradores5, 6 desarrollaron un método de reducción de sales metálicas (MXn; X= OH, OR, CN, OCN, SCN) mediante el uso de compuestos hidroorganoboratos (NaBEt3H, LiBEt3H, KBPr3H, etc) en disolventes tales como THF, DME e hidrocarburos (Tabla I). Tabla I. Preparación de metales en polvo mediante la reducción de sus sales en THF. Sal metálica Agente Reductor Tiempo (h) T (°C) Contenido de metal (%) Fe(OEt)2 NaBEt3H 16 67 96.8 CuCN LiBEt3H 2 23 97.3 IrCl3 KBPr3H 16 67 94.7 PtCl2 LiH + 10% BEt3 5 67 98.8 Metales de Rieke Los pioneros en el campo de obtención de metales altamente reactivos fueron Reuben D. Rieke, Matthew S. Sell, Walter R. Klein, Tian-an Chen, Jeffrey D. Brown, y Mark V. Hanson, quienes en 1972 reportaron la síntesis de metales altamente reactivos mediante la reducción de una sal metálica en un disolvente etéreo o hidrocarburo utilizando un metal alcalino cerovalente como agente reductor.7 Los metales preparados de esta forma se conocen como “Metales Activados de Rieke”. Los metales de Rieke son utilizados en reacciones de adición oxidativa directa de haluros alquílicos y arílicos funcionalizados, síntesis regiocontrolada, reacciones de carbociclización, reacciones de síntesis 67 �Metales activados de Rieke. Parte I. Preparación de metales... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al de β−, γ-cetonas insaturadas, spiro γ-lactonas, spiro δ-lactonas y γ-lactamas, entre otras. PRINCIPIOS BÁSICOS Las condiciones de operación mediante las cuales se llevan a cabo las reacciones de síntesis de los metales de Rieke son moderadas y suaves, no requieren de temperaturas y presiones altas; son estrictas debido a que requieren un medio ambiente inerte y seco, las sales metálicas y los disolventes deben encontrarse totalmente anhidros. En la mayoría de los metales que se preparan por este método, al final de la reacción se obtiene un material en forma de polvo finamente dividido de color negro que sedimenta lentamente (al cabo de horas) y un sobrenadante claro, que en muchos de los casos, es incoloro. Rieke y colaboradores encontraron que para algunos de estos polvos metálicos, preparados con el método mencionado, el nivel de reactividad permanecía idéntico. Sin embargo, para otros metales el uso de alguno de los métodos de activación resultaba en una reactividad superior. A partir del trabajo realizado por Rieke y colaboradores, otros investigadores han desarrollado otros métodos de reducción de metales obteniendo, por ejemplo, compuestos metal-grafito, complejos de magnesio con antraceno, y alcaluros disueltos.8-12 Métodos de reducción de sales metálicas Existen varios métodos de reducción de sales metálicas mediante el uso de metales alcalinos, a continuación se enumeran y describen brevemente: 1. Inicialmente la atención estaba enfocada en métodos de reducción de sales metálicas sin el uso de acarreadores de electrones, la reacción se llevaba a cabo con un metal alcalino y un disolvente que tenga un punto de ebullición más elevado que el punto de fusión del metal alcalino, además, la sal metálica debía ser parcialmente soluble en el disolvente y la reducción se realizaba en atmósfera inerte (argón). Ejemplo de este método es la reacción de Haluro metálico con potasio metálico (2) donde se utiliza potasio como agente reductor. MXn + nK X=Cl, Br, l 68 M* + nKX (2) Algunas de las características de estas reacciones es que son exotérmicas, el tiempo de reacción es de algunas horas y el método requiere que se esté en reflujo continuo. Algunas de las combinaciones disolvente-metal alcalino más comúnmente utilizadas incluyen: DME= 1,2-dimetoxietano Metal Alcalino Disolvente Potasio THF Sodio DME Sodio Benceno Potasio Benceno Sodio Tolueno Potasio Tolueno 2. Un segundo método de preparación de polvos metálicos activos es mediante el uso de un metal alcalino y un acarreador de electrones, tal como, naftaleno, del cual se agrega del 5 al 10% molar al medio de reacción sobre la sal metálica a ser reducida. Las reducciones por este método se llevan a cabo a temperatura ambiente o temperaturas más bajas sin la necesidad del uso del reflujo. De los tres metales alcalinos (litio, sodio y potasio) considerados para llevar a cabo las reacciones de reducción, el litio es el favorito, no solo por ser considerado el más seguro sino, además, por el hecho de que en muchos casos los metales activos que se obtienen en la reducción son mucho más reactivos que los obtenidos con los otros dos metales alcalinos. 3. Un tercer método de reducción (3) basado en la reacción de Litio metálico con bifenilo se usa una cantidad estequiométrica de bifeniluro de litio previamente formado; este método permite la generación rápida del polvo metálico, desde temperaturas bajo cero e incluso hasta temperatura ambiente; en algunos casos, las reducciones son lentas a bajas temperaturas debido a la pobre solubilidad de la sal metálica, la técnica generalmente provee un polvo metálico más activo debido a que a temperaturas bajas los tiempos relativamente cortos restringen el crecimiento de la partícula metálica. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Metales activados de Rieke. Parte I. Preparación de metales... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al - Li + Li + (3) Sea cual sea el método de reducción que se haya seleccionado, una vez sedimentado el metal activo, el sobrenadante se elimina mediante una cánula, y el polvo se lava para eliminar la sal alcalina y el acarreador de electrones. Existen estudios sobre los efectos de las reactividades de diferentes metales cuando se preparan utilizando diferentes metales alcalinos, o cuando se varían las condiciones de trabajo, también existen diferencias en la reactividad de los metales activados obtenidos, en función del la especie aniónica enlazada al mismo. Ventajas y desventajas del método de síntesis de metales de Rieke • Ventajas del método de preparación de polvos metálicos activos a) El equipo requerido no es muy costoso. b) Las reacciones se llevan a cabo con materiales que ordinariamente se encuentran en un laboratorio de química. • Desventajas del método de preparación de polvos metálicos activos a) Se debe trabajar con sales metálicas completamente anhidras. b) El disolvente a utilizar debe estar recién destilado en atmósfera de argón y completamente exento de agua. c) La reactividad de los polvos metálicos decrece con respecto al tiempo. Al no contar con sales anhidras puede partirse de sales hidratadas que deberán ser sometidas a tratamientos de eliminación de moléculas de agua de cristalización, así como de coordinación; el problema se presenta cuando los métodos de deshidratación propician la formación de mezclas de óxidos e hidróxidos. Algunas de las precauciones que deben de considerarse cuando se trabaja en la síntesis de este tipo de reactivos son: Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 1.- No debe exponerse el polvo metálico activo generado al oxígeno ni a la humedad del aire (reacciona rápidamente). 2.- Deberá manejarse todo el tiempo bajo una atmósfera de argón. 3.- Si se elimina el disolvente del polvo metálico antes de que sea expuesto al aire muchos metales se queman. 4.- Los problemas del manejo de los metales alcalinos sodio y potasio metálicos en la preparación de los polvos metálicos. 5.- Las aleaciones de sodio-potasio (Na-K) son extremadamente reactivas y difíciles de manejar, sólo se utilizan en el último de los casos. PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS POLVOS METÁLICOS ALTAMENTE REACTIVOS Características Generales • Son polvo con tamaño de partícula entre 1 y 2 µm. • Poseen una estructura que va desde el tipo esponja hasta un material policristalino.13, 14 • Para metales tales como aluminio e indio los estudios de difracción de rayos X muestran líneas que corresponden al metal y a la sal alcalina, y para metales tales como magnesio y cobalto, sólo aparecen líneas para la sal alcalina. • Los estudios de ESCA (XPS) y la espectroscopía de Auger muestran que para muchos metales activos el estado de oxidación del metal es cero. • Mediante la prueba de determinación de área superficial realizada utilizando el método de Brunauer, Emmet y Teller (Prueba BET), se determinó un área superficial específica de 32.7 m2 g1- para el Níquel (Ni*). • El metal activo recién preparado presenta una alta reactividad debido en gran parte al hecho de que, probablemente, no posee capas de óxido superficial, al alto contenido de dislocaciones e imperfecciones y al rango tan pequeño de tamaño de partículas. • El metal activado presenta en su composición cantidades significativas de diversos elementos 69 �Metales activados de Rieke. Parte I. Preparación de metales... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al tales como, carbono, hidrógeno, oxígeno, halógenos y metal alcalino (Na, K ó Li). De manera condensada en la tabla II se presentan los métodos de preparación de metales de Rieke para Magnesio, Calcio, Estroncio, Bario, Zinc, Cobre, Aluminio, Indio, Níquel, Manganeso, Cobalto, Titanio y Cadmio. CALCIO DE RIEKE En la síntesis de compuestos organocalcio se han encontrado factores que impiden obtener resultados satisfactorios, tal es el caso de las reacciones de adición oxidativa en las cuales al exponer la superficie del calcio a substratos orgánicos se observan efectos de reducción en la reactividad debido al envenenamiento de la superficie.30, 31 La metodología para preparar el Calcio de Rieke consiste en: Primero, en un matraz se agregan sales de los halogenuros de calcio (generalmente Cl, Br y I) en su forma anhidra (por ejemplo: CaBr2, 1.213 g, 6.07 mmol), se disuelven en un disolvente etéreo (por ejemplo; tetrahidrofurano, 15 mL) destilado en atmósfera de Argón (un procedimiento adicional para el secado del THF se realiza mediante la adición de benzofenona de sodio seguido de un proceso de destilación en atmósfera inerte), disolución A. Tabla II. Breve descripción de las técnicas de preparación de diversos metales de Rieke. Metal activo Sistema de reacción Condiciones Ref. Mg* 1) Li (cortado en hoja fina), naftaleno (10% mol sobre Li), THF (recién destilado en atmósfera de argón), síntesis en atmósfera de Ar, sal anhidra MgCl2. Se agita la mezcla durante 3 h. 15 2) Li (cortado en hoja fina), naftaleno (10% mol. sobre Li), THF (recién destilado en atmósfera de argón), síntesis en atmósfera de Ar, MgCl2, NaCN (MgCl2: NaCN; relación 1:2) Temperatura ambiente, agitación magnética, 3 h. 16 3) K, MgCl2, THF, KI Ca*, Sr*, 1) Naftalenuro de litio o Bifeniluro de litio, MX2 (X = Cl, Br, I), THF (recién destilado), atmósfera de Ar. Se agitan el Li y el bifenilo (2 h), después el producto se transfiere a una disolución de un haluro metálico en su forma anhidra para ser agitado por 1 h. Para el caso de Calcio de Rieke al final se obtiene una disolución coloreada o un precipitado negro. 15, 18 1) Na o K, ZnBr2 anhidro, THF o 1,2dimetoxietano reciéndestilado en atmósfera inerte (Ar). Reflujo por 4 h 15 2) Li, naftaleno (10 % mol sobre el Li), ZnCl2 anhidro, THF o DME. Bifenilo o antraceno pueden ser usados también como portadores de electrones. a) Agitación durante 20-40 s Li y naftaleno en THF. b) ZnCl2, disuelto en THF, se agrega gota a gota, agitando durante 15 min. 3) Li, naftaleno o bifenilo, THF, Zn(CN)2. En un recipiente se mezclan naftaleno, litio y Zn(CN)2 anhidro en THF, tiempo de reacción 5 h a temperatura ambiente. Ba* Zn* 70 Reflujo, un polvo negro de magnesio 17 más activo se forma con la reducción de la sal metálica en la presencia de KI 15 16 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Metales activados de Rieke. Parte I. Preparación de metales... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al Cu* 1) K, naftaleno (10 % sobre el potasio), CuI, DME, atmósfera de Ar. Reflujo por 8-12 h. 2) Naftalenuro de litio, éter, CuI*PEt3, atmósfera de Ar. Es necesario 2 h para formar el naftalenuro de litio y además 5 min. para reducir el complejo Cu(I). 15, 19 3) 2-tienilcianocuprato de litio, naftalenuro de litio, atmósfera de Ar. -78oC 15, 20 4) Naftalenuro de Li, CuCN.nLiX (X=Cl, Br), atmósfera de Ar. -110oC 15, 21 15 5) Naftalenuro de Li , un polímero que contiene los grupos fosfino, enlazados al Cu, disolvente. Al* In* Ni* Mn* 22 1) K o Na, AlX3, THF (xileno o trietilamina), atmósfera de Ar. 2) Li, AlCl3 anhidro, THF, atmósfera de N2. 3) AlCl3, NaCN, THF ó DME, atmósfera de Ar, Li. Reflujo Polvo negro, Reflujo por 1-2 h. Temperatura entre 20-30°C, hasta 2 h 15, 23 15 16 1) K, InCl3, xileno, atmósfera de Ar. 2) Li, InCl3 ó In(CN)3, NaCN, THF ó DME (La utilización de NaCN es aplicable en el caso donde se utiliza el cloruro de indio anhidro). Reflujo, 4-6 h 15 Temperatura ambiente, hasta 2 h 16 1) Li, naftaleno (10 % mol sobre el Li), sales de Ni, DME, atmósfera de Ar. 12 h 15 2) Bu4NBF4 o Et4NBF4, DMF, cátodo de Pt, ánodo de Ni , celda no dividida, atmósfera de Ar. 3) K, NiI2, PEt3 ó PPh3, THF, atmósfera Ar. Electrólisis a 0oC Reflujo (2 h si se utiliza PPh3, 20 h con PEt3). 24, 25 17 1) Naftalenuro de Li, MnCl2. 2) Naftalenuro de Li, MnI2, atmósfera Ar, THF. 30 min agitación Co* Sales de Co, metal alcalino, hidrocarburo como disolvente. Ti* 1) Li, TiCl3, THF Cd* 1) Naftalenuro de Li, CdCl2, THF ó DME, Ar. Segundo, en un recipiente que contiene THF (15 mL) se agrega litio (41.7 mg 6.01 mmol) en forma de hojas delgadas recién cortadas en cámara seca (si no se dispone de cámara seca deberán lavarse las láminas de litio con hexano), después se introduce Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 Reducción de la sal metálica mediante 27 un metal alcalino en un hidrocarburo como disolvente, temperatura ambiente a 200oC. 28 2) Naftalenuro de Li, TMEDA, CdCl2 anhidro. 3) CdCl2, Li, Naftaleno (cantidad estequiométrica), THF ó DME. 26 Temperatura ambiente, 6-12 h Cd* más reactivo se prepara mediante esta técnica, el naftalenuro de litio se forma mediante la mezcla de Li°, Naftaleno y TMEDA en tolueno bajo el influjo de ultrasonido durante 8-12 h en atmósfera de Ar. Esta mezcla se agrega al CdCl2. Se forma Cd3Li (aleación), reflujo por 3-4 h. 29 29 29 en el mismo recipiente bifenilo en proporción 10% molar en exceso respecto a la cantidad de litio (6.61 mmol), se agita la mezcla a temperatura ambiente bajo atmósfera de Argón por un período de 2-2.5 h (1-2) hasta la disolución del litio, el cual se observa 71 �Metales activados de Rieke. Parte I. Preparación de metales... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al debido a la formación de una disolución de color intenso verde-azul, disolución B. Tercero, se procede a la mezcla de las disoluciones A y B mediante el uso de una cánula transfiriendo la disolución B a la A, todo esto a temperatura ambiente y en atmósfera de Argón durante un período de 1 h al final de la cual se obtiene el Ca*. Es importante mencionar un efecto considerable que se presenta cuando se utiliza uno u otro de los acarreadores de electrones (bifenilo o naftaleno) para este tipo de reacciones, por ejemplo, cuando se utilizan las sales de CaBr2 y CaI2 en THF el acarreador de electrones preparado con bifenilo y litio, produce una especie coloreada de calcio que es relativamente soluble (4) en el mismo disolvente de preparación, cuando se utiliza naftaleno y litio se obtiene un polvo negro que es insoluble en THF.30 + + Li Br + Ar, rt Ca(BPh) 2 complejo soluble en THF (4) Relación 1:1 -78 ° C 30 min. Br Br THF Mg* Br + CaBr2 de los cuales reaccionan con mucha dificultad bajo las condiciones normales de síntesis de reactivos de Grignard, reaccionan de manera más favorable mediante el uso de los metales activados de Rieke, en el caso particular de la reacción del 1,4dibromobenceno con magnesio de Rieke (Mg*) en relación 1:1, a -78°C durante 30 minutos se forma el intermediario mono–organometálico, a diferencia de lo ocurrido cuando se lleva a cabo la reacción con magnesio ordinario y 1,4-dibromobenceno, obteniéndose el complejo mono y di-Grignard, además de material inicial sin reaccionar (5).32 Mg Relación 1:1 -78 ° C 30 min. MgBr Br Br MgBr (5) + Br Br MgBr + MgBr SÍNTESIS DE REACTIVOS DE GRIGNARD UTILIZANDO METALES DE RIEKE Desde su descubrimiento en 1901 por Víctor Grignard, los reactivos de Grignard han sido utilizados ampliamente en la síntesis de compuestos orgánicos debido a la propiedad de generar grupos nucleofílicos fuertes, los cuales reaccionan con casi todos los compuestos orgánicos (excepto con hidrocarburos, éteres y aminas terciarias). Una manera innovadora para la preparación de los reactivos de Grignard es mediante la utilización de los metales activos de Rieke que, debido a su alta reactividad (respecto a los metales sin activar), en los sistemas orgánicos proporciona la ventaja de sintetizar reactivos de Grignard que son imposibles de obtener mediante las condiciones convencionales de síntesis. Así, se preparan reactivos de Grignard que tienen propiedades reactivas más altas que las obtenidas por los métodos convencionales de preparación. Haciendo una comparación entre la preparación de reactivos de Grignard mediante el uso de metales activados de Rieke y metales ordinarios se observa que en las reacciones de los dihalogenuros, algunos 72 La preparación de intermediarios monoorganometálicos mediante la utilización de metales de Rieke puede encontrar aplicaciones en la síntesis de polímeros conductivos así como de moléculas asimétricas arílicas. La preparación de los reactivos di-Grignard partiendo de dihaloarenos requiere de condiciones forzadas y típicamente se obtiene en mayor cantidad el reactivo mono–Grignard.33 Estudios realizados utilizando el sistema MgCl 2-KI-KTHF ha proporcionado buenos resultados en la preparación de reactivos di-Grignard, por ejemplo: la reacción del 1,4-dibromobenceno a temperatura ambiente durante 15 minutos en el sistema antes mencionado, proporciona el reactivo di-Grignard con un rendimiento del 100%, trabajos anteriores a este experimento reportan que solo un cloro de los dicloro derivados de benceno y naftaleno reaccionan con magnesio ordinario.34-37 Una de las ventajas de la utilización de los metales de Rieke en la preparación de los reactivos de Grignard se debe a la utilización de temperaturas bajas (por ejemplo -78°C) en la operación de síntesis, lo cual es notable en la reacción del 3halofenoxilpropanos,38 pues aunque los reactivos Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Metales activados de Rieke. Parte I. Preparación de metales... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al de Grignard son fáciles de preparar en condiciones de temperatura ambiente o superior, esto provoca la pérdida del grupo fenoxil generando ciclopropano mediante una reacción SN2, y este producto no es el deseado. Al utilizar temperaturas bajas y metales de Rieke se obtiene el reactivo de Grignard sin modificación de los grupos funcionales del reactivo precursor. COMENTARIOS FINALES A partir del material presentado se puede concluir que el uso de los metales de Rieke en la síntesis de nuevos compuestos orgánicos, así como, organometálicos contiene muy buen número de ventajas como son: 1. No se requiere de materiales y equipos muy sofisticados para llevar a cabo la síntesis de los metales de Rieke. 2. Las condiciones para llevar a cabo la síntesis de los metales de Rieke, específicamente presión y temperatura, son moderadas. 3. Se pueden obtener metales activos que reaccionan bajo condiciones de síntesis tan drásticas como -100 °C. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo financiero otorgado por la Universidad Autónoma de Nuevo León (PAICYT-2004) y por el CONACYT (Proyecto 39558-Q). REFERENCIAS 1. Hauser, C. R; Breslow, D. R. Org. Synth., Coll. Vol. III 1955, 408. 2. K e r d e s k y , F . A . J . ; A r d e c k y , R . J . ; Lakshmikanthan, M. V.; Cava, M. P. J. Am. Chem Soc. 1981, 103, 1992. 3. Bogdanovic, B; Bönnemann, H. Ger. Offen DE 3 541 633, 1987; U.S. Patent 4 713 110, 1987. 4. Colon, I; Kesley, D. R. J. Org. Chem. 1986, 51, 2627. 5. Bönnemann, H.; Brijoux, W.; Joussen, T. Angew. Chem,. Int. Ed. Engl. 1990, 29, 273. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 6. Bönnemann, H.; Brijoux, W. Brinkmann, R. Dinjus, E.; Joussen, T.; Korall, B. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1991, 30, 1312. 7. Rieke, R. D. CRC Critical Reviews in Surface Chemistry 1991, 1, 131-166. 8. Csuk, R.; Glanzer, B. L.; Furstner, A. Adv. Organomet. Chem. 1988, 28, 85. 9. Savoia, D.; Trombini, C.; Umani-Ronchi, A. Pure Appl. Chem. 1985, 57, 1887. 10. Bogdanovic, B. Acc. Chem. Res. 1988, 21, 261. 11. Marceau, P.; Gautreau, L.; Beguin, F. J. Organomet. Chem. 1991, 403, 21. 12. Tsai, K.-L.; Dye, J. L. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 1650. 13. Rieke, R. D. Top. Curr. Chem. 1975, 59, 1-31. 14. Rieke, R. D. Acc. Chem. Res. 1977, 10, 301306. 15. Rieke, R. D.; Shell, M. S.; Klein, W. R.; Tian-an Chen, Brown, J. D.; Hanson, M. V. Active metals: preparation, characterization, applications, Ed Alois Fürstner,1995,1-59. 16. Rieke, R. D. US Office Patent. 5,507,973, (1996). 17. Cintas, P. Activated Metals in Organic Synthesis, Ed CRC Press, 1993 Chapter 3, 45-92. 18. Sell, M. S.; Rieke, R. D. Synth. Común. 1995, 25(24), 4107-13. 19. Ebert, G. W.; Rieke, R. D. J. Org. Chem. 1988, 49, 5280 – 5282. 20. Scherlitz-Hofmann, I.; Boessneck, U.; Schoenecker, B. Liebigs Annalen (1996), (2), 217 – 22. 21. Dawson, B. T.; Avail. Univ. Microfilms Int. Order No. DA9233398. (1992), 318 pp. From: Diss. Abstr. Int. B 1993, 53(7), 3477. 22. Smith, J.G. Synthesis, 629 (1984). 23. Akagah, A.; Poite, J. C.; Chanon, M. Org. Prep. Proced. Int. (1985), 17(3),219-23. 24. Yasuhara, Akito; Kasano, Atsushi; Sakamoto, Takao. Yuki Gosei Kagaku Kyokaishi (2000), 58(3), 192-198. 25. Yasuhara, Akito; Kasano, Atsushi; Sakamoto, Takao. Organometallics (1998), 17(21), 4754-4756. 73 �Metales activados de Rieke. Parte I. Preparación de metales... / Luis Ángel Garza Rodríguez, et al 26. Hojo, Makoto; Yoshizawa, Junji; Funahashi, Yoshihiro; Okada, Ryo; Nakamura, Shin-Ya; Tateiwa, Jun-Ichi; Hosomi, Akira. Heterocycles (1998), 49, 85-88. 27. Leslie-Pelecky, D. L.; Bonder, M.; Martin, T.; Kirkpatrick, E. M.; Zhang, X. Q.; Kim, S.-H.; Rieke, R. D. IEEE Transactions on Magnetics (1998), 34(4, Pt.1), 1018-1020. 28. Talukdar, Sanjay; Nayak, Sandip K.; Banerji, Asoke. J. Org. Chem. (1998), 63(15), 4925-4929. 29. Hojo, Makoto; Yoshizawa, Junji; Funahashi, Yoshihiro; Okada, Ryo; Nakamura, Shin-Ya; Tateiwa, Jun-Ichi; Hosomi, Akira, Heterocycles (1998), 49, 85-88. 30. Wu, Tse-Chong; Xiong, Heping; Rieke, R. D. J. Org. Chem. 55 (17), 5045-5051 (1990). 74 31. Pryor, Lara; Kiessling, Anthony. Am. J. Undergraduate Res Vol. 1 2002. 32. T. Yamamoto, A. Yamamoto, Chem. Lett. 1977, 353 – 356. 33. S. T. Ioffe, A. N. Nesmayanov, Methods of Elemento-Organic Chemistry, Vol. 2, North Holland, Amsterdam 1967. 34. M. Gomberg, L. H. Cove, Ber. 1906, 39, 32743297. [35] H. S. Pink, J. Chem. Soc. 1923, 123, 3418-3420. 35. Krause, E.; Weinberg K., Ber. 1929, 62, 22352241. 36. E. St. John, N. St. John, Recl. Trav. Chim. PaysBas 1936, 55, 585-588. 37. H. Normant, C. R. Acad. Sci. 1954, 239, 1510. 38. Burns, T. P.; Rieke, R. D. J. Org. Chem. 1983, 48, 4141-4143. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Eventos y reconocimientos CREAN FUNDACIÓN PRO-FIME Integrada por distinguidos egresados que han mostrado el compromiso y disponibilidad de regresarle a la facultad algo de lo mucho que les dio, nace la Fundación Pro-FIME. Sus miembros se dedicarán a gestionar apoyos, buscar recursos financieros y colaborar en los diferentes proyectos estratégicos que la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica tiene en aspectos de infraestructura y equipamiento. Esta fundación estará vinculada con la Fundación UANL que preside el empresario Jaime Benavides, pues en ella espera contar con un asiento, según la petición del director de la FIME, Rogelio Garza Rivera, a fin de lograr una mayor comunicación y estar muy al tanto de los proyectos de la Universidad. La fundación Pro-FIME la preside Alfonso Morcos Flores, Premio al Saber de su generación, distinguido profesionista en el área de ingeniería eléctrica, quien fuera director nacional de la Comisión Federal de Electricidad y quien, actualmente jubilado, se mantiene activo como consultor y asesor de la CFE. La fundación está integrada, además, por 12 consejeros: Raúl Treviño Tamez, Genaro Monsiváis Ceniceros, Sergio Oyervides Martínez, Roberto A. González Treviño, José Luis Apodaca, Guadalupe Cedillo Garza, Raúl Mario Montemayor Martínez, Gerardo Cortez González y Carlos Mayer , así como varios consejeros alternos: Rubén Flores González, Enrique Torres Flores, César Cantú Villarreal, José Luis Lozano Treviño, Gerardo González Navarrete, Juan Francisco Martínez Sánchez, Hugo J. Pérez Hinojosa y Gilberto Zambrano de León. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 Sus miembros están integrados al sector industrial, poseen su propio negocio o son consultores de empresa. El presidente de la Fundación Pro-FIME, Alfonso Morcos Flores hizo ver que “los recursos públicos que la FIME recibe, más las pequeñas cuotas que pagan sus alumnos, apenas cubre el pago de maestros y el mantenimiento normal de la institución”. “La necesidad de recursos es creciente, creo que es el momento, por las grandes metas de excelencia que queremos alcanzar, que los egresados aportemos nuestro pequeño grano de arena en la medida de nuestros esfuerzos”. Atestiguaron el importante acto en el auditorio de la Biblioteca Universitaria “Raúl Rangel Frías”, el presidente de la Junta de Gobierno de la UANL, Gilberto Villarreal de la Garza, los secretarios general y académico de la máxima casa de estudios, Jesús Áncer Rodríguez y Ubaldo Ortiz Méndez, así como maestros, investigadores y alumnos de la FIME. Consejeros de la Fundación Pro-FIME durante la ceremonia de su toma de protesta. 75 �Eventos y reconocimientos RECONOCEN AL INVESTIGADOR RAFAEL COLÁS COMO FELLOW DE LA ASM La tenacidad y la pasión por la investigación científica son características que hicieron que el Doctor en Metalurgia Rafael Colás, profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, obtuviera el reconocimiento de Fellow de la Sociedad Americana de Metales (ASM) por su contribución al avance en la tecnología de fundición, forja y tratamiento térmico, a través de la combinación experimental, modelación y simulación. Este asociación profesional internacional, formada por alrededor de 40 mil especialistas, desde 1969 otorga este reconocimiento a sus miembros más destacados. Sólo cuatro personas en México han sido reconocidas por esta sociedad como Fellow. Colás fue propuesto por el doctor Jorge Totten, quien obtuvo esta misma presea anteriormente, ya que para poder ser acreedor a este nombramiento se requiere que otro miembro que haya sido reconocido con anterioridad haga la sugerencia ante el consejo, aunado a esto se debe tener el aval de otros cinco investigadores prestigiosos en el ámbito internacional para que la propuesta sea aceptada por la ASM y, posteriormente, se otorgue este galardón. Además de la calidad en la investigación de las ciencias de los metales, esta organización toma en cuenta la calidad del trabajo que sus miembros hacen a la sociedad, la trayectoria que se tenga en la formación de recursos humanos y el adiestramiento de estudiantes a nivel licenciatura o posgrado. Dr. Rafel Colás, reconocido como Fellow de la ASM. 76 FIME RECONOCE A SUS INVESTIGADORES, DOCENTES Y EXALUMNOS DESTACADOS El martes 19 de octubre de 2004, en ceremonia realizada en la Biblioteca “Raúl Rangel Frías” de la UANL, el M.E.C. Rogeli G. Garza Rivera, Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica entregó por primera ocasión los reconocimientos al Mérito a la Docencia, a la Investigación y al Desarrollo Profesional asignados por la Comisión de Honor y Justicia de la Junta Directiva de la FIME. Con el reconocimiento al Mérito a la Docencia fueron galardonados los profesores, ingenieros Jorge Urencio Ábrego, Guadalupe Cedillo, Antonio Garza, Leopoldo Villarreal y Fernando J. Elizondo Garza. El Ingeniero Leopoldo Villarreal recibiendo reconocimiento al Mérito a la Docencia. el El reconocimiento al Mérito a la Investigación lo obtuvieron los doctores Ubaldo Ortiz, Carlos Guerrero, Moisés Hinojosa, Juan Antonio Aguilar Garib, Rafael Colás y Ronald López, pertenecientes a la Academia Mexicana de Ciencias y/o al Sistema Nacional de Investigadores. Los doctores Moisés Hinojosa y Juan Antonio Aguilar Garib con el reconocimiento al Mérito a la Investigación. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Eventos y reconocimientos El Mérito al Desarrollo Profesional fue otorgado al ingeniero Alfonso Morcos Flores por su trayectoria profesional en el sector eléctrico de México y al ingeniero Dr. Raúl G. Quintero Flores en el sector siderúrgico. El ingeniero Alfonso Morcos Flores recibiendo el reconocimiento al Mérito al Desarrollo Profesional. II. MÉRITO ACADÉMICO Y MENCIONES HONORÍFICAS A ESTUDIANTES En ceremonia efectuada el 19 de octubre 2004 en la Biblioteca Universitaria “Raúl Rangel Frías” la UANL reconoció a los mejores alumnos de cada carrera correspondiente al primer periodo académico del 2004: Edgar Enrique García Masetto IMA 98.66 Juan Gerardo Villarreal Ramírez IME 97.25 Rosa Nury Maurois Hernández IAS 95.79 Efrén Iván Tinoco Vázquez IEC 94.04 El director de la FIME-UANL, M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, con los alumnos que recibieron reconocimientos al Mérito Académico. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 También se entregaron menciones honoríficas a los siguientes estudiantes sobresalientes por su desempeño académico: María del Refugio Verástegui Herrera IMA 97.47 José Ángel López Verástegui IMA 97.44 José Andrés Coronado Pérez IMA 97.32 Alicia Marisol Ramírez Castillo IME 96.33 Juan Manuel Ortiz García IMA 96.11 Armando Octavio Zamarripa Ocampo IMA 96.03 Alan Azahel Ibáñez Tobías IME 95.70 Josué Martín Almendárez Vidales IME 95.35 Mara Cynthia Guerrero González IMA 95.06 Javier Abraham Núñez Galindo IMA 94.98 Alejandro Rodríguez Arredondo IME 94.67 María Agueda García Ruiz IMA 94.37 Elvia Gimena Sánchez Garza IMA 94.17 Rosalía Hernández Carrasco IMA 94.17 Angélica Gómez Macías IMA 94.01 Ana Patricia Galindo Garza IMA 93.64 Juan Emmanuel Pruneda Velásquez IAS 93.63 Claudia Yesmín Iturralde Gaytán IAS 93.57 Juan Manuel Leal Aguirre IME 93.51 Lorena Rodríguez Rodríguez IMA 93.23 Jorge David Diliegros Godines IAS 93.21 José Eloy Becerra Cardoza IMA 93.19 Adrián de Jesús Gámez Rodríguez IMA 93.08 Delia Elizabeth Estrada López IEC 92.84 Alma Esther Rodríguez Alemán IAS 92.83 Javier Alonso Ortega Sáenz IMA 92.61 Reynaldo Ramos Vázquez IEC 92.57 Lorena Salguero Sarabia IMA 92.54 Víctor Hugo Rodríguez Reyes IAS 92.49 lleana Ivette Guel González IMA 92.47 Wendy Nereida Llanas Montoya IME 92.36 Lidia Valentina Ibarra Arias IAS 92.17 Héctor Javier Alcántar Durán IME 92.10 Alumnos de la FIME-UANL, que recibieron el Reconocimiento al Mérito Académico y Menciones Honoríficas por su desempeño escolar acompañados de autoridades universitarias. 77 �Eventos y reconocimientos Ricardo F. Camporredondo Sánchez IMA 91.91 María Ofelia Guevara Monsiváis IAS 91.35 Miroslava Guel Góngora IAS 90.34 Gerardo Aguera Bacre IME 90.28 Sergio Rivas Patiño IME 90.09 57 ANIVERSARIO DE LA FIME-UANL El pasado mes de octubre se llevaron a cabo una serie de actividades para conmemorar el quincuagésimo séptimo aniversario de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Como es tradicional las actividades se iniciaron el sábado 16 de octubre con el “Almuerzo de la Fraternidad” donde los exalumnos de la FIME convivieron, teniéndose como invitado de honor al ingeniero José Antonio González Treviño, Rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León, exdirector y exalumno de esta facultad. El M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera dando la bienvenida a los exalumnos de la FIME durante el “Almuerzo de la Fraternidad”. 78 El día martes 19 de octubre de 2004 dio inicio el Simposio sobre Educación, Ciencia y Tecnología en el auditorio de la biblioteca universitaria en donde el Rector de la UANL después de dar por inauguradas las actividades del evento ofreció la conferencia magistral “La UANL en el siglo XXI”. Estuvieron también presentes por parte de la UANL el Lic. Gilberto Rogelio Villarreal de la Garza, Presidente de la Honorable Junta de Gobierno, el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Secretario General y el Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, Secretario Académico. Ceremonia de inauguración del Simposio Educación, Ciencia y Tecnología 2004. sobre En el marco del aniversario de la FIME, su director, el Ing. Rogelio G. Garza Rivera, presentó el nuevo himno de la FIME y en acto solemne entregó reconocimientos a los maestros, investigadores y ex-alumnos que han contribuido al desarrollo de la sociedad mexicana. También se hizo un reconocimiento a la tercera generación de egresados de la FIME contándose con la presencia de tres de los ingenieros que forman esas generación: Eulalio Cerda, Carlos Villarreal y Gilberto González. En el mensaje que dio el director dijo que “La FIME está comprometida con la sociedad, consideramos que la calidad es una meta, buscamos la mejora continua, el mejoramiento de las condiciones de trabajo, así como la aplicación de criterios de equidad y pertinencia. Nuestra vinculación con los sectores sociales y productivos, permite acercar nuestra institución a la industria en un planteamiento mutuamente benéfico”. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Eventos y reconocimientos Durante la semana de aniversario se realizaron diferentes actividades académicas, culturales y deportivas en las instalaciones de la facultad, con gran participación de alumnos y maestros. OBITUARIO El pasado 28 de Noviembre de 2004, falleció en la Cd. de México a la edad de 47 años, el Dr. Manuel Méndez Nonell. Él estaba a cargo de la Dirección Adjunta de Investigación Científica del CONACYT y era el Secretario Ejecutivo del Sistema Nacional de Investigadores e Investigador Nacional nivel II. Concluyeron las actividades el domingo 24 de octubre con la carrera conmemorativa de 5.7 km en el circuito del campus universitario, una convivencia familiar en el estacionamiento principal de la FIME y un torneo de ajedrez en coordinación con la Sociedad Estatal de Ajedrez del Estado de Nuevo León. Dr. Manuel Méndez Nonell, Q.E.P.D. Salida de la tradicional carrera conmemorativa FIME 5.7K. Partida múltiple de ajedrez en las instalaciones de la FIME-UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 Fue fundador y director de la Unidad Saltillo, del CINVESTAV, del Instituto Politécnico Nacional, además Secretario Académico y Secretario de Planeación en la misma institución. Recibió una variedad de reconocimientos entre los que se distinguen la Medalla Gabino Barreda al Mérito Universitario, el Premio Nacional al Investigador del Año, entregado por el Capítulo México de la American Foundryman’s Society y la medalla al Mérito Metalúrgico concedida por la Universidad de Cracovia, Polonia. Era egresado de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México y doctorado por la Universidad de Sheffield, en Inglaterra (1985). En 1988 el Dr. Méndez Nonell participó como profesor del Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y posteriormente como Miembro del Comité de Doctorado de la FIME, hasta 1995, fecha en la que se retiró debido a su cambio de residencia a la Cd. de México para fungir como Secretario Académico del CINVESTAV. 79 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Septiembre-Noviembre 2004 Javier de León Guzmán, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Implementación de mejora en el sistema de inventarios”, 3 de septiembre de 2004. Israel Márquez Barraza, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Diseño de Productos, “Rediseño en logística de materias primas”, 3 de septiembre de 2004. César Alejandro Martínez Lugo, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Implementación de un análisis de modo y efecto de falla en una línea de manufactura para juguetes”, 10 de septiembre de 2004. Salvador Quiroz Moreno, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Aplicación de un sistema de calidad a un proceso de producción”, 17 de septiembre de 2004. Doris Karina Estrada Aguilar, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Importancia, formas y eficiencia del entrenamiento del personal de una empresa ferroviaria en el departamento de c. x cobrar de clientes extranjeros”, 28 de septiembre de 2004. Mariano Estrada García, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Evaluación económica del proyecto sustitución de equipos de perforación en la cuenca de Burgos”, 4 de octubre de 2004. 80 Hugo Enrique Rivas Lozano, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “La tutoría académica como una herramienta para mejorar la calidad en la educación superior”, 15 de octubre de 2004. Fernando Cerda Rivera, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Simulación del ciclo de recocido de rollos de lamina de acero mediante un modelo de diferencias finitas”, 21 de octubre de 2004. Guillermo Gabriel Hinojosa Vidales, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Capacitación y motivación para empleados de confianza que fueron promovidos desde el nivel de operarios”, 26 de octubre de 2004. José Arnoldo García Garza, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Diseño del Producto, “Desarrollo de métodos para la optimización de las cédulas de rolado en frío de acero en molinos foure high reversibles”, 19 de noviembre de 2004. Omar Alejandro Sánchez Martínez, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Diseño del Producto,“Desarrollo del sistema de calidad en una empresa de servicios”, 25 de noviembre de 2004. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Acuse de recibo Revista PHOTONICS Revista LETRAS LIBRES La revista mensual en inglés Photonics Spectra, ISSN: 0731-1230, editada por Laurin Publishing Co., ofrece una visión de conjunto de las diferentes áreas tecnológicas relacionadas con la luz, como son: láser, fibras ópticas, opto-electrónica, procesamiento de imágenes, materiales ópticos, etc. Con un muy pulcro y agradable diseño presenta artículos desde el nivel científico hasta el comercial, agrupados en diferentes secciones como son: negocios, tecnología, y temas de actualidad, así como un calendario de eventos, novedades bibliográficas, nuevos productos, anuncios, etc. En el número 9 del volumen 38 correspondiente a septiembre de 2004, se presentan como temas principales artículos sobre lásers para soldar plásticos, pruebas a LEDs, novedades sobre fibras ópticas, entre otros. Esta revista y más información sobre el tema puede ser consultada en la página de Internet www. photonics.com/ y si cumple con las condiciones para ser elegible, puede recibir la revista gratuitamente. (FJEG) Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 La revista Letras Libres, ISSN 140-7840, bajo la dirección de Enrique Krause, siguiendo la tradición de Vuelta, continúa siendo más que una revista de literatura, una publicación de ideas: claras, críticas, lúcidas, nuevas. Aunque podría pensarse que alejada de la ingeniería, esta publicación ofrece análisis y discusiones profundas de la realidad sociopolítica dentro de la que la ingeniería juega un papel importante. En el número 71, año VI, correspondiente al mes de noviembre de 2004, aparecen 4 excelentes artículos en relación al “progreso”, esa obsesión actual, escritos por Gabriel Zaid, John Gray, Amartya Sen y Julieta Campos. También, con motivo del 75 aniversario de la autonomía universitaria de la UNAM, se incluyen colaboraciones de Carlos Monsiváis y Juan Ramón de la Fuente. Para más información sobre esta publicación puede consultarse su página de Internet en la dirección www.letraslibres.com (FJEG) 81 �Acuse de recibo Revista INFO CERAM La revista de la Sociedad Mexicana de Cerámica Zona Norte de Agosto de 2004 contiene interesantes artículos, entre ellos, uno referente al elemento litio en cerámicos, dirigido a personas no especializadas en el aspecto científico de la conducción iónica y otro titulado “Diagnóstico de la Industria Cerámica en México” que informa que según datos del INEGI, la industria cerámica en el país equivale al 1.2% PIB, y que en México la producción está enfocada a los cerámicos tradicionales (vidrio, ladrillo, cemento), mientras que la presencia de los cerámicos avanzados es nula (desarrollo de semiconductores, baterías, chips, etc.) . Es evidente que esto representa una oportunidad para todos los que trabajan en esta área. Ojala los empresarios de la cerámica se atrevan a invertir en los cerámicos avanzados, ya que gente capacitada sí hay. Puede contactarse con la SMC Zona Norte a través de su página www.sociedadceramicanorte. com.mx o al E-mail: soceram@prodigy.net.mx Revista ORMS Today Esta publicación bimestral en inglés del Instituto para la Investigación de Operaciones y las Ciencias de la Administración (INFORMS) presenta artículos de divulgación relativos al quehacer de la toma de decisiones, análisis de las herramientas de software disponibles, casos de aplicación de las herramientas y metodologías de la Investigacion de Operaciones (IO) a problemas de la gestión empresarial, de negocios o gubernamental. Además se incluye una extensa sección de oportunidades de empleo, nueva bibliografía y calendarios de eventos y conferencias. Los colaboradores son destacados académicos, consultores o profesionales del campo. En el último número, Octubre 2004, se presenta como artículo principal una discusión de las aplicaciones la IO para ofrecer una mejor respuesta ante situaciones de emergencia tales como: desastres naturales, accidentes, ataques terroristas. Hay también un interesante artículo sobre la historia de la IO, cómo abandonó los muros de la milicia para encontrar lugar en numerosos escenarios industriales y de negocios. Mas información en http://lionhrtpub.com/orms (Francisco J. Garza Méndez) (Leticia Vargas Suárez) 82 Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 �Colaboradores Cortés Méndez,Adrián Ingeniero Mecánico Eléctrico por la Universidad Veracruzana y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Ha trabajado en diversos proyectos para PEMEX. García Flores, Rodolfo Ingeniero químico egresado de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México y doctor por la Universidad de Leeds (Reino Unido), con especialidad en Inteligencia Artificial aplicada a la toma de decisiones. Labora en el Postgrado en Ingeniería de Sistemas de FIME UANL desde febrero de 2003. Sus áreas de interés incluyen inteligencia artificial, minería de datos y optimización. Garza Méndez, Francisco Javier Se tituló en 1999 de Ingeniero Mecánico Metalúrgico en la FIME-UANL. Realizó estudios de Maestría en Cencias de la Ingeniería Química con especialidad en cerámicos en la FCQ de la UANL. Actualmente es profesor en la FIME y es candidato al doctorado en ciencias con especialidad en materiales. Garza Rodríguez, Luis Ángel Ingeniero Químico Ambiental y Maestro en Ciencias Químicas con orientación en Inorgánica por la UANL. Ha laborado en las empresas CYDSA y SINPROTEC. González González, Virgilio Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales otorgado por la FIME-UANL. Ha sido investigador Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 científico en el campo de los polímeros desde 1975, con más de 40 publicaciones técnico-científicas y de difusión. Es miembro del SNI nivel II. Es profesor de tiempo completo de la FIME desde 1998. Guerrero Mata, Martha Patricia Licenciada en Ciencias Físicas por la UANL, Maestría en Ciencias de Ingeniería Mecánica, especialidad en Materiales, por la FIME-UANL, Doctorado en Ingeniería de Materiales por la Universidad de Sheffield, Inglaterra. Desde 1997 es profesor investigador de tiempo completo en la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores, nivel I. Hinojosa Rivera, Moisés Ingeniero Mecánico Administrador (1988), Maestría (1991) y Doctorado (1996) en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL, Postdoctorado en ONERA (Chatillôn, Francia, 1997-1998), Investigador Nacional Nivel I y Miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. ProfesorInvestigador de la FIME-UANL desde 1998. Actualmente es Coordinador de la División de Ingeniería Mecánica de la FIME-UANL. Kharisov, Boris I. Estudió Radioquímica y Química Inorgánica en la Universidad Estatal de Moscú, Rusia, donde obtuvo su grado de doctor. Hasta 1989 trabajó en el Instituto de Tecnología Química en Moscú en el área de Radioquímica Aplicada. Desde 1994 labora en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Es autor de más de 25 artículos científicos publicados en revistas tanto del país como del extranjero. 83 �Colaboradores Loverde, Lorin Profesor de la University of Phoenix, director de programas de posgrado en la Spenta University, asociado en el centro de administración de conocimiento del ITESM, consultor de negocios y autor. Tiene dos títulos por la licenciatura University of Wisconsin en Madison. Maestría por la San Francisco State University. Pasante de doctorado en la Columbia University, New York. Martínez Delgado, Dora Irma Licenciatura en Ciencias Físicas en la FCFM-UANL, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales y Doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Ha trabajado para IBM de México en investigación y como profesor investigador en la Universidad de Guadalajara. Actualmente es Profesor Investigador de tiempo completo en la FIME-UANL. Mohr, Peter J. Director del Centro de Información sobre Constantes Fundamentales (Fundamental Constants Data Center) de la División de Física Atómica del Laboratorio de Física del NIST en Gaithersburg, Maryland. En la actualidad es el coordinador del grupo de trabajo sobre constantes fundamentales CODATA. Morones Ibarra, J. Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la UANL. Obtuvo su doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es maestro de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL. Ortiz Méndez, Ubaldo Egresado de la Facultad de Ciencias FísicoMatemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencias de Materiales en la Universidad Claude Bernard de Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de la FIME-UANL, miembro de la 84 Academia Mexicana de Ciencias y miembro del SNI nivel I. Actualmente es Secretario Académico de la UANL. Pinales Reyes, Miguel Ángel Es pasante de la Licenciatura en Química Industrial en la FCQ de la UANL. Trabaja como técnico microscopista y colabora en proyectos de investigación en el Doctorado en Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. Reyes Saldaña, José Fernando Ingeniero Administrador de Sistemas por la FIME de la UANL. Estudia la Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas en la división de Posgrado de la FIME-UANL. Actualmente trabaja en su tesis sobre descubrimiento de conocimiento en bases de datos bajo incertidumbre. Sayavedra Soto, Roberto Maestro en Ciencias por la Facultad de Ciencias de la UNAM. Divulgador de la Ciencia entre niños, jóvenes y profesores. Se ha dedicado durante más de treinta años a la capacitación de profesores de todos los niveles escolares en la enseñanza de la Ciencia. Ha publicado libros de divulgación de la Ciencia así como libros de texto sobre Física y Ciencia para el preescolar. Taylor, Barry N. Labora como Científico Emérito en el Centro de Información sobre Constantes Fundamentales (Fundamental Constants Data Center) de la División de Física Atómica del Laboratorio de Física del NIST en Gaithersburg, Maryland. Forma parte del grupo de trabajo sobre constantes fundamentales CODATA. Valdez Ramírez, Pablo Licenciado en Psicología, UNAM. Maestría en Metodología de la Ciencia, UANL. Profesor de Tiempo Completo en la Facultad de Psicología de la UANL desde 1978. Áreas de investigación: cronobiología, neuropsicología y la formación del científico. Ingenierías, Enero-Marzo 2005, Vol. VIII, No. 26 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2005 Volumen Volumen de la revista 8 Número Número de la revista 26 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2005, Vol 8, No 26, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2005 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020789 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores FIME Fronteras inter-cristalinas Mundo cuántico Oleoductos Reuben D. Rieke https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20748/Ingenierias_2004_Vol_7_No_25_Octubre-Diciembre.pdf 2a30d16154aa6c29de1e8d18a93dda52 PDF Text Text �25 Contenido Octubre-Diciembre de 2004, Vol.VII, No. 25 2 Directorio 3 Editorial Reglamentos de ruido vs. naturaleza humana Fernando J. Elizondo Garza 9 Implementación de un relevador digital de sobrecorriente adaptivo Arturo Conde Enríquez, Ernesto Vázquez Martínez, Paz Vicence Cantú García 17 Desarrollo sustentable: pasado, presente y futuro Mario Alberto Díaz López 24 Propiedades de escalamiento de las superficies de fractura de nylon Moisés Hinojosa Rivera, Virgilio González González, Jonathan Sánchez Cárdenas, Ubaldo Ortiz Méndez 33 Diseño a partir del precio Gabriel Zaid 35 Comparando métodos heurísticos para secuenciar tareas en líneas de flujo Mireya L. Valenzuela Luna, Roger Z. Ríos Mercado 40 Un criterio más allá de la simple aritmética en ciencia y tecnología Marco Antonio Martínez Negrete 45 Diseño de un termómetro para animales de trabajo José Rodolfo Martínez y Cárdenas, Jaime Díaz Altamirano, Fidel Diego Nava 51 Códigos para detección y corrección de errores en comunicaciones digitales Raúl Alvarado Escamilla 61 Enredándose: La Real Academia Española de la lengua on line Fernando J. Elizondo Garza, Graciela L. España Lozano, 65 Eventos y Reconocimientos 67 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 69 Acuse de Recibo 70 Colaboradores 72 Información para Colaboradores Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 � �INGENIERÍAS es una publicación arbitrada de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. La opinión expresada en los artículos firmados es responsabilidad del autor. No se responde por originales y colaboraciones no solicitadas. Se autoriza la reproducción total o parcial de los artículos siempre y cuando se solicite formalmente, se cite la fuente y no sea con fines de lucro. La correspondencia deberá dirigirse a: Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL, A.P. 076 “F”, Ciudad Universitaria, C.P. 66450, San Nicolás de los Garza, N.L., México. Tel: (52) (81) 8329-4020 Ext. 5854 Fax: (52) (81) 8332-0904 Correo Electrónico: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx hinojosa@gama.fime.uanl.mx Página en Internet: http://ingenierias.uanl.mx DIRECTOR M.C. Fernando Javier Elizondo Garza EDITOR Dr. Moisés Hinojosa Rivera COORDINACIÓN EDITORIAL Lic. Julio César Méndez Cavazos Lic. Neydi G. Alfaro Cázares CONSEJO EDITORIAL Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez Dr. Boris l. Kharisov M.C. César A. Leal Chapa M.C. Luis Manuel Martínez Villarreal Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Dr. Miguel Ángel Palomo González Dr. Ernesto Vázquez Martínez COMITÉ DE COLABORADORES Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Dr. Efraín Alcorta García Dr. Héctor Jorge Altuve Ferrer Dr. Rafael Colás Ortíz Dr. Óscar Leonel Chacón Mondragón M.C. Juan Ángel Garza Garza Dr. Virgilio A. González González Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar FORMACIÓN Santiago Fernández Recio UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector / M.C. José A. González Treviño Secretario General / Dr. Jesús Ancer Rodríguez Secretario Académico / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Extensión y Cultura / Lic. Rogelio Villarreal E. TRADUCTOR DE INGLÉS Lic. José de Jesús Luna Gutierrez INDIZACIÓN Dr. F. Eugenio López Guerrero FOTOGRAFíA M.C. Jesús E. Escamilla Isla FACULTAD DE INGENIERíA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director / M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Sub-Director Académico / M.C. Luis Manuel Martínez Villarreal Sub-Director Administrativo / M.C. Alejandro Aguilar Meraz Sub-Director de Desarrollo Estudiantil / Ing. Hugo E. Rivas Lozano Sub-Director de Estudios de Posgrado / Dr. Guadalupe A. Castillo R. Sub-Director de Vinculación / M.C. Esteban Báez Villarreal � DISEÑO M.A. José Luis Martínez Mendoza WEBMASTER Ing. Dagoberto Salas Zendejo IMPRESOR M.C. Mario A. Martínez Romo Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Editorial: Reglamentos de ruido vs. naturaleza humana Fernando J. Elizondo Garza Laboratorio de Acústica, FIME-UANL fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx La naturaleza humana es extraordinariamente complicada. Cubre un amplio rango de deseos y comportamientos, que están delimitados subjetivamente desde lo bueno hasta lo malo, de lo constructivo a lo destructivo, de lo sano a lo patológico. Este rango implica comportamientos contradictorios u opuestos. A más de 30 años de haberse reconocido el ruido como un contaminante del medio ambiente (México 1971)1 y de haberse publicado los primeros reglamentos para su control (USA 1972, México 1976)2,3, los problemas de ruido siguen siendo en muchas grandes ciudades alrededor del mundo una de las causas principales, si no la más frecuente, de quejas de los ciudadanos ante la autoridad. Las leyes y reglamentos actualmente buscan proteger a las personas de los efectos del ruido. Es común, cuando las comunidades protestan contra el ruido ante las autoridades, que éstas reaccionen, casi como reflejo condicionado, prohibiéndolo, sin mayor análisis, lo cual en algunos casos soluciona parcialmente el problema. Por otro lado, hay poca información científica sobre las personas que intencional y frecuentemente producen ruido, el cual parecen disfrutar. A raíz de las discusiones actuales sobre considerar la energía y la información4 como fuentes de adicción, en donde cabría el caso del ruido,5 se ha hecho necesario revisar el uso intencional del ruido en los humanos y tratar de entender las funciones que cumple y justifican su uso,6 al menos en forma individual. Lo anterior implica que la revisión de los reglamentos sobre el ruido, en una perspectiva más amplia, resulta también necesaria. Actualmente los reglamentos de ruido se fundamentan generalmente en la información de los efectos negativos del ruido, a veces sólo considerando textos de divulgación de los ecologistas, salvo honrosas excepciones, personas activas, bien intencionadas y profundamente ignorantes. Los resultados saltan al oído: muchas personas no respeta los reglamentos de ruido, y cada vez pueden conseguirse mejores equipos para producirlo. RUIDOS QUE LA GENTE BUSCA ESCUCHAR Para resolver un problema hay que conocer las causas. En este sentido es pobre la información y difícil su estudio. Debemos empezar por reconocer que es frecuente encontrar personas que se exponen intencional y a veces rutinariamente a ruidos que para otros, o que de acuerdo a normas, son altos y no adecuados.6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 3 �Editorial / Fernando J. Elizondo Garza Como ejemplos podemos citar: personas con estéreos portátiles/ Personas en discotecas/ Restaurantes reverberantes / Niños explotando cohetes de pólvora o con juguetes ruidosos/ Sonidos de aparatos o equipos en casas/ Sonidos en autos/ Uso de música, radio o televisión para estudiar o trabajar/ Síndrome del tamborilero/ Sexo escandaloso. Estos ejemplos vienen a indicarnos que hay situaciones en las que las personas prefieren el ruido al silencio, y no son pocas. Podría decirse que se prefiere el sonido al silencio, en cuyo caso no habría ningún problema, pero en realidad todos conocemos de personas que no se conforman con sonido normales, sino que de acuerdo a las diferentes definiciones gustan o acostumbran exponerse, o producir, ruido. Por otro lado también debemos reconocer que otras personas prefieren el silencio. Lo anterior implica que, al igual que muchos comportamientos humanos, no hay un simple patrón general, sino que se presenta una dualidad aparente que enmarca los límites de un rango de comportamientos que va desde la necesidad de silencio hasta la de ruido, y que en realidad muy pocos tienen comportamientos extremos. En otro sentido también hay que reconocer que las personas hacen uso del ruido, o lo buscan, sólo en ciertos momentos u horarios o en ciertos lugares. Esto implica que el uso del ruido, al no usarse constantemente y en todos los lugares, está relacionado al cumplimiento de una función para la persona. LAS FUNCIONES DEL RUIDO Las funciones del ruido, aunque reconocidas, están poco estudiadas en virtud de que los mecanismos de las mismas, los cuales en muchos casos son grandes incógnitas, son fenómenos complejos. 6 Algunas de las funciones del uso /producción de ruido por las personas son: Como mecanismo de bloqueo del sistema de alarma acústico El cuerpo humano posee una alarma sonora que hace que ante una variación del nivel sonoro se llame la atención del cerebro o incluso que se adrenaline el cuerpo por efecto de la sorpresa o susto. Este mecanismo funciona en forma diferencial o relativa, esto es, que lo que determina la alarma es el incremento de un sonido con respecto al nivel de ruido de fondo, siendo el efecto mayor si el sonido es impulsivo. La anulación del sistema de alarma mediante el uso de ruido tiene dos usos principales: no despertarse alarmado, para lo cual dejar encendido un radio, la televisión o un ventilador ruidoso, permite mantener un nivel de fondo alto con respecto al exterior y obtener así un nivel sonoro con poca variación de amplitud; y no distraerse de una actividad, creando un ruido de fondo alto, producido por ejemplo por música, se evita perder la concentración, al poderse bloquear las distracciones producidas, por conversaciones, caminar de personas, etc. Como barrera acústica Cuando en un mismo espacio deben estar varias personas en actividades o conversaciones diferentes y no deben interferirse, una alternativa que no implica 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Editorial / Fernando J. Elizondo Garza la separación acústica es el enmascaramiento, o sea introducir un sonido con suficiente volumen para que los mensajes de cada subgrupo no puedan ser interpretados, obteniéndose por lo tanto privacidad acústica. El uso del ruido puede producir efectos similares, de hecho en algunos restaurantes se establece una acústica exageradamente reverberante que propicia que los sonidos de las diferentes personas se entremezclen, aunadas a pasos, ruidos de servicio, aire acondicionado, etc., produciendo un ruido de fondo que permite hablar con razonable privacidad. Como mecanismo para llamar la atención El producir ruido es usado por muchas personas como un medio para atraer la atención. Esta actitud toma diferentes vertientes, en algunas es solamente usada para mostrar presencia y en otras llega a demostrar predominio (hago ruido porque puedo, como acto de prepotencia). Como mecanismo de agresión El ruido al poder producir un estado de estrés, molestia, susto e incluso daño a la audición, puede ser utilizado, igual que cualquier instrumento físico, energético o conceptual, para agredir. La violencia es intrínseca a la humanidad y el sonido, como una energía que se puede controlar y dirigir, puede ser un arma. Como mecanismo excitador del sistema nervioso El sonido, y sobre todo el de alto nivel sonoro, puede mantener excitado el sistema nervioso produciendo un estado de exaltación. Esto puede ayudar a alegrar y desinhibir a algunas personas, y por lo tanto una fiesta sin música o risas a alto nivel sonoro nunca será igual que una silenciosa. Como mecanismo de saturación informático Hay personas que requieren mantener ocupado su cerebro, no soportan estar sin hacer nada, son reconocibles por estudiar para un examen con audífonos de estéreo y con la televisión prendida. En este caso los sonidos que se buscan tienen mensajes. Es importante tener claro que en realidad la concentración sólo se puede mantener por pequeños períodos de tiempo, así que el tener varias fuentes de información permite, al ir recorriéndolas, poder trabajar en algo en particular por largo tiempo. Como mecanismo de compañía virtual Muy similar al caso anterior es el de las personas que utilizan el sonido para controlar el vacío, la desesperación o el miedo producido por la soledad. Es común que las personas solas pongan música a mucho volumen o tiendan a utilizar aparatos ruidosos. En otros casos la compañía virtual se utiliza para no evidenciar que se está solo, para evitar robos, de hecho hay quien compra generadores de ladridos. Como mecanismo de desfogue de tensiones y emociones Si se analiza el grito, uno puede fácilmente percatarse de su importancia como mecanismo de exteriorización de emociones. El producir sonidos fuertes corporalmente, gritar, aplaudir, patalear, etc. son mecanismos naturales que gracias a la educación se logran reprimir o redireccionar, pero que pueden explotar en cualquier momento. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 5 �Editorial / Fernando J. Elizondo Garza Como mecanismo de aislamiento/evasión ¿Cuántos jóvenes usan los estéreos personales como mecanismo de evasión, quizás protección? El poder aislarse del entorno, el ensimismarse, parece ser algo necesario en las grandes ciudades. El trabajo para relacionar, aclarar o probar estas hipótesis se vislumbra arduo, y largo en algunos de los casos. El establecer los mecanismos biológicos atrás de los psicológicos, más difícil aún. Además, varias de las funciones parecen ser parte de estructuras rituales que implican la presencia no sólo del ruido como estímulo al organismo, sino la interacción de varios factores. ALGUNOS CONCEPTOS SOBRE REGLAMENTACIÓN Las leyes y reglamentos se van creando por la necesidad que presenta una sociedad de regular el comportamiento, en primera instancia con el fin de evitar los comportamientos “negativos” al buscar mantener bajo control el designio animal del “dominio del más fuerte”, “los impulsos destructivos” y por ende buscan ser las bases de la civilización.7,8 Lo anterior implica que toda ley va en cierto sentido contra la naturaleza humana, al buscar evitar el ejercicio de parte de ella. En otro sentido al acotar las libertades (tu libertad termina donde inicia la de los otros) restringe los deseos de acción. Las leyes buscan el bienestar de la mayoría de los miembros de una sociedad, por lo que de cierta manera tienen un sentido estadístico, sobre todo en las sociedades democráticas. Pero el ejercicio de la ley resulta en la práctica limitado. Una cosa es hacer leyes y otra hacer que se cumplan. Entre las causas de dichas ineficiencias en la aplicación de las leyes, podemos mencionar: • La falta de información del gobierno hacia la sociedad. Sobre aspectos legales y reglamentarios. • La falta de interés del individuo por conocer las legislaciones que lo regulan. • El uso de las leyes como herramienta para delinquir, como en el caso del amparo en México. • La extorsión a las autoridades. • Leyes inaplicables debido a sus deficiencias y contradicciones. • Legisladores que no saben de Derecho. Es importante hacer notar que en algunas sociedades el número de leyes, reglamentos y normas que recaen directamente sobre los ciudadanos comunes ha crecido tanto que: • Las personas sienten limitada su libertad. • Es imposible conocerlas en su totalidad y estar al día. REGLAMENTOS DE RUIDO vs. NATURALEZA HUMANA9 ¿Y los derechos de los amantes del ruido? Es curioso, pero no se consideran explícitamente los derechos de los que gustan del ruido. Como si ignorándolos fueran a desaparecer. 6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Editorial / Fernando J. Elizondo Garza ¿Qué hacer para satisfacer los intereses de este grupo minoritario? Si las personas quieren o necesitan ruido, hay que enseñarles como manejar el ruido sin dañarse a sí mismos o molestar a otros. Hay que generar opciones: lugares apropiados, niveles apropiados, momentos apropiados. Producir leyes que no se obedecerán no es una solución. Por ejemplo ¿prohibir a un adolescente comprar un auto estéreo? No le vendamos un aparato que luego le prohibiremos que use, por ejemplo un autoestéreo de “1000 Watts”, por supuesto con bocinas de graves “subwoffers” suficientes para sonorizar un cine. Un aspecto importante que llama la atención es el hecho de que autoridades ignorantes, ante un problema prefieren coartar la libertad prohibiendo, en vez de resolverlo. No vendamos un aparato que dañe o que afecte al usuario y a otras personas y que luego trataremos de prohibir. Por ejemplo ¿pedir a los padres no comprar juguetes ruidosos? Mejor no venderlos. ¿Quizás los valores se han perdido? ¿El beneficio económico se ha puesto sobre el bienestar social? Hay quien sostiene que algunos problemas de ruido son inducidos comercialmente y que se trata de un problema similar al relacionado con las industrias del alcohol y de las armas. Volviendo al punto, los reglamentos y normas deben procurar en primera instancia el control de las fuentes de ruido antes de caer en el ridículo de prohibir el uso de un objeto legalmente en el mercado. Que por otro lado representa prácticamente un mecanismo de inducción a la delincuencia y que termina demeritando los sistemas judiciales. En cuanto a los comportamientos compulsivos, por desgracia no desentrañados por la ciencia, como las adicciones, no se vislumbra actualmente la posibilidad de evitar que se violen las leyes, por ejemplo en las adicciones a drogas, sexo, y lo que nos atañe, el ruido. Las personas siguen infringiendo la ley, aun conscientes de las consecuencias. No se vislumbra el fin del narcotráfico ni el de los problemas sociales por productores compulsivos de ruido mientras no se entienda el mecanismo psicológico y fisiológico y se sepa cómo evitar las adicciones. COMENTARIOS FINALES Así pues, producir ruido no es necesariamente un acto necio, sino que implica el cumplimiento de una función. Siempre va a haber personas ruidosas y lo más que se puede pretender lograr es que no molesten o dañen a otras personas, o a sí mismos. El educar a la sociedad en el uso del sonido (ruido) para que no afecte a otras personas o se afecten a sí mismos, es una tarea de gran importancia social. Si bien no se puede explicar o justificar cabalmente la existencia de la adicción al ruido, sí se puede observar un paralelismo con respecto a otras adicciones, que al menos posibilita su existencia y el que personas abusen del ruido cotidianamente refuerza la hipótesis de su existencia. La importancia del ruido en los aspectos rituales es un tema que amerita atención científica. Los ritos hacen más llevadera la existencia humana, por ello es de gran importancia enseñar a las personas a diseñar ritos para evitar los efectos negativos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 7 �Editorial / Fernando J. Elizondo Garza Las leyes y reglamentos deben hacer la vida más llevadera y no convertirse en un carga intelectual y social más sobre los ciudadanos. Los reglamentos deben dirigirse hasta donde sea posible al diseño/rediseño acústico de las fuentes de ruido y/o a su restricción espacial, temporal y/o comercial, más que a prohibiciones o sanciones directas sobre los ciudadanos. REFERENCIAS 1. Ley federal para prevenir y controlar la contaminación ambiental. Diario Oficial de la Federación. México. 11 de mayo de 1971. 2. Noise Control Act (NCA), Environmental Protection Agency. USA, 1972. 3. Reglamento para la prevención y el control de la contaminación ambiental originada por la emisión de ruido. Diario Oficial de la Federación. México. 2 de enero de 1976. 4. Robert Kubey & Mihaly Csikszentmihalyi. Television addiction is not mere metaphor. Scientific American, Febrero 2002, USA. 5. Fernando J. Elizondo. Noise addiction. First Pan-America/Iberian Meeting on Acoustics, organizado por la Acoustical Society of America, la Federación Iberoamericana de Acústica y el Instituto Mexicano de Acústica. Cancún, México, 02-06 Diciembre 2002. 6. Fernando J. Elizondo. Ese ruido tan necesario. Memoria del 10º Congreso Internacional Mexicano de Acústica, Puebla, Puebla, México, 26-28 de noviembre de 2003 7. Eduardo García Máynez, Introducción al estudio del derecho, 50a. Edición, Editorial Porrúa, México 1999. 8. Eduardo García Máynez, Filosofía del derecho, 13ª. Edición, Editorial Porrúa, México 1999. 9. Fernando J. Elizondo, Regulations against the human nature, 147th meeting - 75 aniversary - of the Acoustical Society of America. New York, N.Y., USA. May 2004 8 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Implantación de un relevador digital de sobrecorriente adaptativo Arturo Conde Enriquez, Ernesto Vázquez Martínez, Paz Vicente Cantú García Programa Doctoral en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL. con_de@yahoo.com, evazquez@gama.fime.uanl.mx RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados de la creación de un relevador virtual en Labview®. Se tomó como ejemplo un relevador digital de sobrecorriente adaptativo. Se resumen primero las ideas básicas del relevador adaptativo, se describen a continuación la estructura general del relevador virtual y su programación en Labview®, y finalmente se presentan y discuten los resultados de algunas de las pruebas realizadas hasta el momento. PALABRAS CLAVE Protección de sistemas eléctricos de potencia, protección de sobrecorriente, protección adaptativa. ABSTRACT This paper presents a virtual protective relay implemented in Labview®. The basic design concepts were taken from an overcurrent adaptive relay. Initially, the paper describes the theory to develop an adaptive relay, and then, the general structure of the virtual relay is described, including its implementation in Labview®. Finally, the paper presents some results using real time signals. KEYWOWDS Power system protection, overcurrent protection, adaptive protection. INTRODUCCIÓN El proceso de diseño de un equipo o sistema digital destinado a operar en tiempo real consta de dos etapas básicas. Una primera etapa incluye la investigación y desarrollo de los algoritmos y su evaluación por simulación digital. La segunda etapa consiste en el desarrollo de un prototipo del equipo o sistema y su prueba en condiciones de laboratorio y, posteriormente, en condiciones reales de operación. La única infraestructura requerida para la primera etapa es el equipo de cómputo, dotado del software apropiado para la aplicación. En la segunda etapa se requiere contar con un laboratorio que permita simular físicamente el sistema real al que está destinado el equipo, y tener facilidades para el diseño y construcción del prototipo. El simulador físico puede sustituirse, o complementarse, por un simulador digital en algunas aplicaciones, pero la construcción del prototipo es inevitable. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 9 �Implantación de un revelador digital ... / Arturo Conde Enríquez, et al Cuando el equipo a diseñar es un relevador digital de protección de sistemas eléctricos de potencia, la construcción del prototipo es una labor muy especializada, que no siempre está al alcance de las instituciones de investigación. Es recomendable, por tanto, buscar vías para hacer pruebas de laboratorio al relevador en proceso de desarrollo, sin que se cuente inicialmente con su prototipo. Una alternativa en esta dirección es crear una versión virtual del relevador en una computadora personal equipada con una tarjeta de adquisición de datos. Los algoritmos del relevador son programados en la computadora, lo que da gran facilidad para realizar y probar las modificaciones que resulten del propio proceso de pruebas de laboratorio. Existen programas de computadora diseñados para este tipo de aplicaciones. Uno de esos programas es Labview®,1 que permite crear los denominados instrumentos virtuales. Es conveniente explorar las posibilidades de Labview® para crear un relevador virtual, pues ello permitiría aprovechar las funciones y facilidades propias del programa para acelerar el proceso de implementación y pruebas del “prototipo” virtual del relevador, antes de pasar a la fase de construcción del prototipo físico. Otra posible aplicación es en la enseñanza. En este trabajo se presentan los primeros resultados de la creación de un relevador virtual en Labview®. Se tomó como ejemplo un relevador digital de sobrecorriente adaptativo, cuyo principio de operación se describe en.2,3,4 Se resumen primero las ideas básicas del relevador adaptativo, se describen a continuación la estructura general del relevador virtual y su programación en Labview®, y finalmente se presentan y discuten los resultados de algunas de las pruebas realizadas hasta el momento. RELEVADOR ADAPTATIVO DE SOBRECORRIENTE DE TIEMPO INVERSO En la figura 1 se presenta el diagrama funcional de un relevador digital de sobrecorriente de tiempo inverso, en el que por simplicidad no se muestra el procesamiento analógico y la conversión análogo-digital de la señal de corriente. El filtro recibe como entrada las muestras de la corriente, y entrega a su salida, digitalizadas para cada instante de muestreo, el módulo del fasor que representa la componente fundamental de . 10 Fig. 1. Diagrama funcional simplificado de un relevador digital de sobrecorriente de tiempo inverso. El generador de funciones recibe como entradas la corriente y el dato de corriente de arranque Ia, y forma la señal de salida H(Ik ), donde Ik =(Ir )k/Ia es la magnitud del fasor de componente fundamental de la corriente de entrada al relevador, normalizada con respecto a la corriente de arranque. El integrador es el elemento que introduce la variable tiempo en el proceso; su señal de salida es: k k Gk = ∑ H (I k )∆t = ∆t ∑ H (I k ) (1) donde Gk representa el valor acumulado del integrador en el instante de procesar la muestra k, y ∆t es el período de muestreo. En el comparador, figura 1, se compara la magnitud Gk con un valor umbral K. La condición de operación del relevador es: k =1 k =1 k op Gk = ∆t ∑ H (I k ) = K (2) El relevador opera en el instante en que k alcanza un valor igual a kop y se cumple (2). El tiempo de operación T está dado por: k =1 T = k op ∆t (3) Despejando ∆t en (2) y sustituyendo en (3), se obtiene la ecuación de la característica tiempocorriente T=F(Ik) del relevador: T = F (I k ) = k op K k op ∑ H (I k ) (4) k =1 Si para fines de análisis se considera constante la corriente durante la falla (Ik=I), (4) toma la forma: T = F (I )= K H (I ) (5) Para mejorar la sensibilidad del relevador de sobrecorriente, se ha propuesto2,3,4 introducir una ley Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Implantación de un revelador digital ... / Arturo Conde Enríquez, et al adaptiva en la corriente de arranque Ia, haciendo que ésta varíe en función de la corriente de carga Ic con un factor de seguridad ka(1.2 a 2.0): I a = ka I c (6) 2,3,4 Es necesario fijar límites a Ia para hacer posible la coordinación del relevador adaptativo con los convencionales: (7) I a mín ≤ I a ≤ I a máx Para mejorar la velocidad de operación del relevador adaptativo, se ha propuesto también hacer adaptable su curva de tiempo.5 Si se utiliza en (6) el valor instantáneo de Ic, se requiere una lógica de control de Ia basada en la detección del instante de inicio de la falla, es decir, se necesita un algoritmo de detección de fallas, que puede basarse en la identificación del cambio abrupto en la señal de corriente. En este trabajo se utiliza un detector transitorio,2,6 el cual basa la detección de la falla en el cálculo de un estimado mínimo-cuadrático de la señal y su comparación con las señales de entrada al relevador. La lógica de control de la corriente de arranque del relevador adaptativo de sobrecorriente se resume en el diagrama de bloques de la figura 2. Esta lógica debe considerar los siguientes estados de operación: a) estado estable, en el que se tiene un régimen normal de operación del sistema de potencia; b) estados transitorios provocados por la ocurrencia de Fig. 2. Diagrama de bloques de la lógica de control de Ia. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 fallas; c) condiciones en que la línea protegida está desconectada. La lógica del relevador adaptativo en un estado normal de operación debe: a) permitir que la corriente de arranque varíe con el régimen de operación (ecuación(6)); b) supervisar continuamente que la corriente de arranque del relevador no viole los límites establecidos (ecuación (7)). Los estados transitorios asociados a fallas o a operaciones de cierre y apertura de la línea son detectados por el monitor de transitorios. Esto sirve de base para las siguientes funciones: a) fijar la corriente de arranque Ia en su valor vigente en el momento de ocurrir la falla, para permitir que la corriente debida a la falla sobrepase; b) retornar al régimen de variación de la corriente de arranque si la falla es eliminada por otra protección o si se autoextingue; c) fijar la corriente de arranque en su valor máximo en caso de que la falla sea eliminada por el disparo del propio relevador adaptativo (apertura de la línea protegida). En general, cuando la línea protegida esté fuera de servicio, la corriente de arranque debe ser fijada al valor máximo, para desde ahí comenzar el régimen de flotación sobre la corriente de carga, una vez que se restablece el servicio. Esto da al relevador una cierta inmunidad a los valores elevados que puede tener la corriente de carga durante el estado transitorio asociado al restablecimiento del servicio eléctrico después de una interrupción prolongada del mismo. Si se utiliza un valor de Ic calculado como demanda de corriente, se elimina la necesidad del detector de falla, y la lógica de control se simplifica.7 ESTRUCTURA DEL RELEVADOR VIRTUAL A. Estructura general La estructura general de un relevador virtual (ver figura 3) consta de un módulo de conexión que concentra las señales de entrada y salida, una tarjeta de adquisición de datos, y una computadora personal, donde residen los programas de operación del relevador virtual. El relevador virtual de la figura 3 aparece conectado a un modelo físico del sistema eléctrico de potencia; recibe la información proveniente de los transformadores de corriente, y actúa para provocar 11 �Implantación de un revelador digital ... / Arturo Conde Enríquez, et al Fig. 3. Estructura general de un relevador virtual. el disparo de un interruptor del sistema. En la figura 4 se muestra, a modo de ejemplo, la conexión del relevador virtual a un sistema de potencia radial. Fig. 4. Ejemplo de conexión del relevador virtual a un sistema radial. B. Módulo de conexión El relevador virtual (ver figura 3) cuenta con un módulo de conexión National Instruments® modelo TBX-68, con 68 terminales de tornillo para la conexión de señales de entrada/salida. Incluye un conector SCSI macho para la conexión directa con cables SH6868, R6868, SH1006868, PSHR68-68 y PR68-68F. C. Tarjeta de adquisición La adquisición de datos (ver figura 3) se realiza mediante una tarjeta National Instruments® modelo PCI-MIO-16E-1. Las características de la tarjeta son: 16 entradas analógicas sin referencia u 8 entradas diferenciales, resolución de 12 bits, frecuencia máxima de muestreo de 1.25 MHz, intervalo de ±10 V para entradas bipolares, y ancho de banda de 1.6 MHz. Cuenta con 2 canales de salida analógicos con voltaje de ±10V, y con 8 entradas/salidas digitales; la resolución del temporizador es de 24 bits. 12 PROGRAMACIÓN DEL RELEVADOR A. Características de Labview® Labview ® es un programa de desarrollo de aplicaciones, que utiliza un lenguaje de programación gráfico para crear programas en forma de diagramas de bloques. Los programas de Labview ® son llamados VI (Instrumentos Virtuales), porque por su apariencia y operación pueden imitar instrumentos reales. Labview® incluye librerías de funciones de adquisición de datos, análisis de señales digitales, filtros, aproximación de curvas, probabilidad y estadística, álgebra lineal, operación con arreglos, métodos numéricos y funciones de comunicación. Estas cualidades resultan muy atractivas desde el punto de vista del análisis, diseño y prueba de algoritmos en tiempo real. Las características mencionadas anteriormente hacen recomendable realizar la implementación del relevador adaptativo de sobrecorriente en este ambiente computacional. La ventaja principal de la utilización de este programa es la posibilidad de manejar señales de entrada en tiempo real, de efectuar acciones de control, y de hacer uso de las librerías y las herramientas gráficas disponibles. B. Diagrama de bloques del programa El diagrama de bloques del programa del relevador virtual se muestra en la figura 5. Consta de subrutinas de adquisición o generación de señales de entrada, de acondicionamiento y filtrado de señales, de protección, y de salida. Fig. 5. Diagrama de bloques del programa. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Implantación de un revelador digital ... / Arturo Conde Enríquez, et al La primera subrutina permite hacer la adquisición de señales de tiempo real a partir de la tarjeta de adquisición de datos, o de señales grabadas en un archivo. Esta segunda alternativa permite utilizar archivos generados por un programa de simulación o archivos de fallas reales como entradas al relevador virtual. Una tercera opción que da esta subrutina es generar internamente las señales de entrada, utilizando las facilidades de generación de señales residentes en Labview®. En la segunda subrutina del programa (figura 5) se realiza un filtrado pasabajos, se forma una ventana rectangular de datos de un ciclo de longitud (16 muestras) y se realiza el cálculo del valor eficaz de la señal de corriente. Próximamente se incluirá un algoritmo de filtrado digital para la estimación del fasor de componente fundamental de la corriente. En la subrutina de protección (figura 5) se incluye el cálculo de Ia según (6) y (7), la detección de fallas, y la lógica de control de Ia (figura 2), así como la ecuación (2) de operación del relevador. Aún no se ha introducido en esta subrutina el control adaptativo del tiempo de operación del relevador. Finalmente, la subrutina de salida (figura 5) tiene por objetivo fundamental enviar la señal de disparo al interruptor a través del módulo de conexión, e incluye además una salida gráfica. En ella se aprovechan las herramientas gráficas disponibles en Labview® para presentar gráficas de las señales de entrada (en los dominios del tiempo y la frecuencia), de los fasores calculados, y de ciertos indicadores de operación. C. Panel frontal del relevador virtual En la figura 6 se muestra el panel frontal del relevador virtual; se compone de los siguientes subpaneles: adquisición de datos, corriente de arranque, característica tiempo-corriente, lógica de operación, señalización de operación, filtrado pasabajos y presentación de gráficas. En el subpanel de adquisición de datos se realiza el control y supervisión de los parámetros de adquisición. Se definen los siguientes parámetros: canal y dispositivo utilizado, ya que es factible tener diferentes puntos de medición del módulo de pruebas; razón de muestreo (scan rate), que se refiere a la cantidad de muestras adquiridas en el total de canales utilizados; intervalo admisible de la señal Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 Fig. 6. Panel frontal del relevador virtual. medida, que depende de los transductores utilizados; número de muestras por ciclo del canal activo. El subpanel de corriente de arranque despliega valores de la corriente de arranque actual del relevador virtual (Ia), el valor eficaz de la corriente de entrada (Irms), el valor de la corriente de arranque en estado de falla (Ia falla), el tiempo de duración de la falla (Tiempo de falla), y el estado lógico del algoritmo (Estado), definido en la Sección II (figura 2). El subpanel de característica tiempo-corriente tiene un selector de expresión analítica de la característica T=F(I) a aplicarse al relevador. Se dispone de controles para programar los coeficientes de las expresiones definidas por el IEEE8 y la Comisión Electrotécnica Internacional,9 respectivamente: T= T= A I −1 A n +B (8) (9) Los controles de la lógica de operación se encuentran ubicados en el subpanel de lógica de operación; Detección de falla es el ajuste del valor de tolerancia del detector; el programa propone un valor, que es posible modificar. Los controles de Iamáx y Iamín sirven para fijar los valores máximo y mínimo de Ia que puede tener el relevador adaptativo; el valor máximo es el mismo que el calculado para relevadores convencionales de sobrecorriente de tiempo inverso.3 El switch Record activa un modo de registro de las señales de entrada y salida. Los archivos son generados en formato de EXCEL®. I n −1 13 �Implantación de un revelador digital ... / Arturo Conde Enríquez, et al El subpanel de señalización de operación dispone de una señalización visual y textual del instante de disparo del relevador. Se introdujo un filtro pasabajos Butterworth, el cual dispone de un control para modificar el valor de frecuencia de corte. Se encuentra ubicado en el subpanel de filtrado pasabajos. El subpanel de presentación de gráficas está compuesto por cuatro botones, los cuales activan las gráficas correspondientes; todos los valores son graficados en función del tiempo. D. Adquisición y generación de las señales de entrada La adquisición y generación de señales de entrada es un elemento importante del relevador virtual. Debe tener flexibilidad para representar distintos escenarios operativos e inyectar las señales representativas de cada estado al relevador. Esta subrutina tiene tres variantes: a) Adquisición de datos en tiempo real del sistema de potencia; esta alternativa constituye la operación real del relevador, incluyendo la emisión de señales de disparo al interruptor; b) Adquisición por medio de lectura de señales de archivos; esta opción permite extraer datos de archivos externos en formato ASCII generados en programas de simulación (como el EMTP), o de archivos de datos que contienen registros de fallas reales; c) Generación de señales internas; esta variante ofrece gran versatilidad para la simulación de diferentes estados operativos y da la posibilidad de contaminar la señal con ruido o con una componente de corriente directa. El subpanel correspondiente a la adquisición de las señales en tiempo real es el que aparece insertado en el panel frontal de la figura 6. Cuando se utiliza alguna de las otras dos opciones, este subpanel es substituido por los que se describen a continuación. En la figura 7 se muestra el subpanel de control de la adquisición por medio de lectura de datos de archivos. El control de Start of read indica el número de muestra en que se desea iniciar la lectura del archivo; si el archivo ocupa más de 1Kbyte, el programa ordena el archivo en forma matricial, con vectores renglones de la magnitud descrita anteriormente; la indicación de –1 en Number of rows indica que el tamaño del archivo no sobrepasa dicho valor. File path permite programar la ruta 14 Fig. 7. Subpanel de control para lectura de datos de un archivo. de búsqueda del archivo de muestras y el control Transpose es utilizado para colocar el vector de datos en la forma adecuada para la lectura. La función de generación interna de señales es importante para probar algoritmos cuando no se dispone de señales físicas o de archivos de señales. En la figura 8 se muestra el subpanel de control de generación interna de señales, que permite configurar las señales correspondientes a los estados de carga y de falla, y aplicar y eliminar la falla mediante un switch durante la propia simulación. Fig. 8. Subpanel de control para generación interna de señales. El subpanel permite programar la frecuencia de muestreo en muestras por ciclo o en Hz. Para ambas señales se puede programar la amplitud (AMP) y la frecuencia (FHz) de la componente fundamental. Además, es posible añadir ruido blanco de una determinada amplitud (Noise), o una componente de corriente directa (CD) a la señal. Es posible mover, por ejemplo, el ajuste de amplitud de la corriente de carga durante la simulación, para representar estados de carga variables con el tiempo. PRUEBAS Y RESULTADOS El relevador virtual ha sido probado hasta el momento en lo referente a la lógica de control Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Implantación de un revelador digital ... / Arturo Conde Enríquez, et al adaptativo de la corriente de arranque (figura 2). Se han evaluado exhaustivamente en estas pruebas las tres alternativas disponibles para la adquisición y generación de señales de entrada. A continuación se presentan los resultados de algunas de las pruebas realizadas. En la figura 9 se presentan los resultados de una prueba con el relevador operando en la modalidad de adquisición de señales en tiempo real. La señal de entrada fue en realidad generada con una fuente de voltaje variable controlada manualmente, y se aplicó el factor de escala necesario para obtener el equivalente a una corriente en A. En esta prueba se evalúa todo el proceso de adquisición y conversión análogo-digital de la señal de entrada al relevador, además de la lógica de control de Ia. El resultado se presenta como una gráfica en que aparecen las corrientes de carga (Ic) y de cortocircuito (Icc) en función del tiempo, así como los valores de corriente de arranque (Ia) calculados por la lógica adaptativa. En la figura 9 puede observarse que inicialmente la línea está abierta (Ic=0), y la corriente de arranque Ia está fija en su valor máximo (Ia=Ia máx), que en este caso es 12.5 A. Al cerrarse el interruptor, el valor de Ic, varía y se inicia la flotación de Ia sobre Ic. Después del cuarto segundo de la prueba ocurre un cortocircuito, que es eliminado por el disparo de la propia línea en aproximadamente dos segundos (la corriente aumenta durante la falla y cae a cero posteriormente). Ese cortocircuito es correctamente detectado por el detector de falla, que congela el valor de Ia; posteriormente, el detector identifica el fin del cortocircuito y la ausencia de corriente en la línea, y fija a Ia en su valor máximo de 12.5 A. Fig. 9. Prueba con adquisición de la señal en tiempo real. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 En la figura 10 se muestra un resultado correspondiente a la adquisición de datos de un archivo. El archivo fue generado mediante una simulación utilizando el Programa de Transitorios Electromagnéticos (EMTP). Nuevamente la línea está inicialmente desenergizada, y el relevador tiene fijado el valor máximo de Ia (5 A en este caso). Al energizar la línea comienza el régimen de flotación de Ia sobre Ic. Cuando ocurre la falla el valor de Ia se mantiene fijo, y posteriormente toma el valor máximo (5 A) cuando la falla desaparece. Finalmente, la línea es de nuevo cerrada con éxito y la corriente de arranque Ia comienza a flotar de nuevo sobre Ic. Fig. 10. Prueba con adquisición de datos de un archivo de muestras generado en EMTP. En la figura 11 se muestra un resultado correspondiente a la alternativa de generación interna de la señal de entrada. El régimen de carga variable fue simulado haciendo variar manualmente el valor de Ic durante la prueba, directamente sobre el panel del relevador virtual, utilizando el ratón. Se simuló un caso semejante al de la figura 10, pero con un valor máximo de Ia de 12.5 A. Fig. 11. Prueba para un caso de generación interna de la señal. 15 �Implantación de un revelador digital ... / Arturo Conde Enríquez, et al 5. En el futuro se implementará la lógica de control adaptativo del tiempo de operación del relevador, y se harán las pruebas correspondientes, incluyendo las de coordinación del relevador adaptativo con uno convencional. En la siguiente fase de pruebas se evaluarán las características tiempo-corriente del relevador virtual. Posteriormente se programará y evaluará el control adaptativo del tiempo de operación del relevador. En una fase final de pruebas se pretende evaluar la coordinación del relevador adaptativo con relevadores convencionales, utilizando un modelo físico de sistema eléctrico de potencia. CONCLUSIONES 1. La creación de versiones virtuales de relevadores de protección es de utilidad en el proceso de diseño, pues permite hacer pruebas de laboratorio antes de contar con un prototipo físico del relevador. 2. Se dispone de la versión virtual de un relevador de sobrecorriente de tiempo inverso adaptativo, que cuenta ya con la lógica de control adaptativo de la corriente de arranque. 3. El relevador virtual puede operar con señales de tiempo real y emitir señales de disparo a interruptores; puede también adquirir señales grabadas en un archivo de datos, o generar internamente sus propias señales de prueba. La combinación de estas alternativas da gran flexibilidad para la prueba de algoritmos de protección. 4. Hasta el momento se ha probado el relevador virtual en lo referente a la lógica de control adaptativo de la corriente de arranque, con buenos resultados. 16 REFERENCIAS 1. National Instruments, Labview user guide ver. 4.1, National Instruments Corporation, Austin, 1997. 2. A. Conde, Protección adaptiva de sobrecorriente, Tesis de Maestría en Ciencias, FIME-UANL, Febrero de 1996. 3. A. Conde, E. Vázquez, H. Altuve, “Time overcurrent adaptive relay,” International Journal of Electric Power & Energy Systems, vol. 25, no. 10, Diciembre 2003, pp. 841-847. 4. H. J. Altuve, y A. Conde, “Consideraciones de diseño de un relevador adaptativo de sobrecorriente,” IX Reunión de verano de potencia del IEEE Sección México RVP’96, Tomo III, Acapulco, Guerrero, México, Julio de 1996, pp. 180-185. 5. A. Conde, I. Verduzco, y H. J. Altuve, “Relevador adaptativo de sobrecorriente de tiempo inverso,” IV Simposio Iberoamericano sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia, Monterrey, N.L., Noviembre de 1998, pp. 237-244. 6. A.G. Phadke, and J. S. Thorp, Computer relaying for power systems. Taunton, Somerset, England: Research Studies Press Ltd., 1988. 7. A. Conde, y H. J. Altuve, “Nueva lógica adaptiva para un relevador de sobrecorriente de tiempo inverso,” XII Reunión de Verano de Potencia del IEEE Sección México RVP’99, Acapulco, Guerrero, México, Julio de 1999. 8. IEEE Standard C37.112-1996, IEEE Standard Inverse-time characteristic equations for overcurrent relays. 9. IEC Standard 255-4, Single input energizing measuring relays with dependent specified time, IEC Publication 255-4, First Edition, 1976. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Desarrollo sustentable: pasado, presente y futuro Mario Alberto Díaz López Facultad de Ingeniería y Arquitectura-UR mdiaz@mail.ur.mx La Tierra brinda lo suficiente para satisfacer las necesidades de todos, pero no la codicia de todos. Mahatma Ghandhi RESUMEN El desarrollo sustentable ha transitado de la fase conceptual donde se visualizó la importancia de conciliar los aspectos ecológicos, sociales y económicos, hacia la actual etapa de generación de estrategias factibles y financiables para lograrlo. Se espera, en el mediano plazo, que las naciones puedan firmar acuerdos globales que permitan mejorar igualitariamente la calidad de vida de las personas, haciendo uso racional y austero de los recursos naturales del planeta. PALABRAS CLAVE Desarrollo sustentable, hábitos de consumo, calidad de vida, desarrollo económico, sistemas sociales. ABSTRACT The sustainable development has moved from the conceptual phase, in which the importance of the interaction of ecological, social and economical issues was considered to actual work on the generation of feasible financial strategies to achieve such goal. It is hoped that the nations can sign global trades which allow to do it at a medium term, in order to equally improve people’s quality of life, utilizing the planet’s natural resources in a rational and austere way. KEYWORDS Sustainable development, consumption habits, life quality, economic development, social systems. PASADO El desarrollo sustentable tiene como antecedente conceptual la preocupación por la escasez de recursos naturales y sus consecuencias sobre el crecimiento económico, expresadas desde 1798 por Malthus en su ensayo sobre población; Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 17 �Desarrollo sustentable: pasado, presente y futuro/ Mario Alberto Díaz López cabe destacar que los factores limitantes en su tiempo se restringían a la tierra y la capacidad de crecimiento de la oferta de alimentos, por encima de un crecimiento desmedido de la población. Ricardo, contemporáneo de Malthus, compartía su pesimismo con respecto a que la disminución de la rentabilidad de la tierra imponía límites al crecimiento tanto económico como poblacional.1 La situación se mantuvo sin cambio hasta 1968, cuando el Club de Roma, organización formada por políticos, científicos e intelectuales, preocupados por solucionar los principales problemas del mundo, convocó a reunión donde se discutieron y analizaron problemas presentes y futuros de la humanidad y los límites del crecimiento económico frente al uso cada vez más extendido de los recursos naturales. De entre los temas a discusión destacaron: crecimiento de la población, desempleo, pobreza, contaminación, concentración urbana, enajenación de la juventud, inflación, rechazo de valores tradicionales, pérdida de fe en las instituciones; siendo el objetivo primordial entender los orígenes de los problemas y encontrar respuestas a ellos. El resultado de dicha gestión fue el libro de Meadows y Meadows “Los límites del crecimiento”, que inició el neomaltusianismo, ya que retomaba la demografía como variable importante a controlar por parte de los países pobres, desde el punto de vista de los ricos. El argumento fundamental del modelo fue la necesidad de establecer límites para el crecimiento exponencial de las actividades económicas, la población, la contaminación, debido a que el mundo se consideraba, como hoy, finito en tierras cultivables, yacimientos minerales, recursos energéticos y en la capacidad de soportar la contaminación.1,2 La Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente Humano de 1972, en Estocolmo, Suecia, fue la respuesta a los debates sobre los riesgos de la degradación ambiental. En dicho foro se discutieron por vez primera temas como crecimiento, desarrollo y protección ambiental, de manera globalizada, siendo las conclusiones más relevantes: la vinculación de los mayores problemas que afectaban el bienestar de la población y el desarrollo económico del mundo, el deterioro del ambiente, que se relacionó con la presión ejercida por el crecimiento de la población; los mayores 18 problemas ambientales de los países ricos que resultan de la contaminación industrial, en tanto que los correspondientes a los países pobres son resultado del mal uso de los recursos naturales y su consiguiente agotamiento; la raíz de los problemas estaba en la falta de desarrollo, por lo que el rápido crecimiento económico no se traduciría en el fin de la problemática ambiental.1, 2, 3 El concepto de ecodesarrollo surge a la palestra a inicios de la década de los setentas (siglo XX) a iniciativa de Ignacy Sachs, consultor de la Organización de las Naciones Unidas; los puntos centrales de su propuesta incluyen el renunciar a la idea de un crecimiento exponencial e ilimitado y la posibilidad de promover el desarrollo basado en exportaciones masivas de recursos naturales locales, así como detener el creciente proceso de degradación ambiental; desmitificar la creencia en el progreso a través de la ciencia y la tecnología; alterar los patrones de consumo de los países industrializados y de las élites de los países pobres, lo que constituye el compromiso que buscaba conciliar el incremento de la producción con el respeto a los ecosistemas, requerido para preservar las condiciones de habitabilidad de la tierra. Cabe destacar que sus principios orientadores eran: a) satisfacción de las necesidades básicas, b) solidaridad con generaciones futuras, c) participación de la población involucrada, d) preservación de los recursos naturales y el ambiente, e) elaboración de un sistema social garantizador de empleos, seguridad social y respeto a otras culturas, y f) programas de educación. Sin embargo, su destino estaba marcado, ya que a partir de la Declaración de Cocoyoc, llevada a cabo en 1974 en México, el entonces Secretario de Estado Henry Kissinger manifestó su desacuerdo en el escrito enviado al Presidente del Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), en el que exigía se eliminara de la misma el término “ecodesarrollo” por así convenir a los intereses de los Estados Unidos de América.1, 2 Fue hasta 1987 que, bajo la tutela de la entonces Primera Ministra de Noruega, Gro Harlem Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Desarrollo sustentable: pasado, presente y futuro/ Mario Alberto Díaz López Brundtland, y el auspicio de la Comisión Mundial sobre Medio Ambiente y Desarrollo, se elaboró el informe titulado “Nuestro Futuro Común”, también conocido como el “Informe Brundtland”, donde se propusieron acciones y directrices tendientes a reducir las amenazas a la sobrevivencia y dar certidumbre al desarrollo.2, 3 El Informe establece siete objetivos globales:1 1. Reactivar el crecimiento.- Sobre todo en los países pobres. 2. Modificar la calidad del crecimiento.- Entendiendo por esto que sea menos intensivo en el uso de materias primas y energía, buscando mantener una reserva de capital natural, mejorar la distribución de la renta y reducir la vulnerabilidad a las crisis económicas, prestando especial atención a variables socio-ambientales tales como educación, salud, agua, aire limpio y conservación de áreas naturales. 3. Atender a las necesidades humanas básicas.Partiendo del supuesto de que los países ricos las tienen cubiertas, el objetivo se dirige sobre todo a los países pobres. Entre las más relevantes se encuentran: empleo, alimentación, energía y saneamiento ambiental. 4. Asegurar niveles sustentables de población.Considerando la relación entre las personas y la disponibilidad de los recursos. 5. Conservar y mejorar la base de recursos.- Lo que conlleva al mantenimiento de la biodiversidad como factor necesario para el funcionamiento de los ecosistemas y la biosfera, por lo que las políticas deben considerar la mejora en el nivel de vida, sobre todo en aquellas zonas bajo disturbio y pobreza de recursos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 6. Reorientar la tecnología y gerenciar el riesgo.Siendo ésta el elemento clave para la solución de los principales problemas, por lo que se requerirá que se oriente a la atención de los aspectos ambientales del desarrollo por ser hasta ahora los menos prioritarios. 7. Incorporar el ambiente y la economía en los procesos de decisión.- Para esto se necesitará cambiar actitudes y objetivos, por lo que la comunidad y el gobierno deberán participar de manera conjunta en este proceso de cambio. PRESENTE Desarrollo sustentable: el concepto La Cumbre de la Tierra de 1992, en Río de Janeiro Brasil, se constituyó en la principal plataforma de difusión política del concepto de desarrollo sustentable, es decir, “aquél que satisface las necesidades de las generaciones presentes en forma igualitaria, sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades”;4 esto desencadenó toda una serie de definiciones en versiones institucional, ideológica y académica, cuyo factor común es el consenso de que el mundo está padeciendo una crisis ambiental que implica un cambio de conciencia y de estrategias para confrontarla y superarla. Una de las definiciones más significativas es la del Consejo Internacional de Iniciativas Locales que lo define textualmente como “aquel que ofrece servicios ambientales, sociales y económicos básicos, a todos los miembros de una comunidad sin poner en peligro la viabilidad de los entornos naturales, construidos y sociales, de los que depende el ofrecimiento de estos servicios”.5 El desarrollo sustentable resulta de la combinación, entre otros, de los siguientes factores:6 1.- Crecimiento económico, valuado en términos de dinero. 2.- Equidad, medida con parámetros sociales. 19 �Desarrollo sustentable: pasado, presente y futuro/ Mario Alberto Díaz López 3.- Uso sustentable de los recursos naturales, evaluado por parámetros biogeofísicos. El equilibrio entre estos factores desencadena una gestión de conflictos entre metas económicas, sociales y ambientales que deben negociarse con la estrategia de “ganar-ganar”.7 Las dificultades para lograr el desarrollo sustentable El problema reside en la actitud de los gobiernos, ya que carecen de voluntad política para realizarlo. La responsabilidad recae en los gobiernos del hemisferio norte que se han negado a financiarlo, sin embargo, también los países del hemisferio sur lo visualizan como un pretexto para continuar con su modelo de desarrollo sin observar las consecuencias ambientales.8 Entonces ¿Qué se necesita? Para acceder al desarrollo sustentable se necesita lo siguiente:9 a) Aproximaciones interdisciplinarias e integradas a los problemas. b) Conceptos de teorías y dinámicas no lineales de sistemas complejos.- Los ecosistemas muestran estados multiestables y de comportamiento discontinuo en tiempo y espacio. c) Análisis y monitoreo de los procesos de cambio.Los ecosistemas pueden ser afectados leve o severamente por cambios que transcurren lentamente, lo que contrasta en como se hacen las cosas desde el punto de vista político. d) Puesto que se están incrementando las conexiones espacio-temporales de los fenómenos no lineales asociados con el ambiente, se requieren aproximaciones interdisciplinarias que consideren las diferentes escalas de la problemática; esto contrasta directamente con la forma en que tradicionalmente se han manejado los problemas ecológicos. e) Los ambientes natural y social están en constante cambio (coevolución), por lo que se requiere una aproximación que sea adecuada al entorno natural que tiene características evolutivas, a la teoría económica y organizacional, que tiene como características la innovación y el aprendizaje, y que formule políticas para una sociedad adaptativa. 20 El papel de la Agenda 21.10 Este programa surgió de las negociaciones de la Cumbre de Río y tiene por objetivo incrementar la cooperación e integración de políticas entre instituciones nacionales e internacionales, racionalizando los regímenes jurídicos de niveles diversos para hacer mejor, más participativa e informada la toma de decisiones. La Agenda 21 introdujo el concepto de estrategias nacionales para el desarrollo sustentable como medio de integrar objetivos económicos, sociales y ambientales, en un plan estratégicamente enfocado a la acción. El programa estableció como meta el año 2002 para que todos los países formularan sus propias estrategias. Al 2001, cerca de 85 naciones habían generado alguna clase de estrategia, aunque la efectividad de dichas medidas varió de país a país. Del programa surgió la necesidad de que dichos esfuerzos permearan a nivel comunitario, surgiendo entonces la Agenda 21 local, que al año 2001 contaba con cerca de 3,000 iniciativas, dentro de un amplio abanico de posibilidades, es decir, desde villas, hasta las principales áreas metropolitanas del mundo. La fuerza de la Agenda 21 local radica en que esta aproximación involucra a los interesados en la toma de decisiones, identificando prioridades, encontrando e implementando soluciones, por lo que el desafío radica en enfocarla a áreas claves donde se requiere respuesta expedita y donde tenga mayor impacto en la consecución del objetivo último, el desarrollo sustentable. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Desarrollo sustentable: pasado, presente y futuro/ Mario Alberto Díaz López FUTURO En la actualidad, la sociedad está organizada de tal manera que sus estrategias de gestión se estructuran en primer lugar para lograr metas de tipo económico, en segundo, y esto no siempre, las de orden social, pero raramente las que involucran el manejo de los recursos naturales.13 Por otra parte, la esencia del desarrollo sustentable, desde el punto de vista económico, implica que los recursos naturales deben ser explotados para obtener el máximo valor agregado, con la condición de que se disponga de los “intereses” sin afectar el “capital”.11 S c h m i d h e i n y 12 y Herman Daly citado por Meadows13 destacan que, si una sociedad aspira a ser sustentable, la tasa de empleo de los recursos no deberá superar la de regeneración de los mismos; la velocidad de utilización de los recursos no renovables tampoco excederá a la que se desarrollan los sustitutos y la tasa de emisión de contaminantes no deberá rebasar la capacidad de asimilación del ambiente. Dourojeanni7 expresa su preocupación, en el sentido de que las variables ambientales son de las que ofrecen mayores vacíos de información, si se les quiere integrar en un sistema de toma de decisiones que considere variables tanto controlables como incontrolables, además de que los acontecimientos tienen frecuentemente la cualidad de no ser previsibles. Aunado a lo anterior, está el hecho de que en los países pobres, las estrategias de largo plazo para el desarrollo sustentable, enfrentan una realidad diferente a la de las naciones ricas, ya que los primeros padecen un severo deterioro del ambiente, que como ya se dijo, ofrece bienes y servicios básicos que facilitan la transición hacia la sustentabilidad del desarrollo.6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 Es importante destacar que lo que es sustentable para un país, periodo de tiempo, y etapa de desarrollo no necesariamente lo es para otro, por lo que cada nación debe generar su propuesta para desarrollarse sustentable y sosteniblemente, de acuerdo a su propia realidad y circunstancias.14 En materia de sustentabilidad, existen siete temas comunes por encarar:3 1. Los interesados.- Es importante establecer una ética ambiental para el manejo de la preservación e integridad biológica de los ecosistemas, lo que incluye la salvaguarda de recursos tales como el agua, el aire y la diversidad de especies; también considera la promoción del uso de energías renovables (solar y eólica) y los materiales de construcción de origen natural. 2. Respeto a los límites.- Implica el vivir con los medios que la naturaleza proporciona. Los “límites” representan el umbral de los sistemas vivientes, que cuando se rebasa, tiene efectos devastadores que van de la extinción de especies al calentamiento global. 3. Interdependencia.- Hoy en día dependemos de manera inexorable de los sistemas ecológicos, económicos y sociales, que trabajan de forma tan estrecha que no podemos considerarlos de manera independiente. 4. Reestructuración económica.- Requerida para incrementar las oportunidades de empleo en tanto se salvaguardan los ecosistemas. Esta nueva relación alimenta las prácticas sustentables que dependen de otro modelo económico basado en la cooperación y en la eficiencia antes que en la competencia y el residuo. 5. Distribución clara.- Considera la importancia de la justicia social y la equidad en áreas que incluyen oportunidades de empleo, educación, cuidado a la salud, entre otras. Una distribución clara y equitativa de los recursos implica un cambio en los valores sociales, aplicados a través de políticas gubernamentales tales como impuestos y prácticas de responsabilidad social corporativa que dirijan sus esfuerzos hacia las comunidades de menos ingresos. 6. Perspectiva intergeneracional.- Se hace énfasis en el largo plazo, para fines de esclarecer la 21 �Desarrollo sustentable: pasado, presente y futuro/ Mario Alberto Díaz López importancia de priorizar las decisiones actuales, teniendo en cuenta que el impacto de las mismas se vería reflejado en las generaciones por venir en un lapso estimado de 150 a 500 años. 7. La naturaleza como modelo y maestro.- Se basa en la “experiencia” acumulada por 3,500 millones de años de evolución de los sistemas vivientes, lo que lleva implícito el respeto a las demás especies. El papel de la economía ecológica Margalef, Odum y Commoner, citados por Riechmann 15 han propuesto que la economía humana debería imitar la “economía natural” de los ecosistemas. De esta estrategia surge el concepto de biomímesis, que implica el imitar los sistemas naturales al reconstruir los sistemas productivos humanos, a fin de hacerlos compatibles con la biosfera. A la luz de esta teoría se pueden establecer cinco pautas para la reconstrucción de la economía, en términos ecológicos: 15 Vivir del sol como fuente energética.- Implica basar la estrategia del desarrollo en el uso de las energías renovables; Cerrar los ciclos de materiales.- Significa que los residuos generados por los procesos productivos se recuperen-reúsen-reciclen como materia prima; No transportar demasiado lejos los materiales.- Dado que los ecosistemas terrestres se han autoorganizado en base a ciclos verticales y cercanos, es menester que las sociedades, minimicen el transporte horizontal de larga distancia; Evitar los xenobióticos y los organismos transgénicos.- Por sus efectos potencialmente desastrosos sobre los sistemas biológicos; Respetar la diversidad.- La economía debe respetar las singularidades regionales, culturales, materiales y ecológicas de cada lugar. Procesos de gestión La estrategia clave para fomentar el desarrollo sustentable reside en mejorar los procesos de decisión y de gestión, necesarios para lograr el equilibrio entre los aspectos sociales, ambientales y económicos; estos deben incluir el llevar a la práctica las acciones que fomenten el crecimiento económico, las negociaciones que lleven a la equidad, y la incorporación de la dimensión ambiental para el tratamiento holístico de los temas7. Para Dourojeanni 7 “el conocimiento de los ecosistemas está absolutamente desbalanceado de la inversión que se realiza para la explotación del mismo medio. Un escenario sustentable debe aumentar drásticamente la inversión para conocer los ecosistemas intervenidos. La valoración y rescate del conocimiento de las poblaciones originarias es una de las bases para lograrlo”. La Agenda del Milenio 10 Finalmente, la Organización de las Naciones Unidas estableció en el 2001 una serie de metas para el desarrollo: 1) Erradicar la pobreza extrema y el hambre; 2) Lograr la educación primaria universal; 3) Promover la igualdad de género y otorgar poder a la mujer; 4) Reducir la mortalidad infantil; 5) Mejorar la salud materna; 6) Combatir el SIDA, la malaria y otras enfermedades; 7) Asegurar la sustentabilidad ambiental: tiene como objetivos: integrar los principios del desarrollo sustentable en las políticas y programas nacionales y revertir la pérdida de recursos naturales; al 2015 reducir la proporción de personas sin acceso sustentable a agua potable segura; y al 2020, tener asegurada la mejora significativa de las condiciones de vida de al menos 100 millones de marginados; 8) Generar una sociedad global para el desarrollo. EPÍLOGO Si se parte del entendido de que las estrategias vigentes tendientes a la sustentabilidad del desarrollo se basan en un modelo derrochador de recursos en 22 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Desarrollo sustentable: pasado, presente y futuro/ Mario Alberto Díaz López el que los países ricos no sólo desean mantener sino incrementar sus actuales niveles de bienestar, y por su parte, las naciones pobres aspiran al nivel de vida -ecológicamente subsidiado- de los primeros. No existe en el planeta Tierra el capital natural suficiente para sostener los patrones de consumo que le caracterizan (por ejemplo, uso desmedido e ineficiente de energía no renovable). En virtud de lo anterior, el proceso de gestión deberá redirigirse considerando los siguientes aspectos: 1.- Definir la norma o nivel de bienestar objetivo.delimitado de alguna forma en la Agenda 21. 2.- Negociar, a nivel global, que el consumo de recursos naturales se lleve a cabo de manera no solo racional sino austera, entendiendo esta como la limitación consciente para no comprometer su disponibilidad, ni el equilibrio de la biosfera, lo que permitirá en el mediano o largo plazo que los países ricos sean más eficientes en el uso y consumo de los recursos, y a los pobres, la esperanza tangible para dejar de serlo. REFERENCIAS 1. Cavalcanti Rachel N. – Desarrollo sustentable, II Curso Internacional de Aspectos Geológicos en Protección Ambiental, Santiago, 2000. 2. Naredo J.M. – Sobre el origen, el uso y el contenido del término sostenible, http://habitat. aq.upm.es/cs/p2/a004.html, marzo, 2000. 3. 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Riechmann Jorge – La sostenibilidad un nuevo pensamiento, Fundación BSCH/Fundación Lázaro Galdiano, Encuentros “El nuevo horizonte de la sostenibilidad”, 2003. 23 �Propiedades de escalamiento de las superficies de fractura del nylon Moisés Hinojosa Rivera, Virgilio González González, Jonathan Sánchez Cárdenas, Ubaldo Ortiz Méndez Doctorado en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL. hinojosa@gama.fime.uanl.mx RESUMEN En este trabajo reportamos el estudio de las propiedades de escalamiento de una poliamida 6 (Nylon). Se generaron superficies de fractura mediante flexión en tres puntos en muestras con diferente historia térmica y, por lo tanto, con diferente distribución de tamaños esferulíticos. El análisis topométrico se efectuó por microscopía de fuerza atómica y se empleó el método de ventanas de ancho variable para obtener los parámetros de autoafinidad. Los valores del exponente de rugosidad fluctuaron entre 0.84 y 0.87, los cuales son significativamente mayores que el llamado valor universal de 0.78-0.80, que se ha reportado para diversos materiales fracturados en similares condiciones cinéticas. PALABRAS CLAVE Autoafinidad, superficies de fractura, poliamida 6. ABSTRACT The scaling properties of the fracture surfaces of Polyamide 6 are explored in this work. Fracture surfaces were generated by three-point bending on samples with different thermal history and hence different spherulite size distribution. The topometric analysis was based on atomic force microscopy and the self-affine parameters were determined by the variable bandwidth method. Values of the roughness exponent are located in the range of 0.84-0.87, which is significantly higher than the so-called universal value of 0.78-0.80 which has been reported for a variety of materials broken in similar kinetic conditions. KEYWORDS Self-affinity, fracture surfaces, Polyamide 6. INTRODUCCIÓN Ingenieros y científicos de diferentes disciplinas han estudiado intensamente los fenómenos de la propagación de grietas y la fractura de los materiales, sin embargo estos procesos siguen planteando un reto de gran importancia científica, tecnológica y económica. El estudio de los procesos de fractura se basa tradicionalmente en la observación, generalmente mediante microscopía electrónica, de los detalles topográficos de las superficies de fractura y para la interpretación de tales observaciones, hasta tiempos recientes se aplicaba 24 Artículo originalmente publicado en idioma inglés en la revista Polymer, Vol. 45, pp. 4829-4836 (2004). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Propiedades de escalamiento de las superficies.../ Moisés Hinojosa Rivera, et al casi exclusivamente la mecánica lineal y elástica de la fractura. Estos estudios han proporcionado información útil y valiosa, sin embargo el carácter fractal y estadístico de las superficies de fractura solo se reconoció después del trabajo pionero de Mandelbrot.1 Antes de la aplicación de la geometría de fractales, los complejos patrones generados por la propagación de grietas no podían cuantificarse, y fue Mandelbrot el primero en caracterizar superficies de fractura mediante la determinación de su dimensión fractal. A partir de dicho trabajo se han desarrollado métodos derivados de la geometría fractal para el estudio del carácter fractal o autoafín de superficies de fractura de diversos materiales.2-15 Los métodos fractométricos de vanguardia se basan en el análisis estadístico y autoafín de perfiles de alturas,16 extraídos de las superficies de fractura usando técnicas como la microscopía de fuerza atómica (MFA), microscopía electrónica de barrido (MEB) y perfilometría, entre otras. Las propiedades de escalamiento se estudian usando la dimensión fractal1,4 o el exponente de rugosidad.5-16 Actualmente está claramente establecido que las superficies de fractura son fractales anisotrópicos, o sea objetos autoafines, caracterizados por el respectivo exponente de rugosidad,3 mismo que cuantifica el escalamiento de la altura típica h(r), de acuerdo a la ley de potencia expresada por la ecuación (1): h (r ) = ⎡⎣ z (r0 + r ) − z (r0 )⎤⎦ 2 12 r0 ≅ rζ (1) en la que z es la altura y los símbolos < > indican el valor promedio. Esta ley de escalamiento implica que el objeto analizado es invariante para la transformación afín expresada por la ecuación (2): ; ; (2) con ; Desde el punto de vista de la física estadística, se ha sugerido que la fractura de medios heterogéneos manifiesta propiedades universales similares a las de una transición de fases crítica.17 También se ha conjeturado que la fractura rápida tiene asociado un exponente de rugosidad universal, esto ha sido motivo de controversia.3 En muchos estudios se ha reportado un valor característico para ζ en el intervalo de 0.78-0.80, para materiales Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 metálicos, cerámicos y poliméricos fracturados en condiciones de propagación rápida de grietas, tales como ensayos de tensión, flexión e impacto. También se ha reportado que algunas superficies de fractura que resultan de propagación lenta presentan un exponente de rugosidad menor, ζ = 0.5. Este escenario desafortunadamente indica que las propiedades mecánicas como la tenacidad a la fractura no están asociadas al carácter autoafín de las superficies de fractura. Está claro que no existe una relación entre el exponente de rugosidad y las propiedades mecánicas. Una superficie de fractura es autoafín hasta un límite de escala de longitud llamado la longitud de correlación ζ. Si el análisis se efectúa para escalas mayores a la longitud de correlación entonces la superficie puede describirse como un objeto Euclidiano. Se ha sugerido que el llamado modelo de la línea18 puede aplicarse al fenómeno de propagación de grietas. El frente de propagación se modela19 como una línea continua que avanza a través de la microestructura impulsada por una fuerza motriz. La superficie de fractura es entonces simplemente la traza de la línea al avanzar en su trayectoria. La cinética de este proceso está regida por una ecuación de Langevin no lineal, en la que la configuración queda determinada por tres contribuciones: una fuerza uniforme, una fuerza aleatoria asociada a las impurezas y una contribución de las fuerzas elásticas entre diferentes partes de la línea. Por supuesto, la forma de la línea influye en la rugosidad de la superficie de fractura resultante. De acuerdo con este modelo, las superficies de fractura son autoafines porque el frente de propagación posee también un carácter autoafín, mismo que resulta de la interacción del frente de la grieta con heterogeneidades del material a diferentes escalas de longitud. Este modelo muestra una concordancia cualitativa con la cinética de propagación en algunos materiales frágiles,13,14 pero no logra predecir correctamente el valor del exponente de rugosidad observado experimentalmente. También se ha aplicado este modelo al estudio de una posible relación entre los parámetros microestructurales y la longitud de correlación. Se ha reportado que ξ coincide con el tamaño de grano en aleaciones de níquel policristalinas,6 en aleaciones de aluminio es del orden de los tamaños dendríticos,10,11 y es del orden 25 �Propiedades de escalamiento de las superficies.../ Moisés Hinojosa Rivera, et al del tamaño esferulítico en polipropileno,12 todo lo cual indica un relación entre la longitud de correlación y las mayores heterogeneidades de la microestructura. El presente trabajo fue motivado por las siguientes observaciones: de entre los muchos materiales que se han investigado bajo esta óptica, la mayoría son metales y cerámicos, solo se han analizado un limitado número de polímeros respecto al comportamiento autoafín o fractal de sus superficies de fractura. Recientemente Guerrero et al.15 reportaron valores de ζ = 0.77 para polipropileno y ζ = 0.71 para poliestireno. Surgen muchas dudas acerca del posible efecto de las diferencias y particularidades de los mecanismos de nucleación y propagación de grietas en polímeros, especialmente si se toman en cuenta los efectos viscoelásticos y la absorción de energía mediante flujo por corte y el mecanismo de desgarre (crazing, en inglés). Otra cuestión intrigante es el papel que juegan las esferulitas, así como la cantidad de material amorfo en definir los exponentes de rugosidad en materiales parcialmente cristalinos como las poliamidas. En este trabajo exploramos el carácter autoafín de las superficies de fractura de la poliamida 6, con dos diferentes tamaños esferulíticos, con el propósito de contribuir al estudio del fenómeno de propagación de grietas en materiales poliméricos. La poliamida 6 es un buen candidato dado que, como es el caso para muchos polímeros,20-23 cristaliza de acuerdo a la teoría de nucleación secundaria; a partir de los centros de nucleación crecen esferulitas formadas de lamelas dando lugar a la superestructura de la poliamida 6, tanto el radio de las esferulitas como el espesor de las lamelas disminuyen a medida que desciende la temperatura de cristalización. El proceso de cristalización se lleva a cabo entre la temperatura de transición vítrea Tg y el punto de fusión de equilibrio, Tm°. Tanto la tasa de nucleación primaria como la rapidez de crecimiento disminuyen a medida que la temperatura se aproxima a los límites y alcanzan un máximo para un valor intermedio entre Tg y Tm°. Este comportamiento permite controlar el tamaño promedio final de las esferulitas mediante el control de la rapidez de enfriamiento. EXPERIMENTACIÓN La poliamida (Ultramid de BASF, USA), se caracterizó mediante espectroscopía infrarroja por 26 transformada de Fourier (FTIR, por sus siglas en inglés), calorimetría diferencial de barrido (DSC, por sus siglas en inglés) y cromatografía de exclusión de tamaños (SEC, por sus siglas en inglés). Los espectros de FTIR mostraron todas las bandas características de las aminas secundarias y concuerdan con las característica registradas en bases de datos, confirmando la naturaleza del material como una poliamida 6. Los resultados de DSC y SEC se muestran en la tabla I. Se prepararon especímenes por prensado en caliente obteniendo discos de 5 mm de diámetro y 2 mm de espesor. Se acondicionaron enfriándolos desde una temperatura ligeramente superior a Tm° (260°C)24 hasta temperatura ambiente a rapidez controlada de 1 y 25°C/min dentro del DSC en atmósfera de nitrógeno, también se enfrió un espécimen sumergiéndolo en nitrógeno líquido desde la condición de fundido para obtener una muy alta rapidez de enfriamiento. Los especímenes así acondicionados se analizaron por MEB y microscopía óptica, en los casos en los que se presentaron esferulitas se midió su diámetro equivalente empleando técnicas de análisis de imágenes. Una vez caracterizada la estructura obtenida, los especímenes se sumergían en nitrógeno líquido para fracturarlos por flexión. La topografía de las superficies de fractura se analizó por MFA en modo de contacto, los tamaños de barrido estuvieron entre 10 y 100 µm. La mejor resolución lateral fue de cerca de 20 nm. Se extrajeron 250 perfiles de alturas, uniformemente distribuidos a partir de cada imagen de MFA, las cuales eran de 512 x 512 pixeles. Los perfiles se emplearon para el análisis autoafín aplicando el método de ventanas de ancho variable usando la desviación estándar de la distribución estadística de alturas. En este método el perfil se divide en N(r) ventanas de tamaño r, se calcula la desviación estándar, σ, en cada ventana, promediando Tabla I. Peso molecular y punto de fusión de la poliamida estudiada. Peso molecular (g/mol) obtenido por SEC DSC Mn Mw Mz Mw/Mn Tm (°C) 34,313 68,683 111,211 2.16 230 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Propiedades de escalamiento de las superficies.../ Moisés Hinojosa Rivera, et al posteriormente sobre todas las ventanas de tamaño r. Se construye la función autoafín de acuerdo a la ecuación (3): N (r ) ⎞⎟ σ (i ) W ( r ) = ⎛⎜ 1 ∑ ⎝ N ( r ) ⎠ i =1 (3) Fig. 1. Imagen de MEB de las esferulitas en la poliamida 6 enfriada a 1°C/min. Fig. 2. Imagen de MEB de las esferulitas en la poliamida 6 enfriada a 25°C/min. Fig. 3. Imagen de MEB de las esferulitas en la poliamida 6 enfriada en N2 líquido. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 Finalmente, el exponente de rugosidad se obtiene de un gráfico log-log sabiendo que la función W(r) sigue la ley de potencia expresada por la ecuación (4): W (r ) ∝ rζ (4) RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las muestras enfriadas a 1 y 25°C/min mostraron, como se esperaba, una estructura esferulítica, figuras 1 y 2, mientras que la muestra enfriada en nitrógeno líquido no mostró esferulitas, indicando el carácter amorfo de esta muestra en tales condiciones de enfriamiento rápido (figura 3). En concordancia con la teoría de la nucleación secundaria, puede observarse que los tamaños esferulíticos son menores en las muestras enfriadas a 25°C/min, esta observación queda cuantificada mediante las distribuciones de diámetro equivalente que se presentan en las figuras 4 y 5; los diámetros Fig. 4. Distribución de diámetro equivalente de las esferulitas en las muestras enfriadas a 1°C/min. Fig. 5. Distribución de diámetro equivalente de las esferulitas en las muestras enfriadas 25°C/min. 27 �Propiedades de escalamiento de las superficies.../ Moisés Hinojosa Rivera, et al esferulíticos promedio son de 20.9 y 15.6 µm, para las muestras enfriadas a 1 y 25°C/min, respectivamente. La diferencia en rapidez de enfriamiento se reflejó en una diferencia de tamaño de 5 µm. En las figuras 6-11 se observan las superficies de fractura registradas por MEB. En todos los casos la apariencia corresponde de manera general a fractura frágil, como es de esperarse de acuerdo a las condiciones promovidas por el enfriamiento en N2. Las superficies lucen relativamente planas a bajas magnificaciones, sin embargo la observación en Fig. 6. Imagen de MEB a 150X de una superficie de fractura para enfriamiento de 1°C/min. Fig. 9. Imagen de MEB a 1500X de una superficie de fractura para enfriamiento de 25°C/min. Fig. 10. Imagen de MEB a 200X, de una superficie de fractura para enfriamiento en N2 líquido. Fig. 7. Imagen de MEB a 1000X de una superficie de fractura para enfriamiento de 1°C/min. Fig. 11. Imagen de MEB a 1000X de una superficie de fractura para enfriamiento en N2 líquido. Fig. 8. Imagen de MEB a 1500X de una superficie de fractura para enfriamiento de 25°C/min. 28 altas magnificaciones revela que existe deformación plástica intensa a nivel local. También hay evidencia de fibrilación, lo que sugiere27-29 que la fractura fue precedida por desgarre (crazing). Resulta también visible que la propagación de grietas fue influida a la vez que promovida por la presencia de huecos o burbujas al interior del material, así que también es posible que la fractura se haya realizado por el Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Propiedades de escalamiento de las superficies.../ Moisés Hinojosa Rivera, et al avance de grietas generadas a partir del desgarre y la posterior interacción del frente principal de propagación con nuevos frentes de microgrietas generados en huecos y burbujas, como lo sugiere la presencia de grietas secundarias. Estas características “dúctiles” no son sorprendentes si recordamos que el proceso de fractura puede producir a nivel local un cierto calentamiento adiabático, particularmente en la punta de las grietas, así que aunque en general la apariencia sea de una fractura frágil, existe evidencia de deformación plástica y viscoelástica. La topografía de las superficies, revelada mediante MFA, se muestra en las figuras 12-14. Como puede verse, dichas imágenes están libres de defectos como el ruido instrumental, polvo u otras irregularidades que podrían dificultar el análisis cuantitativo y el estudio del carácter autoafín, ya que la presencia de tales defectos podría dar lugar a valores erróneos Fig. 12. Topografía de la superficie de fractura de una muesta enfriada a 1°C/min, barrido de 40 µm. Fig. 13. Topografía de la superficie de fractura de una muesta enfriada a 25°C/min, barrido de 15 µm. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 Fig. 14. Topografía de la superficie de fractura de una muesta enfriada en N2 líquido, barrido de 15 µm. del exponente de rugosidad. De manera cualitativa, parece que las superficies tienden a ser más lisas para las mayores rapideces de enfriamiento, sin embargo, estas observaciones cualitativas deben complementarse con la discusión del carácter autoafín que se muestra a continuación. Las figuras 15 a 17 presentan las curvas de autoafinidad correspondientes a 250 perfiles para cada caso, también se incluye el gráfico promedio para las diferentes condiciones de enfriamiento, puede observarse que todos los perfiles se ajustan a la ley de potencia que indica de manera inequívoca el carácter autoafín de las superficies de fractura. Otra importante característica es la escasa dispersión estadística de los valores del exponente de rugosidad, figura 18, para el análisis de 2750 perfiles correspondientes a una muestra enfriada a 1°C/min, con desviación estándar de 0.02, este valor Fig. 15. Curvas de autoafinidad para 250 perfiles (abajo) y promedio (X) con recta de ajuste (línea continua) para muestra enfriada a 1°C/min. 29 �Propiedades de escalamiento de las superficies.../ Moisés Hinojosa Rivera, et al Fig. 16. Curvas de autoafinidad para 250 perfiles (abajo) y promedio (X) con recta de ajuste (línea continua) para muestra enfriada a 25°C/min. En las figuras 19 y 20 se presentan las distribuciones del exponente de rugosidad para 250 perfiles correspondientes a las muestras enfriadas a 25°C/min y las enfriadas en N2, respectivamente. Nótese que los valores del exponente de rugosidad y sus desviaciones estándar son muy similares a los obtenidos para los 2750 perfiles correspondientes a la muestra enfriada a 1°C/min. Todas las superficies de fractura mostraron un exponente de rugosidad entre 0.84 y 0.87 con desviación estándar entre perfiles de la misma condición de 0.02, el análisis estadístico permite asegurar con alto grado de confiabilidad que este valor caracteriza la naturaleza autoafín de la topografía de las superficies de fractura cuando esta poliamida se fractura en flexión. Fig. 17. Curvas de autoafinidad para 250 perfiles (abajo) y promedio (X) con recta de ajuste (línea continua) para muestra enfriada a N2 líquido. Fig. 19. Distribución de exponentes de rugosidad para 250 perfiles correspondientes al enfriamiento de 25°C/ min. Fig. 18. Distribución de exponentes de rugosidad para 2750 perfiles correspondientes a 11 imágenes de MFA de la muestra enfriada a 1°C/min. Fig. 20. Distribución de exponentes de rugosidad para 250 perfiles correspondientes al enfriamiento en N2 liquido. es considerablemente más bajo que otros que se han reportado para el análisis de perfiles sintéticos o superficies naturales, 15 lo cual permite que subsecuentemente se empleen menores cantidades de perfiles o tamaños de muestra. En las figuras 15-17, el carácter autoafín se mantiene en todo el intervalo de escalas analizado, no se detecta la longitud de correlación. Los valores de ζ encontrados son claramente independientes de las condiciones de enfriamiento, por lo que puede decirse 30 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Propiedades de escalamiento de las superficies.../ Moisés Hinojosa Rivera, et al que la presencia o ausencia de esferulitas no tiene un efecto significativo sobre el exponente de rugosidad de las superficies resultantes. Esto coincide con las observaciones reportadas para una diversidad de materiales fracturados en condiciones cinéticas similares, sin embargo el valor del exponente de rugosidad es sin duda considerablemente superior al llamado valor universal de 0.78-0.80. Una posible causa de esta diferencia puede estar asociada a los mecanismos particulares de fractura en los polímeros, que en general no se presentan para materiales metálicos o cerámicos a temperaturas comunes. Recordemos que en los polímeros la energía puede disiparse por diferentes procesos como el flujo por corte, desgarre (crazing) y propagación de grietas, todo lo cual implica la deformación viscoelástica de la cadenas poliméricas, fibrilación y finalmente la creación de nuevas superficies. Es posible, por lo tanto, que la combinación de estos efectos resulte en desviaciones del comportamiento observado en metales y cerámicos. Aunque se ha reportado que el exponente de rugosidad muestra un valor alrededor del propuesto como universal de 0.78 a 0.8, en materiales de distinta composición y morfología microestructural tales como vidrios,8,9 aleaciones metálicas10,11 y, más recientemente, polímeros, 15 los resultados combinados de nuestros experimentos y los reportados por Guerrero et al. para polipropileno y poliestireno muestran desviaciones considerables respecto del valor universal y son diferentes entre sí. Las principales diferencias entre las muestras de los polímeros analizados en estos trabajos, además de la composición química, son el tipo de preparación de la muestra, morfología y sección transversal (tabla II). Como puede apreciarse, es difícil concluir acerca de las causas de las diferencias en el exponente de rugosidad, se necesitan más experimentos para dilucidar esta cuestión. CONCLUSIONES Se prepararon especímenes de poliamida 6 100% amorfos así como parcialmente cristalinos, en este último caso el tamaño esferulítico depende de la rapidez de enfriamiento, con valores de 19 µm para 25°C/min y 40 µ para 1°C/min. El análisis fractográfico no mostró diferencias entre las muestras con diferente tratamiento térmico, se observó un aspecto en general frágil mientras que en alta magnificación se aprecia deformación plástica localizada. Las superficies generadas por flexión en tres puntos son claramente autoafines en el intervalo de escalas de nanómetros hasta cerca de 100 µm, presentan exponentes de rugosidad con valores entre 0.84 y 0.87 independientemente del tratamiento térmico y la morfología, estos valores son significativamente mayores que el valor llamado universal de 0.78 reportado para metales y cerámicos fracturados en condiciones cinéticas similares. Esta diferencia se explica por los mecanismos particulares de fractura en polímeros. Adicionalmente, la composición química, preparación de las muestras y las diferentes secciones transversales de área pueden explicar las diferencias respecto a los valores reportados en otros trabajos, es necesario realizar más experimentos para elucidar el origen de estas diferencias. Tabla II. Diferencias en exponentes de rugosidad, preparación de muestras y morfología entre los experimentos reportados en este trabajo y los publicados en.15 Polímero Preparación de muestras Morfología Geometría de sección transversal ζ±σ PS Extrusión, enfriamiento rápido Amorfo Circular, 1 mm diámetro 0.77 ± 0.09 i-PP Extrusión, enfriamiento rápido Semi cristalino Circular, 1 mm diámetro 0.71 ± 0.07 Poliamida 6 Prensado en caliente, enfriada a 1 °C/min Semi cristalino Rectangular 5 X 1 mm 0.84 ±0.02 Poliamida 6 Prensado en caliente, enfriada a 25 °C/min Semi cristalino Rectangular 5 X 1 mm 0.87 ± 0.02 Poliamida 6 Prensado en caliente, enfriada en N2 líquido Semi cristalino Rectangular 5 X 1 mm 0.87 ± 0.02 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 31 �Propiedades de escalamiento de las superficies.../ Moisés Hinojosa Rivera, et al No se detectó la longitud de correlación para el intervalo de escalas analizado, se recomienda extender dicho intervalo hacia valores mayores empleando otras técnicas topométricas. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue apoyado por el CONACYT (Proyecto 38873-U), se agradece la ayuda de R. Garza, F. Garza, L. M. Martínez, J. Aguilar y C. Guerrero. REFERENCIAS 1. Mandelbrot B.B., Passoja D.E., Paullay A., J. Nature 1984;308:721-722. 2. Bouchaud E., J. Phys.: Condens. Matter 1997;9:4319-4344 3. Balankin A. Eng. Fracture Mech. 1997; 57(2/3): 135-203 4. Pande C.S., Richards L.R., Lovat N., Dempey B.D., Schwoeble AJ. Acta Metall. 1987;35(7):1633-637. 5. Bouchaud E., J. Phys.: Condens. Matter 1997;9:4319 6. Hinojosa M., Bouchaud E., Nghiem B. In: Beltz G.E., Blumberg R.L., Kim K.S., Marder M.P., editors. Fracture and ductile vs. brittle behavior – theory, modeling and experiment. Mat. Res. Soc. Proc., Vol. 539. Pennsylvania: Materials Research Society; 1999. pp. 203–208 7. Reyes E., Guerrero C., González V., Hinojosa M. in Robertson I.M., Lassila D.H., Devincre B., Phillips R., editors. Multiscale Phenomena in Materials-Experiments and Modeling, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 578, Pennsylvania: Materials Research Society, 2000, pp 357-361. 8. Garza F., Hinojosa M. and Chávez L. Self –affine Properties on Fracture Surfaces of Ionic Exchanged Glass, Emergent Nature, Proceedings of the International Conference Fractal 2002, World Scientific 2002, p. 23. 9. Hinojosa M. and Chávez L., The Glass Researcher 2000;9:23 10. Hinojosa M. and Aldaco J., J. Mat. Res. 2002;17:2002 11. Hinojosa M., Aldaco J., Ortiz U. And González V. Alum. Trans. 2000;3:53 32 12. Hinojosa M., Aldaco J., Ortiz U. and González J.A., “Microstructure and Fracture Surface Correlation Length”, Euromat 2000, pp. 14691474 13. Daugier P., Henaux S., Bouchaud E. and Creuzet R.F., Phys. Rev. E. 1996;53:5637- 5642 14. J. Schmittbuhl, S. Roux, Vilotte J.P. and Maloy K.J. Phys. Rev. Lett. 1995;74:1787 15. Reyes E., Guerrero C. and González V. Polymer 2002;43:6683-6693 16. Wu Li X., Tian J., Kang Y., and Wang Z. Scripta Metallurgica et Materialia 1995;33(5):803-809 17. De Arcangelis L., Redner S., Herrmann H. J, J. of Phys. Lett. 1985; 46 :585-590 18. Bouchaud J-P., Bouchaud E. Phys. Rev. Lett. 1993;71:2240 19. Ertas D. & Kardar M. Phys. Rev. Lett. 1992;79:929 20. Lauritzen, J. I.; Joffman, J. D. J. Appl. Phys. 1973;44:4340. 21. Fatou J.G. Encyclopedia of Polymer Science and Engineering. Supplement Volume on Crystallization Kinetic, 2nd ed. J. Wiley and Sons Inc.: New York, 1989, p213 22. Phillips P.J. Rep. Prog. Phys. 1990;53:549 23. Di Lorenzo M.L., and Silvestre C. Prog. Polym. Sci. 1999;24:917 24. Brandrup J. and Immergut E.H. Polymer Handbook Ed. John Willey and Sons. USA (1989), p. V/113 25. González V., Chacon O., Hinojosa M. and Guerrero C. Fractals 2002;10(3):373 26. Schmittbuhl J., Vilotte JP. and Roux S. Phys. Rev. E. 1995;51:131 27. Hull D., Fractography, Cambridge University Press, 1999, pp. 242-243 28. S. H. Petrie, “Crazing and Fracture”, in Engineered Materials Handbook, Vol. 2 “Engineering Plastics”, pp. 734-740, ASM International, Metals Park, O.H, 1987. 29. So P.K., “Fractograhy”, en Engineered Materials Handbook, Vol. 2 “Engineering Plastics”, pp. 805-810, ASM International, Metals Park, O.H., 1987. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Diseño a partir del precio Gabriel Zaid Artículo publicado con autorización del autor. Partir del precio exige rediseñar el producto, los métodos de producción, los sistemas de ventas y financiamiento, todo el concepto del negocio. Esta audacia creadora no es común. Lo más común es evitar las guerras de precios y, por el contrario, buscar apoyos tecnológicos, publicitarios o políticos para subir los precios. Henry Ford pasó a la historia como el inventor de la producción en serie, pero su gran aportación, como señaló Peter Drucker, fue empresarial: desarrolló una oportunidad que nadie había visto en los mercados de menores ingresos. Hacia 1900, había miles de constructores de automóviles. El automóvil era un lujo para salir al campo (de ahí su primer nombre, touring car). Se encargaba a un diseñador, como se encarga un yate a un astillero o una casa de campo a un arquitecto. El concepto revolucionario de Ford fue vender automóviles tan baratos que sus propios obreros pudiesen comprarlos. Un obrero que ganaba dos dólares diarios no podía ni soñar en un lujo que costaba miles de dólares. Pero, ya en 1917, Ford pagaba a sus obreros un mínimo de cinco dólares diarios y vendía los automóviles en 360 dólares: 72 días de salario mínimo (“My life and work”, 1923, pp. 126, 145). El punto de partida fue el precio: tenía que ser muy bajo. Como esto es imposible en la construcción de automóviles diseñados uno por uno, el cambio de concepto fue radical: pasar del ramo de la construcción a la industria manufacturera; bajar el costo, reduciendo la mano de obra al mínimo, estandarizando las partes y suprimiendo lujos y variantes; armar la unidad en serie y preparar la recepción del mercado, al cual se le ofrecía el famoso Modelo T “en cualquier color, siempre que sea negro”. Los constructores de automóviles partían del diseño, calculaban los costos y fijaban el precio. Ford procedió al revés: partió del precio, de ahí derivó los costos necesarios y finalmente el diseño. Primero vemos “lo que el mayor número de personas puede o quiere pagar” y luego vemos cómo bajar los costos hasta lograr ese precio. “La reducción del precio es lo primero”: en 1910, estábamos en 19 mil automóviles a Henry Ford. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 33 �Diseño a partir del precio / Gabriel Zaid 950 dólares; en 1917, vendimos 785 mil a 360” (pp. 145-146). Así, las ventas anuales pasaron de 18 a 283 millones de dólares en siete años, y Ford se volvió el hombre más rico del mundo. Partir del precio exige rediseñar el producto, los métodos de producción, los sistemas de ventas y financiamiento, todo el concepto del negocio. Esta audacia creadora no es común. Lo más común es evitar las guerras de precios y, por el contrario, buscar apoyos tecnológicos, publicitarios o políticos para subir los precios. O pensar en el cliente de menores ingresos como la niña rica de Mafalda, cuando le preguntaron cómo vivían los pobres: En una mansión pobre, con limosina pobre y chofer pobre. Ofrecer lo mismo, pero pobretón, no es suficiente. Hay que desarrollar una oferta pensada para los mercados de menor poder adquisitivo, tomando en cuenta sus necesidades, preferencias y capacidad de pago. Los aparatos modernos suponen redes de energía eléctrica. ¿Cómo venderlos en comunidades marginadas? Recientemente, un empresario surafricano ha vendido millones de aparatos de radio baratísimos, que no requieren ni gastar en pilas: trabajan con cuerda (www.freeplaygroup.com). Se benefició, de paso, con el mercado rico que rechaza las pilas (porque el mercurio es contaminante) y vendiendo la patente a Coleman y Motorola para que produzcan lámparas de mano y teléfonos que trabajan con cuerda. Una máquina de coser no puede trabajar con cuerda, pero sí con pedal. Rediseñar este viejo invento para que sea barato, ligero, desarmable para empacarlo en una caja compacta, obvio de armar y de operar, a prueba de malos tratos y transparente para que, en dado caso, un mecánico de pueblo lo pueda reparar, no parece imposible. Falta el empresario. También para bicicletas de 34 Pedal power en acción. montaña transformadas en bicicletas campesinas y aprovechables (estacionadas) como hacen los afiladores: como motores de pedal para herramientas, molinos, bombas, generadores (ejemplos en www. pedalpower.org y en “Pedal power” de James McCullagh, de venta en Amazon). Igual para los servicios bancarios, telefónicos, de salud, educativos; tomando en cuenta que diseñar servicios de precio bajo exige automatizarlos con personal de bajos ingresos. En salud, por ejemplo: enfermeras locales y médicos consultables por internet, en la escuela rural. Muchísimas consultas son rutinarias y pueden estar ya contestadas en una base de datos, igual que muchísimos diagnósticos, a partir de cuestionarios. Una enfermera partera entrenada y comunicada puede mejorar la salud local a un costo muy bajo, vivir de eso y volverse una persona importante en la comunidad. Abundan las oportunidades para una oferta creadora, diseñada a partir de la capacidad de pago. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Comparando métodos heurísticos para secuenciar tareas en líneas de flujo Mireya L. Valenzuela Luna Departamento de Ingeniería de Sistemas, Instituto Tecnológico de Tepic mireyalisset@yahoo.com.mx Roger Z. Ríos Mercado División de Posgrado en Ingeniería de Sistemas, FIME, UANL roger@uanl.mx RESUMEN En este artículo se presenta un estudio computacional de una serie de métodos para encontrar secuencias de n tareas en un ambiente de líneas de ensamblado o flujo (Flow Shop) de m máquinas con el objetivo de minimizar el tiempo en el cual todas las tareas terminan de ser procesadas en el sistema. Este es un problema derivado del área de secuenciamiento en sistemas de manufactura, de los clasificados como difíciles de resolver. La evidencia computacional muestra que el Método Modificado de Palmer encuentra las mejores secuencias para el caso general de m máquinas (m>3). PALABRAS CLAVE: Investigación de operaciones, sistemas de manufactura, problema de secuenciamiento, línea de flujo, minimización de tiempo de terminación, heurística ABSTRACT In this article a computational study of several methods for solving the mmachine flow shop with makespan minimization objective is presented. Such problem arises from manufacturing systems, and it is regarded as difficult to solve. The empirical evidence shows that the Modified Palmer Sequence method finds solutions of better quality for the general m-machine case (m>3). KEYWORDS: Operations research, manufacturing systems, scheduling problem, flow shop, makespan minimization, heuristics INTRODUCCIÓN La ciencia de la toma de decisiones, mejor conocida como Investigación de Operaciones (IO),2 nació hace más de 50 años por motivos de carácter militar, en la segunda guerra mundial, cuando George Dantzig inventó el método simplex para resolver problemas de optimización lineal. La IO se utiliza en todos los niveles y en todo tipo de industrias. En éstas se busca solucionar problemas donde se tome la mejor decisión sujeta a las restricciones tecnológicas existentes Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 35 �Comparando métodos heurísticos para secuenciar .../ Miryea L. Valenzuela Luna, et al que reditúe en beneficios económicos mediante el uso de modelos matemáticos, que sirven para obtener una representación abstracta del problema a resolver, y computadoras, que ayudan a desarrollar e implementar las técnicas de solución. Uno de los problemas que se presentan de forma natural en algunas empresas es el de líneas de flujo en sistemas de manufactura. El problema consiste en cómo secuenciar las operaciones en las máquinas de la forma más eficiente posible. Si no se hace inteligentemente, esto puede representar un costo de oportunidad (pérdida económica) para la empresa. Por lo tanto, es importante encontrar el orden en el cual se deben de procesar todas las tareas en todas las máquinas con el fin de reducir al mínimo el tiempo de terminación. Una excelente referencia sobre problemas de secuenciamiento es el texto de Pinedo.3 El objetivo de este estudio es evaluar computacionalmente algunas de las técnicas de solución que se usan para resolver este problema de secuenciamiento en líneas de flujo e ilustrar que hay técnicas de solución más efectivas que otras, las cuales deben tomar en cuenta la estructura matemática del problema. En primera instancia se presenta una descripción detallada del problema de líneas de flujo y posteriormente se presentan algunas técnicas populares de solución como es el caso de la regla de Johnson, la cual encuentra la solución exacta en problemas con 2 máquinas, y dos heurísticas para problemas de m máquinas. Finalmente, se lleva a cabo una evaluación computacional de las técnicas estudiadas aplicándolas en la solución de varias instancias del problema. Al evaluar empíricamente el comportamiento de cada heurística mediante un análisis comparativo, se observó que una de las heurísticas (MPS) resultó más efectiva que la otra (CDS) en relación a la calidad de las soluciones encontradas. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA El problema de línea de flujo considerado consiste en un conjunto de n tareas que deben ser procesadas a través de un conjunto de m máquinas cada una. Cada tarea tiene el mismo ruteo a través de las máquinas. 36 Es decir, cada tarea debe procesarse primero en la máquina 1, luego en la 2 y así sucesivamente hasta las m máquinas. El tiempo de procesamiento de la tarea j en la máquina i se denota por Pij. Una máquina no puede procesar más de una tarea a la vez. El objetivo es encontrar una secuencia de tareas que minimice el tiempo en el que termina de ser procesada la última tarea en el sistema, o, equivalentemente, en la última máquina. A este tiempo de terminación se le conoce como makespan. Es un problema de optimización combinatoria ya que el número total de secuencias posibles es n!, las cuales resultan imposibles de enumerar para valores de n relativamente grande. La figura 1 muestra una secuencia de tres tareas S=(1,2,3) que se procesan en cada una de las tres máquinas. Por ejemplo, la tarea 1, ocupa 5 unidades de tiempo en la máquina 1, posteriormente pasa a la máquina 2 donde ocupa 4 unidades de tiempo, para finalmente pasar a la máquina 3 donde usa 2 unidades de tiempo terminando al tiempo 11. En este ejemplo, el makespan para la secuencia mostrada es 21. Fig. 1. Ejemplo de una secuencia de 3 tareas en una línea de flujo de 3 máquinas. Este problema, como muchos otros en el campo de secuenciamiento de sistemas de manufactura es sumamente difícil de resolver ya que está clasificado técnicamente como NP-completo. Esto significa que cualquier algoritmo de solución emplea un tiempo de ejecución que aumenta, en el peor de los casos, exponencialmente con el tamaño del problema. Esto no significa que el problema no se pueda resolver, sino que uno debe de proponer algoritmos de solución que exploten favorablemente la estructura Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Comparando métodos heurísticos para secuenciar .../ Miryea L. Valenzuela Luna, et al matemática del problema para que sean capaces de resolver la mayoría de las instancias del problema en tiempos de ejecución relativamente pequeños. La otra alternativa es recurrir a heurísticas, las cuales son procedimientos que encuentran soluciones aproximadas en tiempos de ejecución relativamente razonables, lo cual constituye el enfoque de este trabajo. Véase4,5 para una descripción más detallada del problema. MÉTODOS DE SOLUCIÓN Caso de 2 Máquinas El caso especial de este problema donde se consideran dos máquinas ha sido resuelto por Johnson. 3 La regla de Johnson consiste en un algoritmo exacto, que da la secuencia óptima para el problema de 2 máquinas con n tareas. El algoritmo consiste primeramente en la división de los trabajos en dos conjuntos. El conjunto 1 contiene todas las tareas donde P1j<P2j y el conjunto 2 tiene todas las tareas con P1j>P2j. Las tareas donde P1j=P2j pueden ir en cualquiera de los dos conjuntos. Posteriormente, las tareas en el conjunto 1 se ordenan de forma creciente de P1j (regla SPT, shortest processing time), y las tareas del conjunto 2 van en orden decreciente de P2j (regla LPT, largest processing time). La unión de estas dos subsecuencias (las del conjunto 1 más las del conjunto 2) proporciona la secuencia óptima al problema. Caso de m Máquinas Como es bien conocido en el área, cuando el problema es mayor o igual a 3 máquinas, no existe ninguna regla simple que proporcione una solución óptima al problema. En este trabajo estudiamos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 un par de métodos heurísticos que, de alguna forma, intentan transformar el problema a uno de 2 máquinas para usar posteriormente la regla de Johnson y encontrar soluciones de buena calidad. En esencia, una heurística es un procedimiento que no garantiza obtener la solución óptima global del problema, sin embargo, si se hace de forma inteligente, es capaz de encontrar buenas soluciones en tiempos razonablemente pequeños. Método CDS El método CDS (propuesto por Campbell, Dudek y Smith)1 consiste de dos etapas. Primero, se transforma el problema original en uno de dos máquinas mediante una partición de las máquinas en dos conjuntos. En el primer conjunto se agrupan las primeras q máquinas {1, 2, ..., q} y en el otro las restantes {q+1, ..., m}. Luego, se calculan los tiempos de procesamiento Qij (de la tarea j en la máquina i) del problema transformado (de 2 máquinas) de acuerdo a esta partición para cada tarea j de la siguiente forma: y Una vez que se tiene la transformación se emplea el algoritmo de Johnson para dos máquinas obteniendo una secuencia de tareas. Nótese que en el algoritmo CDS original, se generan m-1 problemas de 2 máquinas (uno por cada valor de q, q=1, ..., m-1) y se toma como solución la mejor de las m-1 secuencias. En nuestra implementación nos limitamos a generar solo una, tomando q = m/2. Método MPS La heurística MPS (Modified Palmer Sequence) propuesto por Hundal y Rajgopal,1 intenta también reducir el problema a una de dos máquinas para posteriormente utilizar la regla de Johnson para obtener una secuencia. Sin embargo, a diferencia del método anterior, los tiempos de procesamiento Sij del problema reducido para cada j se calculan así: 37 �Comparando métodos heurísticos para secuenciar .../ Miryea L. Valenzuela Luna, et al La lógica en éste método es secuenciar las tareas de tal forma que las tareas que vayan de tiempos menores a mayores en la secuencia de operaciones se procesen más temprano. A este problema reducido se le aplica el algoritmo de Johnson para obtener la secuencia. EVALUACIÓN COMPUTACIONAL Los procedimientos fueron codificados en lenguaje C en una estación de trabajo Sun Ultra 10 con sistema operativo Solaris 7, usando la opción de compilación –o de Sun Forte v.6.0. Para llevar a cabo la evaluación de cada heurística se generaron 90 problemas con 2, 5 y 10 máquinas para 50, 100 y 500 tareas. Los Pij fueron generados mediante una distribución uniforme en [10,100]. Para cada posible combinación m x n se generaron 10 instancias. Cada una de las 90 instancias generadas fue intentada resolver por los tres métodos (Johnson, CDS, MPS). Además, para fines comparativos se utilizó también un método para generar secuencias totalmente aleatorio (MA). Las tablas I y II muestran los resultados de la comparación entre MA y CDS y entre CDS y MPS, respectivamente. En cada una de las celdas se muestra el porcentaje de veces que un método encontró mejores soluciones que el otro. Por ejemplo, el 100 en la celda 5×500 de la tabla I significa que CDS fue mejor que MA en el 100% de las instancias probadas de 5 máquinas y 500 tareas . Como puede apreciarse en la tabla I vemos que en casi todos los casos la heurística CDS mejoró en un 100% al MA lo cual era de esperarse. En la tabla Tabla I. Porcentaje (%) mejorado del método CDS en contraste con el método aleatorio. m/n 5 10 50 100 100 100 90 100 500 100 100 II vemos que la heurística MPS dominó totalmente a la CDS en las instancias probadas. En el caso de 2 máquinas, es evidente que el Algoritmo de Johnson resuelve óptimamente el 100% de las instancias probadas. La tabla III nos muestra el intervalo de optimalidad relativo entre MA y el Método de Johnson. Por ejemplo, en el caso de 100 tareas el MA aleatorio está a un 3.81% del óptimo del problema. Tabla III. Promedios de optimalidad relativa para problemas de 2 máquinas. n MA J 50 3.67 0.00 100 3.81 0.00 500 1.40 0.00 Ahora bien, en la tabla IV observamos los promedios del valor de la solución obtenida por cada método para los casos de 50, 100 y 500 tareas. Comparando estos valores, se observó una notable disminución en los valores reportados por la heurística CDS y mayor aún en la heurística MPS. En el caso de 5×50 las soluciones encontradas por el MPS fueron superiores en un rango de 5-32% relativo con respecto al CDS. De forma similar en Tabla IV. Promedio del tiempo de terminación. MA 5 3426.5 3231.9 2767.9 10 4001.6 3726.0 2685.5 38 50 100 100 100 100 100 500 100 100 MPS 100 Tareas m MA CDS MPS 5 6324.2 6040.2 5373.4 10 7167.3 6710.1 5468.1 Tabla II. Porcentaje (%) mejorado de la heurística MPS en contraste con el CDS. m/n 5 10 50 Tareas CDS m 500 Tareas m MA CDS MPS 5 29308.9 28488.9 27242.1 10 30435.6 29412.0 27304.6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Comparando métodos heurísticos para secuenciar .../ Miryea L. Valenzuela Luna, et al los casos 5×100 y 5×500, MPS fue superior sobre CDS con rangos de 2-33% y 1-8%, respectivamente. Para los casos de mayor tamaño (10 máquinas), la diferencia fue aún más dramática. MPS exhibió mejoras de 27-48%, 14-37% y 5-10%, en las instancias de 50, 100 y 500 tareas, respectivamente. A su vez, puede apreciarse que ambas fueron muy superiores al compararse con el MA. AGRADECIMIENTOS El trabajo de Mireya Lisset Valenzuela Luna fue apoyado por una beca del Programa de Verano de la Investigación Científica del Pacífico (DELFIN). También agradecemos a Conrado Borraz y José Luis Rivera, estudiantes de posgrado y licenciatura de la FIME, por sus sugerencias en la realización de este proyecto. CONCLUSIONES En este trabajo se ilustró la efectividad del Método de Johnson al resolver óptimamente instancias de 2 máquinas y de hasta 500 tareas en una fracción de segundos. Además, los resultados computacionales mostraron contundentemente que la heurística MPS fue mejor que la CDS para el problema general de línea de flujo de m máquinas. A su vez, ambos métodos (CDS y MPS) diseñados después de un estudio de la estructura del problema, resultaron mejores que uno de los que ignoran a la misma, en este caso el método aleatorio, por lo que tenemos múltiples alternativas en las que se puede elegir la que mayores beneficios reditúe y así encontrar secuencias de buena calidad. La implicación práctica del presente trabajo es que la heurística CDS puede usarse para obtener secuencias de buena calidad que pueden recomendarse en el sistema de manufactura estudiado. REFERENCIAS 1. T. S. Hundal y J. Rajgopal. An extension of Palmer´s heuristic for the flow shop scheduling problem International Journal of Production Research, 26(6): 1119-1124,1988. 2. K. Mathur y D. Solow. Investigación de Operaciones: El arte de la toma de decisiones. Prentice-Hall, México,1996. 3. M. Pinedo. Scheduling: Theory, Algorithms, and Systems. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, EUA, 1995. 4. R. Z. Ríos Mercado y J. F. Bard. Heurísticas para secuenciamiento de tareas en líneas de flujo. Ciencia UANL, 3(4):420-427, 2000. 5. R. Z. Ríos Mercado y J. F. Bard. Secuenciando óptimamente líneas de flujo en sistemas de manufactura. Ciencia UANL, 4(1):48-54, 2001. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 39 �Un criterio más allá de la simple aritmética en ciencia y tecnología Marco Antonio Martínez Negrete Departamento de Física, Facultad de Ciencias, UNAM martinez@servidor.unam.mx RESUMEN A través de 5 tesis se describe un modelo sencillo para la educación masiva de científicos, el cual se basa en proveer el apoyo científico-técnico necesario para la resolución de problemas sociales relevantes. Un elemento esencial del modelo es la noción de “masa crítica”, definida en tres niveles mutuamente interactuantes de intervención: el científico, el técnico y el tecnológico. Del modelo se puede derivar un método aproximado para el cálculo de la razón de científicos por cada mil habitantes que el país requiere para la solución de algún problema socialmente relevante, e incluso el presupuesto necesario para ello. PALABRAS CLAVE: Ciencia, tecnología, políticas, educación, masa crítica. ABSTRACT Through 5 theses a simple model for the massive education of scientists is described, which is based on providing the necessary scientific-technical support for the resolution of high-priority social problems. An essential element of the model is the notion of “critical mass”, which is defined in three mutually interacting levels of intervention: the scientific, the technical and the technological one. From this model it can be derived an approximate method for the calculation of the proportion of scientists per each thousand inhabitants that the country requires for the solution of some social critical problems, and even the necessary budget for it. KEYWORDS: Science, technology, policies, education, critical mass. INTRODUCCIÓN En aras de la brevedad el contenido del escrito se desarrolla en varias tesis, seguidas de explicaciones y comentarios. De este modo se pretende concisión y una manera económica de llegar a las aplicaciones concretas, así como a la crítica general y puntal de lo aquí expuesto. Así mismo es conveniente dar las definiciones de los términos que se emplearán en la exposición de las tesis. Los conceptos de ciencia e investigación se referirán a la física y se podrán utilizar como sinónimos, en la mayoría de las 40 Artículo publicado en el Boletín de la Sociedad Mexicana de Física, No. 1, Vol. 18, Ene-Mar 2004. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Un criterio más allá de la simple aritmética en ciencia y tecnología/ Marco Antonio Martínez Negrete ocasiones. La ciencia (la investigación) se genera por la búsqueda de solución a dos tipos de problemas: A) Cuestiones surgidas del comportamiento fundamental (físico), de la naturaleza. B) Los asociados con la aplicación de la ciencia. En el primer caso se suele hablar de ciencia básica o fundamental, en tanto que en el segundo se trata de ciencia aplicada o también ciencia dirigida a la aplicación. Las diferencias no son absolutas, por cuanto que en la ciencia básica se producen conocimientos científicos que son en una sociedad dada potencialmente aplicables (ciencia potencialmente aplicable), mientras que en otra pueden no serlo. Y, por otra parte, al resolver problemas que requieren de la aplicación de la ciencia se suelen suscitar preguntas sobre el comportamiento fundamental de la materia. De lo anterior se desprende que hay una estrecha interrelación entre tres aspectos o momentos de la ciencia: ciencia básica, ciencia aplicable y ciencia aplicada. Si la sociedad es tal que la ciencia llega a su aplicación, lo hará gracias al desarrollo de técnicas (instrumentos o procedimientos) derivados de ella. El o los complejos resultantes de la aplicación de las técnicas en la sociedad, en que ésta se modifica por aquellas y viceversa, se llama complejo tecnológico (como cuando se habla de una cierta tecnología de transportes, de comunicación, agrícola, etc.). TESIS 1: EL DESARROLLO CIENTÍFICO ES NECESARIO PARA EL DESARROLLO ECONÓMICO DE UN PAÍS Es necesario, pero no suficiente. Hay un camino largo por recorrer de la ciencia a sus aplicaciones sociales, ya como técnicas que son parte de un desarrollo tecnológico. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 En México es conocida y criticada la desconexión entre las instituciones de investigación en física, las industrias y en general las empresas productivas de toda índole, a pesar del reconocimiento que se hace a la aportación a la cultura y a la educación científicas nacionales. Sin embargo, algunas excepciones a la desconexión entre física e industria confirman la regla, mostrando que nuestro país cuenta con un capital científico incipiente pero invaluable. Tales excepciones no existían hace una década, por lo que se sospecha que con una política científica y tecnológica adecuada sea posible generar masivamente técnicas de aplicación interna y de exportación (como hacen en los países avanzados y que países como Japón y Corea del Sur han conseguido también hacer en unos 20-25 años).1 Las críticas mencionan que, en el mejor de los casos, cuando la ciencia que aquí se hace es de calidad internacional, ella será potencial o realmente aplicada en los países altamente industrializados, en donde hay una conexión más estructurada entre la ciencia y sus aplicaciones sociales. Se trata de una ciencia que sería aplicable en México, si cambiaran las condiciones actuales de la interrelación entre nuestra ciencia y la sociedad, por ejemplo mediante una política de ciencia y tecnología especialmente orientada a ello. TESIS 2: LA RAZÓN DE CIENTÍFICOS POR CADA MIL HABITANTES (R) ES CONSECUENCIA DE LA CANTIDAD DE ELLOS DEDICADOS AL APOYO CIENTÍFICO-TÉCNICO EN LA SOLUCIÓN DE LOS PROBLEMAS SOCIALMENTE RELEVANTES DEL PAÍS La solución de un problema socialmente relevante (por ejemplo el tránsito de los energéticos agotables y contaminantes a los energéticos inagotables y poco contaminantes) no es de la total competencia de los científicos, pero sí la investigación que sirve de apoyo científico-técnico a su solución. Cada problema requiere de la investigación en varios temas; el conocimiento en cada tema puede estar disponible como consecuencia de investigaciones básicas y/o aplicables anteriores, o es necesario generarlo dirigidamente. La naturaleza del problema (relevancia social) demanda que la investigación sea teórica y experimental. Las 41 �Un criterio más allá de la simple aritmética en ciencia y tecnología/ Marco Antonio Martínez Negrete organizaciones que pueden atender las temáticas en México están en las instituciones de educación superior e investigación científica (universidades, politécnicos, tecnológicos), centros tecnológicos gubernamentales, institutos de investigación y desarrollo tecnológico asociados a empresas gubernamentales y privadas. Otras instituciones de investigación y desarrollo habrá que crearlas exprofeso. La cantidad de científicos dedicados a cada temática depende de la cantidad de instituciones donde ella se trabaja, si se la realiza teórica y/o experimentalmente, si se la lleva a la elaboración de dispositivos técnicos, si se continúa la cadena hasta el nivel de planta piloto y si, finalmente, se aplica socialmente desarrollando para ello previamente la producción fabril. La cantidad de científicos variará asimismo si en el camino se tiene contemplada la formación de nuevos científicos, en diferentes niveles de escolaridad (licenciaturas, maestrías o doctorados). La cantidad mínima de científicos se determinará por la construcción de ciertas masas críticas, que se explicarán más adelante. Mientras no exista una política científica y tecnológica estructurada para la resolución de problemas sociales relevantes, la cantidad R será relativamente arbitraria y poco significativa. La R actual parece haberse conformado históricamente para preservar la capacidad de investigación en ciertos temas, predominando de manera general en sus orígenes la investigación teórica sobre la experimental, si bien estadísticas recientes muestran una relación inversa en la cantidad de investigadores de uno u otro tipo.2 No obstante lo anterior, la desconexión con las aplicaciones sociales es la responsable principal de que la 42 mayoría de los laboratorios científicos resuelvan sus necesidades de experimentación a través de la importación de equipos. Asimismo, la investigación teórica y experimental sigue dependiendo en la renovación de sus temáticas de las prácticas científicas exteriores, fundamentalmente de los países muy industrializados. TESIS 3: SOLO PUEDE APOYARSE CIENTÍFICOTÉCNICAMENTE LA SOLUCIÓN DE UN PROBLEMA SOCIAL RELEVANTE SI SE CUENTA CON MASAS CRÍTICAS EN TRES NIVELES MUTUAMENTE INTERACTUANTES: CIENTÍFICO, TÉCNICO Y TECNOLÓGICO El concepto de masa crítica se toma de la física nuclear, y es indispensable para cualquier proceso auto sostenible. Se refiere a la cantidad mínima de material fisionable capaz de generar una reacción en cadena. Así: Definición 1: masa crítica científica (mc) Es el conjunto mínimo de personas, equipos y organizaciones capaces de plantearse y generar más problemas y sus soluciones, así como científicos adicionales conectados con cuestiones científicas originalmente asociadas a la solución de un problema socialmente relevante. En ocasiones la mc en física teórica puede consistir de una sola persona, sentada en un escritorio provista solamente de papel y lápiz, quizá con una biblioteca al lado; el ejemplo de Dirac es paradigmático.3 Pero tal es difícilmente el caso cuando se trata de resolver problemas que continuamente se presentan y demandan solución, asociadas a algún problema socialmente relevante. La situación es entonces más parecida al funcionamiento de un laboratorio en donde tanto científicos teóricos como experimentales trabajan en conjunto con la gente del taller de al lado, tratando de encontrar la solución a un problema científico generado por la prueba de una nueva teoría. Se sabe que entonces la solución a alguno de los problemas lleva a otros y así sucesivamente. Cuando la cadena no se interrumpe es porque el laboratorio cuenta con la mc en gente e infraestructura, y es capaz también de formar un número mayor de científicos al tiempo que más equipo novedoso se construye. (Este equipo puede eventualmente alcanzar la etapa Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Un criterio más allá de la simple aritmética en ciencia y tecnología/ Marco Antonio Martínez Negrete de aplicación industrial; pero esto es parte de otra historia).4 Ejemplo: Desarrollo de un grupo de investigación teórico-experimental en superconductividad, con posibles aplicaciones en el problema energético (almacenamiento de energía solar, transporte de baja fricción, etc.). Definición 2: masa crítica técnica (mt) Es el conjunto mínimo de personas, equipos y organizaciones capaz de resolver cualquier problema original o nuevo resultante del trabajo en alguna temática asociada a un problema socialmente relevante, que requiera una solución técnica por vía de equipos técnicos o procedimientos, y con capacidad de formación de más personal científica y técnicamente capacitado. Ejemplo: Diseño y construcción de un almacenador superconductor de corriente eléctrica solar. Definición 3: masa crítica tecnológica (mT) Es el conjunto mínimo de personas, equipos y organizaciones capaz de difundir y adaptar socialmente las técnicas de apoyo generadas alrededor de la solución efectiva de un problema socialmente relevante. Ejemplo: Generación de un programa exitoso para el desarrollo y adaptación generalizada de colectores de energía eléctrica solar mediante superconductores, fabricados nacionalmente. Las masas críticas mc, mt y mT se interrelacionan y realimentan unas con otras, en la unidad que es el proceso social que lleva de la ciencia básica o dirigida a sus aplicaciones sociales tecnológicas y a la inversa. Del desarrollo de prototipos, por ejemplo, emerge la necesidad de resolución de problemas básicos de física, que pueden enfrentarse exitosamente si se cuenta con las masas críticas del caso. La aplicación social de una cierta técnica bien puede demandar modificaciones que se remiten hasta la ciencia básica, o hasta el rediseño de los prototipos mismos, etc. Unas masas críticas demandan la existencia de las otras para completar el proceso tecnológico de aplicación; se trata ciertamente de una interacción realimentativa. Lo importante para un país consiste en que la realimentación entre las masas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 críticas se cierre en su interior, y no en el extranjero, como puede suceder si nada más se construyen las mc teóricas. Las cantidades mínimas de científicos y técnicos requeridos en el país, serán consecuencia de la construcción de las masas críticas asociadas al apoyo científico-técnico requerido en la solución de los problemas sociales relevantes. De aquí se determinan las R´s mínimas de cada categoría. Del análisis detallado de la construcción de cada masa crítica se pueden calcular las cantidades mínimas de inversión en personal, equipos y organización, correspondientes a cada temática científica, desde la etapa de investigación hasta su aplicación social tecnológica. T E S I S 4 : L A F O R M A C I Ó N M A S I VA D E CIENTÍFICOS SE PUEDE LOGRAR MEDIANTE LA INTERACCIÓN ENTRE TRES INSTANCIAS SOCIALES: LA GENTE (ORGANIZADA O NO EN INSTITUCIONES) PARA QUIEN EL PROBLEMA ES SOCIALMENTE RELEVANTE; CENTROS LOCALES Y REGIONALES DE TECNOLOGÍA; INSTITUCIONES ACADÉMICAS DE EDUCACIÓN E INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Los centros locales y regionales de tecnología pueden ubicarse en empresas gubernamentales y/o privadas, en pueblos, ciudades o en el campo. Se trata de instituciones en que colaboran científicos, técnicos e inventores de la academia y de la localidad o región en donde se ubica el problema relevante. De esta manera algunas asignaturas y los planes de estudio mismos de las instituciones educativas regionales son formulados tomando en cuenta 43 �Un criterio más allá de la simple aritmética en ciencia y tecnología/ Marco Antonio Martínez Negrete las temáticas de investigación conectadas con la solución del problema o problemas. En estos centros se generan las soluciones técnicas, se plantean los productos en planta piloto y se construye la conexión con las industrias dirigidas a la fabricación en serie. La elaboración de tesis de licenciatura, por poner un ejemplo, puede realizarse en las empresas, teniendo validez curricular en la institución educativa. Los estudiantes podrán dedicarse a la investigación sobre temas relevantes desde los inicios de las carreras, pudiendo continuar más intensamente en los niveles superiores, si su vocación se despierta hacia la investigación básica, o hacia la dirigida. La interacción entre las tres instancias es asimismo realimentativa. TESIS 5: LA FORMACIÓN MASIVA DE CIENTÍFICOS Y TÉCNICOS PARA EL APOYO A LA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS SOCIALES RELEVANTES REQUIERE DE UN PLAN NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA EXPROFESO, FORMULADO DEMOCRÁTICAMENTE Como la definición de lo que es problema socialmente relevante y la construcción de las masas críticas coadyuvantes a su solución son tareas colectivas, democráticas y necesariamente coordinadas, se desprende de suyo la necesidad de una coordinación nacional de las distintas instancias participantes. En este sentido es muy importante recalcar que un plan de ciencia y tecnología que exprofeso apunte a la solución de problemas científicos que redunden en el aumento del bienestar de la población y el ambiente, debe conformarse poniendo por delante la construcción de los instrumentos (las masas críticas) necesarios para ello. Por eso se requiere que los agentes actualmente involucrables en el inicio del proceso de construcción (científicos, técnicos, empresarios y usuarios en general) participen de una mística que proporcione para la acción decidida el compromiso con un modelo generado por consenso. Esto no es, al parecer, la situación contemplada en las nuevas leyes de ciencia y tecnología aprobadas en abril del año pasado por las legislaturas, a pesar de que los lineamientos de política que define 44 sean plausibles. Es decir, las nuevas leyes tienen fines acertados, pero los medios concebidos para alcanzarlos no parecen ser los convenientes. (Para una descripción y limitada crítica de las nuevas leyes, ver la referencia 5). Sin ser un aspecto menor de la coordinación nacional mencionada, la evaluación del trabajo científico-técnico tiene que cambiar de naturaleza. Es preciso que la evaluación sea concordante con el cumplimiento de los objetivos del nuevo plan de ciencia y tecnología, de modo que los medios se adecuen a los fines y viceversa. La evaluación que privilegia sin más la publicación en revistas, sobre todo las extranjeras, no necesariamente apunta en la dirección del apoyo a la solución científico-técnica de problemas socialmente relevantes de nuestro país y nuestra gente. Más bien pareciera que la “publicacionitis” realizada como un fin en sí misma, pone a trabajar a nuestros científicos y técnicos preponderantemente en el apoyo a la solución de problemas ajenos. Desde luego que habrán intersecciones científico-técnicas temáticas no vacías entre los problemas de fuera y los nuestros, pero si de ser efectivos se trata, lo mejor es trabajar explícita y directamente por lo que nos concierne. REFERENCIAS 1. P. F. Druker, La sociedad post capitalista, Editorial Apóstrofe, Buenos Aires (sin año). 2. M.A. Pérez Argón, G. Torres Vega, “Retos y perspectivas de la física en México”, en Diagnóstico de la física en México, Academia Mexicana de Ciencias, noviembre de 2002, págs. 61-68, México. 3. H. S. Kragh, Dirac. A scientific biography, Cambridge University Press, 1990. 4. V. Bush, “Ciencia, la frontera sin fin. Un informe al presidente, julio de 1945”, Redes, revista de estudios sociales de la ciencia, No. 14 (noviembre de 1999), págs. 89-137, Buenos Aires. 5. M. Puchet Anyul, P. Ruiz Nápoles, Nuevas leyes de ciencia y tecnología y orgánica del CONACYT, Porrúa y Facultad de Derecho UNAM, 2003, México. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Diseño de un termómetro para animales de trabajo José Rodolfo Martínez y Cárdenas rodolfomyc@hotmail.com Jaime Díaz Altamirano diaz_aj@engineer.com Fidel Diego Nava fdiego@ipn.mx CIIDIR-IPN Unidad Oaxaca, Horno 1003, 71230 Santa Cruz Xoxocotlán, Oax. Tel. y Fax 52-951-5170610 RESUMEN Para monitorear la temperatura corporal de animales de tiro mientras trabajan arrastrando un apero, lo cual, con otros parámetros, permite evaluar el desempeño de los mismos, se desarrolló un sistema inalámbrico de teletermometría. Dicho sistema está constituido por dos equipos: el primero contiene al sensor, un acondicionador de señal, un CAD, un microcontrolador y un transmisor de RF (radio frecuencia). En éste el sensor toma la temperatura de la oreja del animal, y entrega una señal eléctrica proporcional, la cual es digitalizada, procesada y transmitida vía RF. Un segundo equipo, que contiene, un receptor de RF, un microcontrolador, y una pantalla de cristal líquido (LCD), recibe y procesa la información enviada por el transmisor, para finalmente desplegar el dato en el LCD. PALABRAS CLAVE: Termómetro, telemetría, radiofrecuencia, microcontroladores, PIC´s. ABSTRACT In order to measure the animals body temperature during the ploughing, which along with other parameters allows to evaluate their performance, an inalambric telethermometry system was developed. This system is composed of two components: The first one contents a temperature sensor, a signal conditioner, an ADC, a microcontroller, and an RF transmitter. In this stage, the sensor measures the temperature on the animal’s outer ear pavilion, and delivers a proportional electric signal, which is digitalized, manipulated and sent via RF to the second section of the system. The second stage contains an RF receiver, a microcontroller, and a Liquid Crystal Display (LCD). In this section, the information sent by the RF transmitter is received and manipulated, and it’s finally displayed on the LCD module. KEYWORDS Thermometer, telemetry, radiofrecuency, microcontrollers, PIC´s . Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 45 �Diseño de un termómetro para animales de trabajo/ José Rodolfo Martínez y Cárdenas, et al INTRODUCCIÓN Uno de los sectores económicos de México que más necesitan de tecnologías propias, es la agricultura en los estados del sureste del país, en donde aún se aplican con éxito relativo los arados de madera de tracción animal, desarrollados por los egipcios en la antigüedad y los europeos durante la edad media, que no permiten un aprovechamiento máximo de la potencia de los animales de trabajo. La renovación de las técnicas de labranza de estos campesinos no significa que se deba planear la introducción de tractores y maquinaria pesada, pues la economía y orografía del estado no lo permiten; es por ello que en el CIIDIR-Oaxaca, se realizó el proyecto “Desarrollo y evaluación de un apero de tracción animal para labranza de conservación”, el cuál tiene como objetivos el mejoramiento de la técnica de labranza de los campesinos, para elevar la eficiencia de los animales de trabajo, y al mismo tiempo, permitir la conservación de la fertilidad y utilidad del suelo de siembra. Para tal efecto se necesitan evaluar las labranzas con el arado de madera y el apero diseñado, con el fin de comparar la respuesta de los animales de trabajo. En ambos casos se debe vigilar que el esfuerzo realizado por los animales de tiro al arrastrar el artefacto sea moderado, y no les provoque agotamiento excesivo o lesiones cardiovasculares. Para ello, se hacen necesarios el monitoreo y la vigilancia de las principales variables fisiológicas de los animales en plena actividad, tales como: ritmo cardiaco, ritmo respiratorio y temperatura corporal. Para lograr estas mediciones no se pueden emplear las técnicas convencionales utilizadas por los veterinarios, puesto que éstas exigen que el animal se encuentre estático. Tampoco se deben usar para mediciones continuas porque se puede alterar el comportamiento del animal. Pero no existe en el mercado nacional un instrumento adecuado a las necesidades que plantea la medición de dichas variables; en respuesta a esa falta de instrumentación, se diseñó un sistema de telemetría de temperatura. El prototipo diseñado tiene la finalidad de monitorear a distancia la temperatura corporal de animales de labranza, mientras éstos arrastran un apero. Estas mediciones, tienen la finalidad de indicar qué tan grande es el esfuerzo realizado por las bestias 46 al arrastrar determinado modelo de apero. Estos datos permitirán re-diseñar el apero, con el fin de buscar aquel que proporcione un mejor rendimiento. OBJETIVOS DEL PROYECTO Objetivo general Desarrollar un sistema automático que permita realizar mediciones a distancia y de manera inalámbrica, de la temperatura corporal de los animales de labranza mientras arrastran un apero, con el fin de registrar dichas mediciones para su uso posterior. Objetivos específicos Crear un instrumento de medición de temperatura, útil y de costo razonable. Realizar un sistema inalámbrico de transmisión de datos, para poder conocer a distancia la temperatura registrada por el instrumento de medición. Diseñar el sistema para que pueda ser adaptado para monitorear otras variables (ritmo cardiaco, ritmo respiratorio, etc.), usando como base el medidor de temperatura. MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS Los mamíferos son los vertebrados de organización más elevada. No obstante la variabilidad en su forma, organización y género de vida, que dan origen al establecimiento de grupos u órdenes muy distintos unos de otros, estos animales pueden caracterizarse por tres rasgos fundamentales: la piel revestida de pelos, la presencia de glándulas mamarias, y la constancia de la temperatura de su cuerpo. Un cambio en la temperatura cambia también el carácter de procesos biológicos más complejos. Esto hace que una temperatura relativamente constante sea una necesidad para el eficaz funcionamiento del complicado encéfalo de los animales superiores (aves y mamíferos) adultos. Durante la evolución, los animales superiores han desarrollado un dispositivo termorregulador que los capacita para mantener bajo condiciones ordinarias una temperatura orgánica interior constante, independientemente de la temperatura del ambiente. Estos animales, homeotermos o de sangre caliente, son capaces de llevar a cabo sus Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Diseño de un termómetro para animales de trabajo/ José Rodolfo Martínez y Cárdenas, et al Prototipos del transmisor y el receptor del sistema de medición de temperatura. actividades usuales bajo unos amplios límites de temperaturas externas, mientras que los animales poiquilotermos o de sangre fría, cuyas temperaturas varían directamente con las del ambiente, dependen totalmente de la temperatura externa. Los mamíferos muy jóvenes en los que la función integradora del encéfalo no se ha desarrollado todavía, muestran una gran tolerancia a los cambios de temperatura orgánica. Esto parece confirmar la idea de que es la complejidad de organización lo que hace necesaria la homeotermia. Muchas son las condiciones que pueden causar variaciones normales en la temperatura orgánica de los homeotermos; entre otras, están la edad, el sexo, la estación, la hora del día, la temperatura ambiente, el ejercicio, la ingestión de alimentos, la digestión y la bebida de agua. En el hombre y los animales existen gradientes de temperatura en la sangre, los tejidos y el recto; las temperaturas son más bajas hacia el exterior del cuerpo. También existen diferencias de temperatura de 10ºC o más entre el núcleo central y partes periféricas del cuerpo, como los miembros. En los animales se obtiene con facilidad un índice de la temperatura orgánica profunda por inserción de un termómetro en el recto. Aunque la temperatura rectal no representa siempre un promedio de la temperatura orgánica profunda, generalmente se considera mejor medir la temperatura en este sitio, que utilizar diversos puntos. La temperatura rectal en los animales domésticos más comunes se encuentra dentro de un reducido Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 intervalo que va desde los 37.5ºC hasta los 41ºC en promedio. Es evidente que sería muy poco práctico el tratar de tomar la temperatura rectal a un espécimen que se encuentra en plena actividad física, que es como estarán los animales que se deberán monitorear en este proyecto: el sensor no podría hacer un buen contacto con la mucosa rectal del animal, dando lecturas erróneas; además, el cuerpo extraño activaría un reflejo excretorio en el animal. Por otra parte, la temperatura no debe de tomarse sobre ningún músculo del animal durante la actividad física de éste, pues la temperatura del músculo tiene la tendencia a elevarse considerablemente, reduciéndose la fiabilidad de las mediciones obtenidas de este modo. La temperatura podría tomarse también de manera oral. El único inconveniente de hacerlo de este modo, es que sería muy difícil el mantener el sensor dentro del hocico del animal, sin que éste mastique los cables, escupa o trague el dispositivo. Es bien sabido que en la mayor parte de los mamíferos, las orejas, además de cumplir con la función auditiva, son un elemento de gran importancia en el mecanismo de control de temperatura corporal. Dicho en otras palabras, las orejas son una ventana a la temperatura corporal del animal, y por lo tanto, una buena opción para tomar las mediciones necesarias. Además, la medición de la temperatura en las orejas del animal, si bien no es tan precisa, es una alternativa a la medición de la temperatura rectal. Tomando esta idea, se determinó que el sensor se colocaría en una oreja del espécimen. En cuanto al sensor, se deberá utilizar uno de los llamados “sensores eléctricos”, es decir, que su funcionamiento se basa en las propiedades eléctricas de los materiales de que están hechos. La banda de temperaturas a medir en el proyecto está determinada por las temperaturas corporales de los animales de interés; el intervalo a medir es realmente estrecho, lo cuál hace adecuado el uso de un sensor basado en semiconductores. El más adecuado es el denominado sensor de circuito integrado: los sensores de circuitos integrados son muy lineales, ofrecen altos niveles de rendimiento, son relativamente económicos y bastante precisos en temperaturas cercanas a la temperatura ambiente, 47 �Diseño de un termómetro para animales de trabajo/ José Rodolfo Martínez y Cárdenas, et al aunque requieren de una fuente de alimentación. Por sus características, el sensor seleccionado fue el LM35D, ya que es fácil de adquirir en el mercado nacional. Este sensor entrega a su salida un voltaje proporcional a la temperatura que registra, a una razón de 10mV por cada Grado Celsius, teniendo por lo tanto una relación lineal entre voltaje y temperatura. La ecuación que describe el comportamiento del sensor respecto a la temperatura es: Vs = TC (10mV ) En donde Vs es la salida del sensor, en milivolts, y Tc es la temperatura en grados Celsius. El LM35D es capaz de medir temperaturas que van de los -55ºC, hasta los +150ºC, como un rango máximo de operación. Una de las mayores ventajas del LM35D, es que sus conexiones son extremadamente sencillas, y es muy versátil, pues puede ser configurado de distintas maneras. En este caso, como el intervalo de temperatura a medir es relativamente pequeño, se eligió una configuración sencilla: las terminales de alimentación y tierra se conectan a la fuente de manera directa, y la terminal de la salida de la señal, se conecta a tierra por medio de una resistencia tal que la corriente que circula por ella debido al voltaje de alimentación, sea de 50 microamperes. Cuando se trabaja con sensores, es muy común que la información que envía el sensor sea demasiado débil para manipularla en las siguientes etapas, por lo que se debe de acondicionar para ello. Para la implementación del acondicionamiento de señal, lo más adecuado es el uso de amplificadores operacionales (Circuitos integrados lineales), los cuales facilitan y hacen más efectivo el proceso de acondicionamiento; el diseño de circuitos con amplificadores operacionales presenta grandes bondades, pues permite obtener sistemas estables, con buena fidelidad a la salida, que consumen poca energía y ocupan poco espacio, además, no son difíciles de conseguir en el mercado, y su costo es bajo. Hay modelos de amplificadores operacionales que se han especializado y se les llama amplificadores de instrumentación. Éstos tienen básicamente las mismas características de los operacionales en general, pero son capaces de 48 detectar y manipular señales muy pequeñas. La única desventaja del uso de amplificadores operacionales en circuitos portátiles, es que éstos exigen el uso de más de una pila, o bien la construcción de un simetrizador de fuente. Para el acondicionamiento de la señal, fue elegido el amplificador operacional cuádruple TL064. Se sabe que el intervalo de temperaturas a medir va de 37.5ºC a 43ºC. A este rango se le debe agregar una tolerancia mínima y máxima. Dadas las características de la circuitería a utilizar (Microcontroladores con datos de 8 bits), es conveniente que el rango no rebase una variación de temperartura de 25.5ºC; es por esto que se decidió que la temperatura mínima manejable para el sistema fuera de 30.0ºC, y la máxima, de 55.5ºC, lo que deja un margen de tolerancia inferior de 7.5ºC, y un margen superior de 12.5ºC; de esto, se deduce que los voltajes máximo y mínimo que se manejarán serán: V30 º C = 30º C (10mV /º C ) = 300mV V55.5º C = 555 . º C (10mV /º C ) = 555mV ∆V = (55.5º C − 30º C )(10mV /º C ) = 25.5º C (10mV /º C ) = 255mV El convertidor Analógico-Digital, por su parte será ajustado para que a la entrada, un voltaje de cero volts corresponda a un valor de cero a la salida (00000000002), y para un valor igual al voltaje positivo de alimentación, dé un valor de 1023 (11111111112). Microcontroladores y electrónica digital El uso de señales digitales, permite el realizar procesos complejos con la información, en los cuáles se produce un mínimo de errores, y es por eso que en este caso se debe de digitalizar la señal acondicionada. Para lograrlo debe hacerse uso de un Convertidor Analógico Digital (ADC); los ADC más comunes, entregan a su salida números compuestos por 8 bits (un Byte), con lo cual dan un total de 256 estados posibles. Se usará el ADC interno del Circuito Integrado Programable (PIC) PIC16F874 de la marca Microchip, de esta manera, el PIC realizará dos funciones: digitalización y procesamiento de información, y el sistema se vuelve más compacto y menos propenso a errores. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Diseño de un termómetro para animales de trabajo/ José Rodolfo Martínez y Cárdenas, et al Prueba de campo del prototipo del termómetro. Dicho ADC empleará como voltajes de referencia los voltajes de alimentación del PIC (0-5 volts). Debe hacerse notar que este ADC entrega a la salida números de 10 bits; en el proyecto se utilizaron sólo los 8 bits menos significativos, por lo que la salida del acondicionador de señal correspondiente a 55.5ºC debe ser mucho menor a 5 volts. Los cálculos para dicho voltaje son: 5V xV = 1023 255 xV = 5V (255) = 12463343 . V 1023 Para que el sistema dé siempre lecturas correctas, la alimentación debe de estabilizarse con un regulador de voltaje, pues de otra forma, el voltaje de referencia superior sería inestable. Cuando el ADC ha realizado su función, el PIC16F874 inicia una transmisión serial de los 8 bits menos significativos del resultado obtenido. Para realizar la transmisión inalámbrica se usaron módulos de Radio Frecuencia (RF) en circuito integrado, para el enlace. Los módulos usados son: Transmisor: TXM-433-LC-R Receptor: RXM-433-LC-S Estos módulos tienen una Modulación Digital en Amplitud (ASK); a pesar de que la modulación sea ASK, al tener una transmisión digital, se obtiene una buena calidad en el enlace inalámbrico, y un alcance Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 de aproximadamente 40 metros. Los módulos de RF usados son también muy flexibles en cuanto a la velocidad de transmisión, pues pueden ser usados con velocidades que van desde unos cuantos bits por cada segundo, hasta 5Kbits por cada segundo. El receptor ASK, detecta los bits enviados por el transmisor, y los entrega en forma de niveles de voltaje (dos niveles lógicos), pues es una transmisión digital. Un PIC16F84, los procesará para visualizar la información, sobre un Display de Cristal Líquido (LCD) modelo DMC16249 de la marca Optrex. Generalmente los displays de este tipo tienen un microcontrolador del tipo HD44780, de la marca japonesa Hitachi, o uno muy similar, y ésta no es la excepción. El PIC16F84, realizará el proceso de la información para la visualización de ésta. Se usa este modelo de PIC por ser uno de los más económicos y manejables; el número de patitas destinadas a entrada/salida con que cuenta, es ideal para la función que realizará. El PIC16F84 debe ser programado para que, cuando detecte en un bit en la patita usada como entrada serial, inicie un proceso de captura de los 8 bits portadores de información. Después de haber obtenido esta información, lo único que queda por hacer es mandar a imprimir los caracteres; para hacerlo, se emplea la última etapa del programa del PIC16F84. Para lograrlo, se deben de incluir en el programa rutinas de control para el LCD; estas rutinas, deben de gobernar las acciones del LCD por medio de las tres patas de control de éste. El LCD usado en este proyecto es uno de los más comunes, y no es difícil de conseguir en el mercado nacional; se trata de un LCD de caracteres matriciales, con dos líneas y 16 caracteres por línea. Diagramas Generales A continuación, se anexan los diagramas generales, con sus valores y características, correspondientes al proyecto tratado en este informe. La figura 1 el diagrama a bloques del sistema en su totalidad; en la figura 2 se muestra la parte del sistema que realiza la medición y la transmisión de la información, y la figura 3 pertenece al subsistema encargado de recibir los datos transmitidos y desplegar la información. 49 �Diseño de un termómetro para animales de trabajo/ José Rodolfo Martínez y Cárdenas, et al Fig. 1. Diagrama a bloques del sistema propuesto. Fig. 2. Subsistema de adquisición y transmisión de datos. Fig. 3. Subsistema de recepción y despliegue de datos. CONCLUSIONES 1º- El sistema desarrollado en el presente proyecto, se apega a las necesidades de la realidad. 2º- El desarrollo de un sistema de la naturaleza del descrito aquí, requiere de una inversión regular, debido a la importación de los módulos de RF empleados, que no se pueden adquirir en el mercado nacional. Si éstos fueran comerciales en el país, o bien no se emplearan, el costo total del sistema sería muy bajo, especialmente si se 50 le compara con el costo de un sistema similar de presentación comercial. 3º- El sistema descrito a lo largo del presente reporte, es funcional en el trabajo de campo, y cuenta con un gran número de posibles aplicaciones además de aquella para la cual fue creado; además, es fácilmente adaptable a otras situaciones que requieran modificarlo, lo cual es relativamente fácil de hacer. Una de sus mejores características, es que con una reducida inversión se puede ampliar su funcionalidad, para emplearlo en más de una aplicación a la vez. 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Tratado elemental de zoología. 8ª ed. México. Ed. E.C.L.A.L.S.A. 1968. Páginas en Internet 1.- www.microchip.com 2.- www.rentron.com 3.- members.fortunecity.es/telectronica/ 4.- www.miguelo.com.ar Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Códigos para detección y corrección de errores en comunicaciones digitales Raúl Alvarado Escamilla FIME-UANL ralvarad@gama.fime.uanl.mx RESUMEN El objetivo del presente trabajo es generar programas basados en MATLAB y DIGCOM-T que permitan analizar la operación de distintos tipos de códigos para detección y corrección de errores. En particular se estudia la familia de códigos de bloque conocida como Hamming, así como también los códigos cíclicos Bose-Chaudhuri-Hocquenqhem y Reed Solomon. De igual modo, es visto el código convolucional junto con el diagrama de Trellis usado para representar su operación. PALABRAS CLAVE Procesamiento de señales, códigos, detección, error. ABSTRACT The purpose of this study is to make several programs based in MATLAB and DIGCOM-T, which make possible to analyze error detection and correction codes operation. In particular it is studied the family of block codes known as Hamming, as well as the cyclic codes Bose-Chaudhuri-Hocquenqhem and Reed Solomon. The convolution code and the Trellis diagram used to represent its operation, are also seen in this study. KEYWORDS Signal processing, code, detection, error. INTRODUCCIÓN Las operaciones básicas de procesamiento de señales en un sistema de comunicación digital son codificación de la fuente, codificación de canal y modulación digital en el lado transmisor, como se muestra en el diagrama a bloques de la figura 1, así como los procesos inversos en el lado receptor. Los códigos para detección y corrección de errores corresponden a la codificación de canal. Uno de los parámetros que miden el desempeño de un sistema de comunicación digital es la tasa de error binaria (BER) para un cierto valor de la relación de energía de bit a densidad espectral de ruido (Eb/N0). Generalmente, debido al ruido del canal de transmisión, la única manera de proporcionar un valor de BER aceptable es agregando códigos para detección y corrección de los errores. Actualmente se emplean dos formas de controlar los errores. Una de las técnicas es conocida como solicitud de confirmación (ARQ de Acknowledgment Request), ya que el receptor comprueba los datos recibidos y si hubo error Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 51 �Códigos para detección y corrección de errores en comunicaciones digitales/ Raúl Alvarado Escamilla Sistema de comunicación digital. Fig. 1. Procesos de la señal en el lado transmisor de un sistema de comunicaciones. solicita una retransmisión, de lo contrario retorna una confirmación de recepción correcta. La otra técnica se conoce como corrección de error hacia adelante (FEC, de Forward Error Correction), y es utilizada en los sistemas de comunicación que operan en tiempo real (es decir, el transmisor no almacena los datos que envía como en el caso de voz y vídeo digitales). Por cuestiones de extensión, sólo se abordarán los códigos FEC. En general, el proceso de codificación en los códigos FEC es una operación en la cual a un grupo de bits de datos correspondientes al mensaje que se desea transmitir, se le agrega un grupo de bits conocidos como de paridad para fines de detección y corrección de errores. El análisis y diseño de los códigos se hará por medio del software DIGCOM-T,1 el cual es un conjunto de programas que corren sobre la plataforma de MATLAB. Asimismo, la exposición del desarrollo de los experimentos se llevará a cabo describiendo primeramente los conceptos fundamentales, los parámetros principales y la estructura matemática de cada uno de los códigos. Enseguida se efectuará un planteamiento del problema que se desea resolver y se elaborará el programa para la solución del problema con Matlab y Digcom-T. Posteriormente se realizará el análisis de los resultados del programa donde se enfatizan las características más importantes del código. Finalmente se resumirán las conclusiones generales acerca de los códigos y se especificarán las principales aportaciones del presente estudio. grupo (bloque) de m bits de datos, a los cuales se le agrega un grupo de k bits de paridad de acuerdo a reglas preestablecidas, dando como salida un grupo de n bits comúnmente llamado palabra-código. Asimismo, se dice que es lineal porque satisface la condición de que cualquier par de palabras-código al ser sumadas en módulo 2 producen otra palabracódigo existente dentro del conjunto empleado para codificar los posibles mensajes. Además, se dice que es sistemático porque los bits de paridad se agregan sin alterar la posición de los bits del mensaje. Para un código lineal de bloque (n, k) se pueden ordenar los bits de paridad a la derecha y los de mensaje a la izquierda (o viceversa) como se muestra en la figura 2. m0, m1,m2, m3,...mk-1 b0, b1,...bn-k-1 Fig.2. Estructura de la palabra-código. Los códigos Hamming comunmente son empleados en aplicaciones donde ocurre un sólo error por bloque, como por ejemplo en el proceso de escritura y lectura de una memoria RAM. Una familia de estos códigos tiene los siguientes parámetros:2. Tamaño del bloque n = 2m-1 bits Bits de paridad m ; (m≥3) bits Tamaño del mensaje k bits Distancia mínima dmin ≥ 2t+1 bits Errores a corregir t bits Como se observa en los parámetros, el número de errores t que se pueden corregir por bloque de palabra-código está relacionado con la distancia Hamming d. Donde esta distancia es el número de bits distintos entre los vectores que representan las palabras-código. Asimismo, debido a la propiedad de linealidad la distancia Hamming mínima se puede obtener con el peso mínimo de los vectores no ceros. A su vez, el peso Hamming es obtenido con el número CÓDIGO HAMMING El código Hamming es clasificado como un código de bloque porque tiene como entrada un 52 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Códigos para detección y corrección de errores en comunicaciones digitales/ Raúl Alvarado Escamilla de bits que difieren los vectores de las palabrascódigo con respecto al vector de puros ceros. Estructura algebraica Los n bits de la palabra-código xi se obtienen con la relación de la ecuación 1. mi xi =  bi − k i = 0,1,..., k − 1 (1) Ec.(1) i = k , k + 1,...n − 1 Los (n-k) bits de paridad son sumas lineales de los k bits del mensaje, como se muestra en la ecuación 2, en la cual se ha sustituido l por n-k por conveniencia en la representación. bl = pl 0m0 + pl1m1 + ... + pl , k − 1mk − 1 l = 0,1,..., n − k − 1; j = 0,1, , k − 1 Ec.(2) (2) donde plj = 1 si b1 depende de mj y o de otro modo Los coeficientes de plj se escogen de manera que las filas de la matriz generadora sean linealmente independientes y las ecuaciones de paridad sean únicas para que el código pueda ser decodificable en forma única en el receptor. Por simplicidad, es conveniente hacer una representación compacta en forma de vectores y matrices de la estructura. De manera que los vectores de mensaje, paridad y palabra-código quedan como se muestra en la ecuación 3. m = [m0, m1, , mk − 1] b = [b0, b1, , bn − k − 1] x = [ x 0, x1, , xn − 1] Ec.(3) (3) A su vez, las ecuaciones que definen los bits de paridad quedan como lo muestra la ecuación 4. b = mP Ec.(4) (4) donde P es una matriz de coeficientes de tamaño k por n-k de la forma siguiente: p 01  p 0 , n − k − 1   p 00  p10 p11  p1, n − k − 1   P=        pk − 1, 0 pk − 1, 1 pk − 1, n − k − 1 Generación de la palabra-código en el lado transmisor La palabra-código en forma compacta puede ser expresada como lo indica la ecuación 5. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 x = [ mb ] Ec.(5) (5) Sustituyendo b = mP obtenemos que: x = [m mP ] = m [Ik  P ] en la cual Ik es una matriz identidad de tamaño k x k. Ahora bien, definiendo la matriz generadora como se indica en la ecuación 6. G = [Ik  P ] Ec.(6) (6) donde G debe estar en forma canónica Entonces el vector de la palabra-código se obtiene multiplicando el vector del mensaje por la matriz generadora como se muestra en la ecuación 7. x = mG (7) Ec.(7) Con esto finaliza la operación de codificación de canal en el lado transmisor de un sistema de comunicaciones. Detección de error en el lado receptor Si los coeficientes que relacionan los bits de paridad y de mensaje (P) se expresan en forma transpuesta y definimos la matriz H como en la ecuación 8. H =  PT  In − k  Ec.(8)(8) Enseguida, postmultiplicamos H por la transpuesta de G y obtenemos que:  Ik  HG =  P  In − k    = PT + PT  P T  T T En aritmética módulo 2: PT + PT = 0. De aquí que HGT = 0 (o bien GHT = 0) donde 0 es una matriz nula de tamaño n-k por k. A continuación, postmultiplicamos x = mG por HT y se obtiene xHT = 0, donde H es la matriz de comprobación de paridad y xHT = 0 es la ecuación de comprobación de paridad empleada por el receptor para la detección de errores. Por otra parte, para simplificar el algoritmo que realiza la detección de errores, se recomienda hacer el cálculo de un valor conocido como síndrome como lo muestra la ecuación 9. s = yH T Ec.(9) (9) donde y es la palabra-código recibida posiblemente con error. 53 �Códigos para detección y corrección de errores en comunicaciones digitales/ Raúl Alvarado Escamilla Finalmente, con el síndrome y el patrón de errores más comunes se identifica la posición del error. Por ejemplo, el patrón de errores, matriz e y su síndrome, matriz s para un código (7,4) son mostrados en la tabla I. Tabla I. Patrón de errores más comunes y el síndrome para un código (7,4). Patrón de errores (e) Síndrome Posición de los bits s 1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 Al síndrome s = 000, le corresponde el valor de e = 0000000, lo cual significa para el lado receptor que no hubo error en la transmisión, mientras que 111, indica que hay un error en la posición uno de la palabra-código y así sucesivamente el resto de las combinaciones del síndrome indican un error en la posición donde e vale uno. Experimento 1: Considere que en el lado transmisor se emplea un código Hamming (7,4), y que existe un error de un bit en el canal de transmisión. Obtener la siguiente información: 1. La Matriz generadora. 2. La Matriz de comprobación de paridad. 3. Las palabras-código. 4. El número de errores que puede corregir. 5. Corrección de un error en la recepción. El programa elaborado para resolver el problema fue nombrado EjCodigoHamming.3 En él se emplea la función [G,H] = HammingCode(n)del software DIGCOM-T. Los resultados arrojados por el programa son mostrados en las tablas II y III. Análisis de resultados del experimento uno La organización de las palabras-código se muestra en la tabla III. Las características principales del código 54 Tabla II. Resultados del programa para el experimento uno. »Matriz generadora 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 Matriz de comprobación de paridad 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 Dato de la palabra-código con error (entre 1 y 2k) =3 Dato de la posición del bit de error (entre 1 y n) =4 Distancia Hamming mínima de x =3 Número de errores que se pueden corregir t =1 Palabra-código recibida con un error 0 1 0 1 1 1 0 Síndrome para detección de error s = 0 1 1 Palabra-código con corrección del error corr = 0 1 0 0 1 1 0 Tabla III. Palabras-código del código Hamming (7,4). Número de la palabra Palabra-Código Posición 1 2 3 4 5 6 7 1 0 0 0 0 0 0 0 2 1 0 0 0 1 1 1 3 0 1 0 0 1 1 0 4 1 1 0 0 0 0 1 5 0 0 1 0 1 0 1 6 1 0 1 0 0 1 0 7 0 1 1 0 0 1 1 8 1 1 1 0 1 0 0 9 0 0 0 1 0 1 1 10 1 0 0 1 1 0 0 11 0 1 0 1 1 0 1 12 1 1 0 1 0 1 0 13 0 0 1 1 1 1 0 14 1 0 1 1 0 0 1 15 0 1 1 1 0 0 0 16 1 1 1 1 1 1 1 Hamming que podemos observar en las tablas II y III de este experimento son las siguientes: • El código obtenido es sistemático puesto que los bits del mensaje m0,m1,m2 y m3 están en las posiciones 1 a 4 de las palabras código obtenidas, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Códigos para detección y corrección de errores en comunicaciones digitales/ Raúl Alvarado Escamilla • • • • sin ser alteradas por los bits de paridad. El código obtenido es lineal, lo cual se puede comprobar tomando como ejemplo la palabracódigo 3 (0100110) y la 6 (1010010), las cuales al sumarlas se obtiene la 8 (1110100). Como la distancia Hamming mínima es 3, entonces un código Hamming solo puede corregir 1 error en la transmisión (t=1). La detección del error se obtiene con el síndrome 011, cuyo patrón de error es 0001000 (ver tabla I), indicando que el error está en la posición 4. La corrección del error se obtuvo sumando en módulo 2 el valor del patrón de error (0001000) con la palabra-código recibida con error (0101110), es decir la palabra corregida es 0100110. CÓDIGOS CÍCLICOS Son una subclase de los códigos de bloque lineales,4 los cuales tienen esquemas de decodificación eficientes, es decir con algoritmos relativamente simples. Se dice que un código es cíclico cuando cualquier desplazamiento en lazo cerrado de una palabra-código da como resultado otra palabracódigo existente dentro del conjunto empleado para codificar los posibles mensajes. Existen una gran variedad de códigos cíclicos. Por ejemplo, el Código de Redundancia Cíclica empleado en comunicaciones de datos y el código Golay que es un código binario como el Hamming. Además, están los códigos Q-arios como el BoseChaudhuri-Hocquenqhem y el Reed Solomon. Dada la versatilidad de parámetros de estos dos últimos son los que se selecionaron para ser analizados en las secciones siguientes. Polinomios de palabra-código La representación matemática de la operación de los códigos cíclicos está basada en el uso de polinomios. Los elementos de una palabra-código de tamaño n pueden ser los coeficientes de un polinomio de grado n-1. Por ejemplo, la palabra-código con elementos x0,x1, ...,xn-1 puede ser representada en forma de polinomio como: X(D) = x0 + x1D, ...,+ xn-1Dn-1 donde D es una variable Real arbitraria Polinomio generador Un código cíclico (n, k) es especificado por un conjunto de polinomios de palabra-código de grado n-1 o menos, el cual contiene un polinomio de grado mínimo n-k como un factor. Este factor especial, denotado por g(D) es seleccionado como el Polinomio Generador del código. Procedimiento para codificación de un código cíclico Multiplicar el polinomio del mensaje m(D) por Dn-k Dn-k m(D) = m0Dn-k+ m1Dn-k+1+ …+ mk-1Dn-1 Dividir Dn-k m(D) por el polinomio generador g(D), obteniendo el residuo b(D) D n − k m( D ) b( D ) = a( D) + g ( D) g ( D) Agregar b(D) a Dn-k m(D) para obtener el polinomio de la palabra-código x(D). x(D) = b(D) + Dn-k m(D) Cálculo del síndrome para detección de error Considerando que la palabra-código recibida con error sea Y(D) = y 0 + y 1 D, ...,+ y n-1 D n-1 , el polinomio del síndrome se obtiene con el residuo de la división del polinomio de la palabracódigo entre el polinomio generador g(D). Y ( D) s( D) = q( D) + g ( D) g ( D) donde q es el cociente y s es el síndrome Telefonía para comunicación de voz IP. Código de redundancia ciclica en su interior. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 De manera similar al código Hamming, con el síndrome y el patrón de errores se hace la detección 55 �Códigos para detección y corrección de errores en comunicaciones digitales/ Raúl Alvarado Escamilla del error o los errores y su posición dentro de la palabra-código. CÓDIGO BOSE – CHAUDHURI -HOCQUENQHEM (BCH) Es un código cíclico con una gran variedad de parámetros. Para m ≥ 3 y t < (2m-1)/2 existen códigos BCH con los siguientes parámetros: Para tamaños de unos pocos cientos de bits o menos, los códigos BCH son de los mejores para un mismo tamaño de bloque e índice de código (relación entre el bloque de entrada y el bloque de salida). Algunos códigos comunes5 expresados en la forma (n, k, t) de BCH son: (7, 4, 1), (15, 11, 1), (15, 7, 2), (15, 5, 3), (31, 26, 1), (31, 21, 2), (31, 16, 3), (31, 11, 5) y (31,6, 7). Experimento 2 Considere que en el lado transmisor se emplea un Tamaño del bloque n = 2m-1 bits Bits de paridad n-k bits Tamaño del mensaje K ≥ n– mt bits Distancia mínima dmin ≥ 2t+1 bits Errores a corregir t bits código BCH (15, 7, 2). Obtener lo siguiente: 1. El polinomio generador. 2. La palabra-código generada para el mensaje 1100110. 3. La palabra-código recibida con dos errores. 4. Estimación del mensaje enviado. 5. Estimación de la palabra-código enviada. El programa elaborado para resolver el problema fue nombrado EjCodigoBCH.3 En el se emplean las funciones BinaryBCHgen(n, d_star) y SystematicEncode(q, g, m) del software DIGCOM-T. Los resultados arrojados por el programa se muestran en la tabla IV: Análisis de resultados del experimento dos La organización de la palabra código es mostrada en la siguiente tabla: Palabra-código Posición 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 56 0 0 1 1 0 Tabla IV. Resultados del programa para el experimento dos. »El polinomio generador es= 1 0 0 0 1 0 1 1 1 Datos del mensaje = [1 1 0 0 1 1 0] La palabra-código es = 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 Dato de la posición de los t bits de error (entre 1 y n) = [3 8] Mensaje con error 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 Estimación del mensaje enviado 1 1 0 0 1 1 0 Estimación de palabra-código 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 Las características principales del código BCH que podemos observar en la tabla IV de este experimento son las siguientes: • El polinomio generador obtenido con 100010111 es 1 + D4 + D6 + D7 + D8. • El código obtenido es sistemático puesto que los bits del mensaje m0,m1,m2,m3,m4,m5 y m6 están en las posiciones 9 a 15 de la palabra código obtenida, sin ser alterada por los bits de paridad. • Con el BCH es posible detectar y corregir más de un error (dos en este ejemplo), en lugar de uno sólo como en los códigos Hamming. CÓDIGO REED-SOLOMON Un código Reed Solomon (RS) es una subclase de los códigos BCH no binarios. Se distingue de los códigos binarios porque éste opera con símbolos de b bits cada uno en lugar de bits individuales. Es útil cuando los errores ocurren en ráfagas, como en los sistemas de grabación de discos compactos digitales. Un código RS que corrige t errores tiene los siguientes parámetros: Un polinomio generador no binario se define Tamaño del bloque n = 2b-1 símbolos Tamaño de paridad n-k = 2t símbolos Tamaño del mensaje k símbolos Distancia mínima dmin≥ 2t+1 símbolos Errores a corregir t símbolos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Códigos para detección y corrección de errores en comunicaciones digitales/ Raúl Alvarado Escamilla Tabla V. Resultados del programa para el experimento tres. »El Polinomio generador es = 3 6 1 Datos del mensaje (i.e. los símbolos del 1 al 5) =[1 2 3 4 5] Palabra-código = 6 4 1 2 3 4 5 Posición y valor de los t errores (entre 1 y n y de 0 a 2b)[p1,p2..v1,v2] = [4 6] Mensaje con error 6 4 1 6 3 4 5 Estimación del Mensaje enviado 1 2 3 4 5 Estimación de la palabra-código enviada 6 4 1 2 3 4 5 Grabadora de CD´s y DVD´s Codigo Reed Solomon en su interior. en función de los campos de Galois 6 y son denotados por GF(q). Cuando q es primo se construye un campo finito GF(q) cuyos elementos son {0,1,...,q-1}. Las operaciones de suma y multiplicación de los elementos de GF(q) están basadas en módulo q. En general, el campo finito GF(q) sólo puede ser construido si q es primo o una potencia de un primo. Si q=p b, donde p es primo y b es un entero positivo, es posible extender el campo GF(p) al campo GF(pb). Éste es conocido como campo extendido de GF(p) y sus operaciones de suma y multiplicación están basadas en módulo p. En particular, en un código RS q=2b, donde q es el número de símbolos y b es el número de bits por símbolo. Por ejemplo, si q=23, el polinomio para un mensaje compuesto por los símbolos {2,5,0,7}será m(D)= 2 + 5D + 7D3. Experimento 3 Considere que en el lado transmisor se emplea un código Reed Solomon (7, 5), es decir n=7 y k=5. Obtener lo siguiente: 1. El Polinomio generador. 2. La palabra-código generada para un mensaje con los símbolos del 1 al 5. 3. La palabra-código recibida con un sólo error. 4. Estimación del mensaje enviado. 5. Estimación de la palabra-código enviada. El programa elaborado para resolver el problema fue nombrado EjCodigoReedSolomon 3 En él se emplean las funciones g = RSgenerator(q, r,1) y [m_hat, c_hat, n_err] = RSdecode(q, g, y, 1, n) del software DIGCOM-T. Los resultados arrojados por el programa son mostrados en la tabla V: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 Análisis de resultados del experimento tres La organización de los símbolos y bits por símbolo es mostrada en la siguiente tabla: Valor del Símbolo Valor en binario 0 000 1 001 2 010 3 011 4 100 5 101 6 110 7 111 Las características principales del código RS que podemos observar con este experimento son las siguientes: • El polinomio generador obtenido con 3 6 1 es: 3 + 6D + D2 • La organización de la palabra-código es mostrada en la siguiente tabla: Palabra-código Posición • • 1 2 3 4 5 6 7 6 4 1 2 3 4 5 El código obtenido es sistemático puesto que los símbolos del mensaje sm0, sm1, sm2, sm3, y sm4 están de la posición 3 a la 7 de la palabra-código obtenida, sin ser alterada por los símbolos de paridad. En este ejemplo es posible detectar y corregir sólo un símbolo de error [t=(n – k)/2 = (7-5)/2= 1]. 57 �Códigos para detección y corrección de errores en comunicaciones digitales/ Raúl Alvarado Escamilla CÓDIGOS CONVOLUCIONALES Un código convolucional7 es visto como una máquina de estados finitos que consta de un registro de corrimiento de M etapas con conexiones preestablecidas a n sumadores módulo 2 y con un multiplexor que serializa la salida de los sumadores. En la figura 3 se muestra un codificador con un registro de M=2 y n=2. puede ser obtenida en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia de acuerdo a la teoría de sistemas discretos lineales e invariantes en el tiempo.8 En el tiempo, la salida se obtiene con la convolución de la entrada con la respuesta al impulso, mientras que en la frecuencia se obtiene con el producto de las transformadas de Fourier de la entrada y de la respuesta al impulso (las cuales corresponden a la representación en polinomios). La operación de un codificador convolucional se puede observar gráficamente mediante un diagrama de árbol, un diagrama de estados, o bien en un diagrama de Trellis como el de la figura 4. Fig. 3. Codificador convencional de 2 etapas. Una secuencia de entrada, correspondiente a un mensaje de L bits produce una secuencia de salida codificada de tamaño n(L + M) bits. De manera que la relación entre la entrada y la salida, conocida como índice de código se obtiene con r=L / n(L+M). Los códigos convolucionales son ampliamente usados en enlaces de radio de línea de vista y en comunicaciones móviles, tal como telefonía celular. Teléfono celular, código convolucional en su interior. Respuesta al impulso y polinomio generador Cada trayectoria que conecta la salida a la entrada puede ser caracterizada en términos de su respuesta al impulso, definida como la respuesta de la trayectoria a un símbolo 1 aplicado a su entrada, con cada flip flop del codificador inicializado en el estado cero. Cada trayectoria también se puede caracterizar en términos de un polinomio generador cuyos coeficientes son los elementos de la respuesta al impulso. La respuesta de un código convolucional 58 Fig. 4. Trayectoria para el mensaje 10011. Experimento 4 Para el codificador convolucional de la figura 3 obtener lo siguiente: 1. La respuesta al impulso y el polinomio generador. 2. La gráfica de la trayectoria seguida en el diagrama de Trellis para el mensaje 10011. 3. Cálculo de la palabra-código para el mensaje 10011. El programa elaborado para resolver el problema fue nombrado EjCodigoConvolucional.3 En el se emplean las funciones G = BestBCC(1, 2, 2) y TrellisPath_plot(m, Edges) del software DIGCOMTabla VI. Resultados del programa para el experimento cuatro. » Respuesta al impulso o polinomio generador 1 0 1 1 La trayectoria del mensaje 10011 (se muestra en Fig. 4). Para el mensaje 1 0 0 1 La palabra-código es: 3 2 3 3 1 1 1 1 la 1 3 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Códigos para detección y corrección de errores en comunicaciones digitales/ Raúl Alvarado Escamilla consultando el código de la misma en la figura 5, la cual es una sección (de 3 a 4 en este ejemplo) del diagrama de Trellis. Fig. 5. Código generado por cada rama de mensaje. T. Los resultados son mostrados en la tabla VI y las figuras 4 y 5. Análisis de resultados del experimento cuatro La organización de la palabra-código es mostrada en la siguiente tabla: Palabra-código en base Palabra-código (en binario) 4 (No de estados) Posición 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314 3233113 1110 11110 1 0 1 1 1 Las características principales del código convolucional que podemos observar con este experimento son las siguientes: • La respuesta al impulso de la trayectoria superior entre la entrada y la salida es h1(n) = {1 1 1}; mientras que la de la trayectoria inferior es h2(n) = {1 0 1}. A su vez, los respectivos polinomios generadores son 1 + D + D2 y 1 + D2 . Observése que el orden de aparición en la tabla de resultados está invertido con respecto a la ubicación de las trayectorias de la figura 3. • El código obtenido es no sistemático puesto que los bits del mensaje m0, m1, m2, m3, y m4 (1 0 0 1 1) están mezclados con los bits de paridad en los 14 bits del código binario mostrado en la tabla anterior. • El diagrama de Trellis de la figura 4 muestra la trayectoria seguida por el mensaje 1 0 0 1 1 (más dos ceros agregados como cola para que el último bit de entrada llegue hasta la salida). Se inicia en el estado cero y en cada bifurcación se sigue una rama de acuerdo al bit de entrada. Si es uno se sigue la rama superior y si es cero, la inferior. • El código generado por el mensaje se puede obtener siguiendo cada rama de la figura 4 y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 PROGRAMA CON MATLAB Y DIGCOM-T El programa que se muestra a continuación es el que se ha empleado para resolver el experimento 4 planteado anteriormente. Obsérvese que las instrucciones se acompañan (en forma de comentarios) con una amplia explicación de cómo proporcionar los datos del código, así como de la función que realiza cada una de ellas. Con este tipo de programas se facilita el análisis y diseño de los códigos para detección y corrección de errores, ya que es fácil reprogramar con otros parámetros para efectos de comparación y evaluación de su desempeño. Es conveniente recordar que el software DIGCOMT es de un propietario independiente de MATLAB. Por lo mismo, se debe disponer de éste para que el programa pueda correr correctamente. %CÁLCULO DE LA PALABRA-CÓDIGO DE UN CODIGO CONVOLUCIONAL Y SU REPRESENTACIÓN POR MEDIO DEL DIAGRAMA DE TRELLIS % Obtener el Polinomio Generador (o la respuesta al impulso) para un código convolucional binario. % Óptimo con G = BestBCC(k, n, nu). % k=1 (un solo registro de corrimiento entre entrada - salida). % n= 2 (dos sumadores en módulo 2). % nu = 2 (log base 2 del número de estados (4 estados en este caso)). G = BestBCC(1, 2, 2); Gb=OctaltoVector(G); disp(‘Respuesta al Impulso o Polinomio Generador’);disp(Gb) 59 �Códigos para detección y corrección de errores en comunicaciones digitales/ Raúl Alvarado Escamilla % Calcular las transiciones (edges) de la máquina de estados finita con Edges=makeBCC Edges = makeBCC(G); disp (‘tabla de transiciones de la forma [estado actual entrada salida estado siguiente]’); disp (Edges); % El diagrama de estados se puede obtener a partir de una parte del diagrama de Trellis con disp (‘Sección del diagrama de Trellis para obtener el diagrama de estados (Figura)’); Trellis_plot(Edges, [3 4], 3) % Con el diagrama de estados, empezando por el Cero y siguiendo los estados de acuerdo al mensaje % Se obtiene el código de salida % Para visualizar la trayectoria dentro del diagrama de Trellis se usa TrellisPath_plot(message, Edges) % donde al mensaje de este ejemplo se le agregan dos bits (a la derecha) de cola para que que el último bit del mensaje termine su recorrido en el Registro de Corrimiento m=[1 0 0 1 1 0 0]; disp(‘Mensaje’);disp(m); figure disp(‘Trayectoria del mensaje 10011 en el diagrama de Trellis (Figura)’); TrellisPath_plot(m, Edges) %Codificación empleando programas ya hechos por DigComT %las funciones requeridas son [Table_out, Table_ns] = EdgesToEncoderTable(Edges) y %c = EncodeFromTable(m, Table_out, Table_ns) [Table_out, Table_ns] = EdgesToEncoderTable(Edg es); c = EncodeFromTable(m, Table_out, Table_ns); disp(‘Palabra-código’);disp(c) CONCLUSIONES Y APORTACIONES En el presente trabajo se elaboraron cuatro programas basados en MATLAB y DIGCOM-T para analizar la codificación de canal de un sistema de comunicaciones digitales. Con el primero, llamado EjCodigoHamming, se generaron las palabras-código en el lado transmisor empleando una matriz generadora, asimismo se simuló un error en el canal de transmisión y luego en el lado receptor se utilizaron el síndrome y el patrón de errores para detectar y corregir un sólo error por bloque. Con el segundo, denominado EjCodigoBCH se generó una palabra-código empleando un polinomio generador, se simularon dos errores en el canal de transmisión y luego se utilizaron el síndrome y el patrón de errores para detectar y corregir los dos errores. 60 De manera similar, con el tercer programa llamado EjCodigoReedSolomon, se analizó la detección y corrección de errores en una comunicación con símbolos correspondientes a varios bits cada uno. A su vez, con el programa EjCodigoConvolucional se obtuvó la palabracódigo realizando la convolución entre el mensaje y las respuestas al impulso de un codificador de dos etapas de memoria y se analizó la operación del codificador por medio del diagrama de Trellis. Por lo tanto, se ha comprobado que el análisis con MATLAB y DIGCOM-T es un excelente complemento didáctico para la enseñanza de la teoría de las comunicaciones digitales, ya que al utilizar este tipo de programas en la solución de problemas se logra consolidar la comprensión de los conceptos básicos y las características principales de los códigos. Asimismo, se da a conocer el uso de una herramienta computacional poderosa para analizar y diseñar códigos que detectan y corrigen errores, misma que podría ser usada para desarrollar nuevas técnicas de codificación de canal que mejorarían la confiabilidad de los sistemas de comunicación digitales existentes o futuros. BIBLIOGRAFÍA 1. Chris Heegard, “DigComT: The Digital Communication Toolbox Manual”, included in DigComT software, Native Intelligence, 2000. 2. Simon Haykin, “Digital Communications”, pag. 378, John Wiley & Sons, 1988. 3. Raúl Alvarado, “Software para comunicaciones digitales”, disponible a solicitud expresa en ralvarad@gama.fime.uanl.mx 4. Leon W. Couch, “Sistemas de comunicación digitales”, pag. 653, 4th edition, Prentice Hall, 2001. 5. Symon Haykin, “Communication Systems”, pag. 653, 4th edition, John Wiley & Sons, 2001. 6. Marvin K. Simon, Sami M. Hinedi and William C. Lindsey, “Digital Communication Techniques; Signal Design and Detection”, pag 747, Prentice Hall, 1995. 7. John G. Proakis, “Digital Communication”, pag. 470, 3th edition, Mc Graw Hill, 1995. 8. John G. Proakis, “Tratamiento Digital de Señales”, 3th edición, Prentice-hall, 1998. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Enredándose La Real Academia Española de la lengua on line Fernando J. Elizondo Garza Catedrático e investigador de la FIME-UANL fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx Graciela L. España Lozano gracielaespana@hotmail.com Una de las etapas principales del quehacer de científicos, tecnólogos e ingenieros, es la comunicación. Aunque en ella se hace uso de gran cantidad de herramientas para compactar información, como son estadísticas, gráficas, dibujos, etc. el lenguaje escrito, es el eje central de todo reporte, conferencia, propuesta, prospección, etc. Definitivamente todas las personas esperan que un ingeniero, con toda su capacidad y educación sea capaz de expresar sus ideas coherente y adecuadamente, algo que por muchos años se dejó de lado en más de una universidad y que en más casos de lo debido ha tenido que ser abordado como formación extracurricular por los profesionistas mexicanos. Una herramienta fundamental para escribir correctamente, es un buen diccionario, generalmente un libro gordo y pesado, que en los tiempos actuales de Internet, es sustituido por un e-diccionario o sea por diccionarios electrónicos. en regionalismos o modas, pues la ciencia debe ser mundial y su lenguaje lo más certero posible, y este diccionario tiene una gran resistencia al cambio, pues estos están sujetos a estudios y aprobación por comités de expertos. Por desgracia la traducción o adopción de nuevos términos en la vertiginosa ciencia actual, deberá esperar un tiempo, y mientras tanto habrá que escribir la palabra en itálicas en el idioma original o establecer algunos criterios o propuestas en las asociaciones científicas e ingenieriles, en cuyo caso habrá que escribir al menos una vez en el texto tras la palabra propuesta la palabra en el idioma original, entre paréntesis y en itálicas, todo esto con conciencia de que en algún momento llegara la palabra oficial. En Internet la página de la Real Academia Española de la Lengua se encuentra en la dirección http//www.rae.es Estos pueden llegar a nosotros como un CD, los podemos bajar de la red o simplemente los podemos consultar a través de un homepage en la pantalla de una computadora. En cuanto a diccionarios de español para científicos, no hay mejor opción que el “Diccionario de la Lengua Española” de la Real Academia Española (RAE), pues es el marco de referencia para los otros diccionarios y nos previene de perdernos LA PÁGINA DE LA RAE El portal da una bienvenida fría y desangelada que provoca reacciones de confusión o desaliento para quienes buscamos el apoyo de la RAE en el ciberespacio. Pues en las tres divisiones de su diseño aparecen vocablos y ligas como: Lexicografía, Departamento de Lingüística Computacional, Fondos Documentales y Bibliográficos que aunque ofrezcan una amplia gama de posibilidades para el estudioso del lenguaje, no contribuyen mayormente a la solución del problema por el cual nos acercamos inicialmente a la página de la RAE. Y no nos dan ninguna pista clara para solucionarlo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 61 �Enredándose: La Real Academia Española de la lengua on line / Fernando J. Elizondo Garza, Graciela L. España Lozano Lo anterior indica que para el diseñador de la página de la RAE no queda claro cuales son sus usuarios, ni lo que cada sector buscaría en su homepage. En el caso de científicos, ingenieros y un enorme sector de la población, incluyendo a los papás ayudando a sus hijos a aprender español, lo mínimo que esperan es: • Acceso al diccionario para consultar el significado de una palabra. • Acceso al diccionario para comprobar la ortografía de una palabra. • Guías claras sobre las reglas ortográficas del español. • Guías claras de la gramática española. EL DICCIONARIO DE LA LENGUA ESPAÑOLA DE LA RAE Si lo único que se desea es hacer uso del Diccionario de la Lengua Española, hay que reconocer que si encontraremos una herramienta valiosísima y fácilmente localizable en la página de la RAE, pues en la primera liga a la izquierda del lector se localiza el Diccionario de la Lengua Española. Al darle un clic la nueva página nos ofrece varias opciones: la primera (que aparece en el encabezado) es Buscar. Esta opción no es el diccionario, por lo que no clarifica el significado de las palabras, sino que es un buscador de las páginas de la academia, y hay que ignorarla. Por desgracia 62 esta opción está arriba y puede ser lo primero que se vea y uno queda con la impresión de que es una trampa o broma del diseñador de la página. El siguiente cuadro especifica: escriba la palabra que desea consultar. Ese es el que debemos usar. Una vez que anotemos la palabra a consultar se nos presentarán cuatro opciones la primera, búsqueda exacta, es la más razonable o cómoda para quien sólo necesite aclarar una duda. Después de darle clic a consultar aparece un cuadro con la información de la palabra indicando desde su origen etimológico, categoría gramatical, género, número y los diversos significados que pudiera tener. Si la palabra consultada es un verbo en infinitivo aparece un cuadro azul que al dar clic en él nos ofrecerá la conjugación del mismo; pero si es una forma verbal conjugada el diccionario no la tiene y hay que ponerla en infinitivo para hacer la consulta que necesitamos. Por ejemplo el verbo “critiqué” debemos buscarlo bajo criticar y después de consultar en el cuadro azul encontraremos el resto de la información correspondiente a persona, tiempo, modo y número, que en este caso sería primera persona del singular del pretérito del indicativo. Como podemos ver es necesario saber la familia lingüística de la palabra que queremos consultar. El incluir las conjugaciones dentro del diccionario es un progreso importante, pero no suficiente, pues si bien todos aceptamos que el agregar al diccionario Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Enredándose: La Real Academia Española de la lengua on line / Fernando J. Elizondo Garza, Graciela L. España Lozano todos los verbos con todas sus variantes lo harían más voluminoso, en las versiones electrónicas realmente no es un problema mayor el aumentar la base de datos. ¿Si el revisor de ortografía de Word® puede, por que la RAE no? Es importante tener claro que si no escribe la palabra correctamente no obtendrá resultados o tendrá resultados erróneos. Este aspecto se discutirá en el siguiente apartado. Ahora que si se necesita hacer consultas frecuentemente, la REA ofrece la posibilidad de crear un acceso directo para la consulta del diccionario, esta opción se encuentra en la página del diccionario, inmediatamente abajo del cuadro de consultas como “añada el diccionario a su navegador”. Todo lo que tienes que hacer es dar un clic en esa opción y seguir las instrucciones que consisten básicamente en arrastrar el enlace diccionario hasta la barra de vínculos. Con esta opción tendrá disponible el diccionario siempre que abra su buscador de Internet. O si lo prefiere puede tener el acceso directo desde el escritorio de su computadora y así consultar fácilmente cada vez que tengas dudas. ORTOGRAFÍA En lo relativo a la ortografía, el diccionario en línea de la RAE, al no ser inteligente, esta en desventaja con la versión en papel, pues por ejemplo, si uno no le pone el acento a una palabra, ésta aparecerá como inexistente en el diccionario, misma situación si uno teclea mal alguna letra o agrega o quita letras. Hoy en día, todos esperamos que el diccionario de la lengua, como algunos buscadores, ante la solicitud “dia”, nos pregunten ¿quiso decir “día”? o que simplemente aparezcan las opciones posibles relacionadas, fuente de común confusión, por ejemplo cavo y cabo. ¿Que nos ofrece la RAE en la liga “ortografía? Pues nada menos que un excelente manual de ortografía. Pero… se trata de una versión del mismo en PDF (si no tiene lector de PDF, por supuesto que no lo podrá consultar y la página no se preocupa por ofrecerle un link para que descargue en su máquina el lector de Adobe de PDF). El manual es de primera, el índice son ligas, así que seleccionando Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 el tema de su interés y dando un clic sobre el mismo llegamos directamente a lo que queremos consultar. El libro es tan bueno que uno inmediatamente piensa en imprimirlo, para tenerlo cerca, pero no es posible pues esta protegido. Entonces un piensa que de seguro lo venden, y busca en la pantalla un link para poder comprarlo directamente con la tarjeta de crédito vía Internet, pero decepcionado, mejor se olvida, quizás más tarde naveguemos buscando como comprar... Lo anterior implica que no hay ni una visión de servicio: educar a la sociedad, compromiso con el idioma; ni comercial: ponga en el carrito el manual de ortografía, páguelo con su tarjeta y lo recibirá en su casa. GRAMÁTICA En cuanto a gramática, no hay mucho que pueda servirnos pues la Real Academia no lo tiene en este portal, aunque menciona que están trabajando en una gramática actualizada y te ofrece todo el material que quieras adquirir en publicaciones de revistas y libros. Aquí es necesario elevar una protesta por el gran hueco que implica que la gramática oficial no exista, o al menos que no sea accesible a las sociedades hispanoamericanas, pues no es tan complicado ir publicando en la red los diferentes aspectos de la gramática, primeramente la versión actual, y luego lo que se vayan aprobando, que buena falta que nos hace. 63 �OTROS SERVICIOS La REA ofrece muchas otras opciones dirigidas a especialistas en lenguaje como son: consultas lingüísticas a través de correo electrónico; diccionario de dudas; americanismos, consulta facsimilar de Diccionarios Académicos y todas las ediciones de la RAE desde sus inicios, entre otras. Otra liga muy importante, para los especialistas de la lengua, es la que contiene imágenes de la vida académica de la REA. Allí se pueden encontrar los discursos de ingreso de los más recientes académicos junto con los videos de su ingreso. Desde el punto de vista administrativocomercial uno puede registrarse como usuario libre, investigador o sujeto a convenio. Se pueden adquirir las publicaciones de la RAE en euros, pero al seguir la liga de publicaciones en la página principal se abre un sub-menú donde indica comprar, y si lo seguimos nos lleva a una página de la editorial ESPASA, que tiene logos, ligas varias y aproximadamente el 80% de la pantalla en blanco… y así se queda uno esperando el listado de lo que vende la RAE… hasta que, de nuevo, uno puede decidir abandonar el intento. No se si sería por las 64 sorpresas de la red que no ofreció la información esperada o si fue otra trampa del diseñador de la página. COMENTARIOS FINALES Aunque la RAE ha realizado grandes progresos en los últimos años, (incluyendo a las academias de los diferentes países de habla hispana) en lo relativo a su página en Internet y los servicios que ofrecen están muy lejos de las expectativas de la mayoría de la sociedad en general y más de los científicos, tecnólogos, ingenieros, médicos, y profesionistas en general que necesitan comunicarse certera y correctamente. La RAE deberá adecuarse a los tiempos, deberá abrirse aún más a los líderes de las diferentes áreas del conocimiento (como ya lo han empezado a hacer algunos países, como México) con el fin de tener un tiempo de respuesta razonable ante los progresos científico-tecnológicos mundiales y lo más importante, para que los hispanos parlantes nos sintamos usuarios de un idioma que está ordenado, que esta en evolución, que es incluyente, plural y sobre todo, que vive con nosotros. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Eventos y reconocimientos PREMIO DE INVESTIGACIÓN UANL 2003 El día 9 de septiembre de 2004, durante la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la Universidad Autónoma de Nuevo León, el ingeniero José Antonio González Treviño, Rector de la misma, hizo entrega de los Premios de Investigación UANL 2003. Son siete las áreas que se reconocen en el Premio de Investigación UANL: Ciencias Naturales, Ciencias de la Tierra y Agropecuarias, Ciencias de la Salud, Ciencias Sociales, Ciencias Exactas, Humanidades e Ingeniería y Tecnología. El premio económico es de 65 mil pesos por investigación, en caso de haber más de un investigador la cifra se dividirá entre los integrantes del equipo. “En esta edición recibimos más de 90 trabajos y, en ellos destaca la participación de grupos de investigadores en cada una de las áreas a las que convocamos, dado que con este premio buscamos estimular la actividad de los investigadores y generar la formación de recursos humanos de alto rendimiento”, expresó González Treviño. Luego de anunciar a los ganadores de esta edición 2003 del Premio de Investigación, que suman 26 investigadores dado que hay trabajos en los que se involucran más de una persona, el Rector anunció cambios a la convocatoria para participar en la edición 2004. “He dado instrucciones a la Comisión Académica del Consejo Universitario para que ampliaran los apartados de la convocatoria a fin de reconocer los trabajos de los investigadores jóvenes que se están incorporando a los programas doctorales”. Los ganadores, de esta edición 2003 del Premio de Investigación UANL, en las áreas relacionadas con las ciencias exactas y la ingeniería fueron: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 El Ing. Antonio González Treviño, Rector de la UANL acompañado de los ganadores del Premio de Investigación 2003. En Ciencias Exactas la Dra. Leticia M. Torres Guerra y MC Jorge Ibarra Rodríguez, de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL, por su trabajo: Análisis de los cambios en estructura y conductividad con la temperatura de una familia de titanatos de lantano y litio. En Ingeniería y Tecnología se reconocieron a dos grupos de investigación. Por el trabajo: Síntesis de Mg Al2 O4 a baja temperatura con adiciones de CaCO3, al Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, la Dra. Ana María Arato Tovar y el Dr. Moisés Hinojosa Rivera, de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL; y por el trabajo Sistemas de inserción basados en bronces de metales de transición (W, Mo y Nb) para el desarrollo de dispositivos electroquímicos generadores de fuentes alternas de energía, el Dr. Azael Martínez de la Cruz y el MC Isaías Juárez Ramírez, de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. 65 �Eventos y reconocimientos SEMANA REGIONAL PYME 2004 La Cámara de la Industria de Transformación (CAINTRA) en coordinación con el Gobierno del Estado de Nuevo León y la Secretaría de Economía, organizaron la Semana Regional Noreste de la Pequeña y Mediana Empresa 2004, la cual se efectuó del 6 al 10 de Septiembre del año en curso, teniendo como sede el Centro Internacional de Negocios de Monterrey (CINTERMEX). La finalidad del evento fue el vincular las necesidades de las grandes empresas, tanto públicas como privadas en lo relativo a materias primas, productos y servicios, con las PYME. Para ello se concertaron más de 1500 entrevistas entre las pequeñas y medianas empresas, y los compradores, desarrolladores de proveedores y representantes comerciales de las Grandes Empresas. Para la clausura del evento se contó con la presencia del señor Presidente de la República, Vicente Fox Quesada, quien realizó un recorrido por la exposición y alentó al esfuerzo conjunto con unidad como forma de impulsar el desarrollo. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA LABORATORIO DE VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICA x/dst ∞ 5 4 3 2 1 ω/ωn 0 0.5 1 1.5 2 2.5 El Laboratorio de Vibraciones Mecánicas y Acústica cuenta con personal con amplia experiencia en la medición de las vibraciones mecánicas y el ruido que ha desarrollando proyectos de ingeniería en el noreste del país desde 1970. El Laboratorio de Vibraciones ofrece servicios de: • • 66 118-120 TMPE (Hr) 0,01 115-117 0,02 112-114 0,03 109-111 0,06 TMPE (min) 0,47 0,94 1,88 3,75 106-108 0,13 7,50 101-105 0,25 15,00 100-102 0,50 30,00 97-99 1,00 60,00 94-96 2,00 120,00 91-93 4,00 240,00 88-90 8,00 480,00 85-87 16,00 960,00 82-84 32,00 1920,00 79-81 76-78 73-75 64,00 128,00 256,00 3840,00 7680,00 15360,00 70-72 512,00 30720,00 67-69 1024,00 61440,00 62-66 2048,00 122880,00 61-63 4096,00 245760,00 El Laboratorio de Acústica ofrece servicios de: • Estudios de Ruido Perimetral según la NOM081-ECOL-1994. programas de mantenimiento. • Estudios de Ruido Laboral según la NOM-011Diagnóstico de fallas de maquinaria rotativa. STPS-2001. Verificación de exposición a las vibraciones en el • Análisis acústico de recintos. ambiente laboral según la NOM-024-STPS-1993. • Análisis de frecuencias de sonido. Rediseño de montajes de maquinaria rotativa y de • Diseño de aislamientos acústicos. impacto. • Cursos de capacitación. Análisis modal de estructuras. Laboratorios de Vibraciones Mecánicas y Acústica FIME-UANL, Edificio 7, Primer Piso, Ala Norte Tel: 01-818-329-4020, Ext 5762 y 5830 PO BOX No. 28, sucursal F, Cd. Universitaria, San Nicolás, 66420, N.L., México http://www.fime-dim.tk/ • Monitoreo y análisis de maquinaria rotativa para • • RANGO dB(A) 120 117 114 111 108 105 102 99 96 93 90 87 84 81 78 75 72 69 66 63 60 57 54 51 48 45 42 39 36 33 30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Junio-Agosto 2004 Edgar Geovanni Treviño Orozco, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Diseño de Producto, “Proyecto Seis Sigma”, 4 de junio de 2004. Oscar Mendoza Gamboa, M.C. Ingeniería Térmica con especialidad en Materiales, “Evaluación de métodos para la medición de dureza en materiales cerámicos y refractarios de ingeniería”, 7 de junio de 2004. Salvador Meza Vázquez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Soldabilidad de aceros HSLA termogalvanizados para aplicaciones automotrices”, 24 de junio de 2004. Arturo Martínez Carvajal, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Planeación estratégica de la planta”, 29 de junio de 2004. Alvaro Manuel Treviño Acevedo, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Desarrollo de una metodología para pruebas de erosión”, 2 de julio de 2004. José Tarcilo Sánchez Ramos, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Proceso de transformación en la empresa con sistema de producción en masa al sistema de producción ajustada”, 8 de julio de 2004. Yolanda González Perales, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Sistema de seguimiento de atención al cliente en el área de ventas de una compañía comercializadora de equipo de cómputo”, 8 de julio de 2004. Francisco Hernández Cabrera, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización de sangre por espectroscopia de impedencia eléctrica medición de la difusividad térmica del suero”, 14 de julio de 2004. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 Carmen Natalia Rodríguez Burgos, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Aplicación de la tecnología en la educación”, 15 de julio de 2004. Nadia Cobos Zaleta, M.C. Ingeniería de sistemas, “Búsqueda tabú para un problema de diseño de red multiproducto con capacidad finita en las aristas”, 15 de julio de 2004. Jesús Alberto González Murrieta, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Localización de fallas en líneas de transmisión empleando un modelo de línea con parámetros distribuidos y transformaciones modales”, 2 de agosto de 2004. Ezequiel Pérez Muñoz, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control, “Control robusto de bajo orden dinámico para sistemas mimo lti aplicación aun pendobut”, 3 de agosto de 2004. Lionel Sergio Méndez Portillo, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Efecto de la modificación de la matriz y el agregado en la preparación de nanocompuestos a base de polietileno de baja densidad y montmorillonita”, 4 de agosto de 2004. Va l e r i a P a o l a G o n z á l e z D u e ñ e z , M . C . Administración con especialidad en sistemas, “Clasificación de fallas y oscilaciones en un sistema eléctrico utilizando el algoritmo de perceptros difuso”, 4 de agosto de 2004 Leonardo Chávez Guerrero, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en materiales, “Obtención de los parámetros de autoafinidad en la propagación de grietas sobre materiales amorfos”, 6 de agosto de 2004. 67 �Titulados a nivel Maestría en la FIME. Junio-Agosto 2004 Bertha Guadalupe Carrales Rivera, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Estrategias para incrementar el promedio de la materia computación en grupos de 4° semestre de la preparatoria-23 de la UANL”, 9 de agosto de 2004. Jesús Omar González González, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales “Influencia del fe +si y del trabajado en caliente previo en una aleación de aluminio 1350 durante su trefilado”, 10 de agosto de 2004. Hilda Patricia Luna Olvera, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “La música en el aula: una herramienta para incrementar el rendimiento escolar”, 13 de agosto de 2004. Yoli Salinas Gómez, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Técnicas grupales para obtener un nivel de aprovechamiento académico satisfactorio n alumnos de tercero y cuarto semestre del nivel medio superior en las materias de matemáticas en la preparatoria no. 22 de la U.A.N.L.”, 13 de agosto de 2004. Erendira Hernández Jáuregui, M.C. Ingeniería con especialidad en Materiales, “Fatiga en aleación termotratable de vaciado”, 18 de agosto de 2004. 68 Eva Mirella Martínez Rodríguez, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Implantación de una clase de calidad en la Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Pablo Livas poniente”, 20 de agosto de 2004. Alejandro Mendoza Viveros, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Análisis de resonancia subsíncrona y contramedidas”, 20 de agosto de 2004. Nancy Elizabeth Vázquez Calvillo, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Metodología para el estudio de las pruebas de fatiga en una aleación trabajada de aluminio”, 26 de agosto de 2004. José Alejandro González Villarreal, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de transferencia de calor en componentes automotrices de alta tecnología”, 26 de agosto de 2004. Conrado Borraz Sánchez, M.C. Ingeniería de Sistemas con especialidad en , “Una metodología de solución basada en programación dinámica no secuencial y búsqueda tabú para la operación eficiente de sistemas de trasporte de gas natural en estado estable”, 27 de agosto de 2004. Jacinto Javier Rodríguez Domínguez, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Estimación de las tasas efectivas de impuesto sobre la renta e impuesto al valor agregado por sectores de la economía”, 30 de agosto de 2004. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Acuse de recibo Revista UNIVERSIDADES La Unión de Universidades de América Latina (UDUAL) edita semestralmente la publicación Universidades (ISSN-0041-89351), especializada en asuntos de educación superior, en la que se analizan la dinámica, situación y perspectivas de este sector sirviendo además como tribuna plural para el pensamiento universitario en general, y particularmente para sus instituciones afiliadas. Sobre su contenido, llama la atención una inusual combinación de aspectos puramente educativos, política internacional, tecnología y arte pictórico y poético, integrados en un documento impreso estético y de calidad. En la edición Enero-Junio del 2004, se presentan entre otros un par de interesantes artículos, uno sobre “Evaluación académica del posgrado: Un estudio de los procedimientos de gestión aplicados en el ámbito latinoamericano” y otro sobre un “Programa de cómputo para el desarrollo de la lectura estratégica a nivel universitario”, por cierto se puede tener acceso a este programa a través de la red. Para mayor información proporcionan la siguiente dirección electrónica, udual1@servidor.unam.mx (C.A.L.Ch.) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 Revista INTERFACES Interfaces es una revista que se publica cada dos meses y está dirigida a personas interesadas en las áreas de Investigación de Operaciones (IO) y Ciencias de la Administración (MS). Los objetivos de esta revista son mejorar el intercambio de información entre los administradores y los profesionistas en IO y MS así como divulgar entre la comunidad académica la aplicación de métodos y técnicas de estas importantes áreas del conocimento. La mayoría de sus artículos son descripciones de la práctica de IO y MS en las diferentes áreas como son el comercio, industria, educación y gobierno . En esta publicación también se encuentran artículos que discuten problemas operacionales que aún no cuentan con resultados cuantificables, además de tutoriales, revisiones del estado del arte y otros tipos de información original enfocada a la práctica de IO y MS. Para mayores informes puede visitar la página de la revista en la dirección: http://interfaces.pubs.informs. org (Yanet Villalobos Morales) 69 �Colaboradores Alvarado Escamilla, Raúl Maestro en Ciencias en Ingeniería de las Telecomunicaciones por la UANL, México, en 1999. Desde 1984 hasta la fecha es maestro de tiempo completo de la FIME–UANL. En 1999 se incorporó como maestro del Posgrado donde participa actualmente impartiendo las catedras de Procesamiento Digital de Señales y de Comunicaciones Digitales. Cantú Gutiérrez, Paz Vicente Ingeniero Electricista (1977) y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia (1993) por la FIME-UANL, México, donde es profesor desde 1974 y Coordinador del Departamento de Potencia Eléctrica. Sus áreas de investigación son la protección de sistemas eléctricos de potencia, y calidad de la energía. Conde Enríquez, Arturo Ingeniero Mecánico Electricista por la Universidad Veracruzana (1993), Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica por la UANL (1996) y Doctorado en Ingeniería Eléctrica (2002) en la misma institución. Actualmente es profesor de tiempo completo en el Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la UANL, y responsable del Laboratorio de Sistemas Eléctricos de Potencia y protecciones. Es candidato a investigador por parte del SNI. Díaz Altamirano, Jaime Ingeniero en electrónica egresado del Instituto Tecnológico de Oaxaca y actualmente cursa la Maestría en Ciencias en Electrónica y Computación con especialidad en Sistemas Distribuidos en la Universidad Tecnológica de la Mixteca. 70 Díaz López, Mario Alberto Biólogo por la Facultad de Ciencias Biológicas, UANL. Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería en Salud Pública por la Facultad de Ingeniería Civil, UANL. Doctorado en Ciencias Biológicas con especialidad en Ecología por la Facultad de Ciencias Biológicas, UANL. Actualmente colabora con el Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad Regiomontana. Diego Nava, Fidel Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica por la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del IPN. Actualmente trabaja en el Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional Unidad Oaxaca del IPN. Su líneas de investigación son interacción de las herramientas de labranza con el suelo y el diseño de aperos de tracción animal. Elizondo Garza, Fernando Javier Ingeniero Mecánico Electricista por la FIMEUANL. Diplomado en Administración de Tecnología en el CINVESTAV del IPN. Maestría en Ingeniería Ambiental por la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. Actualmente es catedrático y consultor de la FIME. Director de la revista Ingenierías. España Lozano, Graciela L. Licenciada en Letras y Maestría en Educación Superior por la Universidad Regiomontana. Miembro del consejo editorial del ICUCULT y de la revista Papeles de la Mancuspia. Ha sido maestra de literatura en las Universidades: UR., ITESM, UDEM, UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �Colaboradores González González, Virgilio Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales otorgado por la FIME-UANL. Ha sido investigador en el campo de los polímeros desde 1975, tiene en su haber más de 40 publicaciones técnico-científicas y de difusión. Es miembro del SNI nivel I. Es profesor de tiempo completo de la FIME desde 1998. Hinojosa Rivera, Moisés IMA (1988), Maestría (1991) y Doctorado (1996) en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL, Postdoctorado en ONERA (Chatillôn, Francia, 1997-1998), Investigador Nacional Nivel I y Miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Profesor-Investigador de la FIME-UANL desde 1998. Actualmente es Coordinador de la División de Ingeniería Mecánica de la FIME-UANL. Martínez y Cárdenas, José Rodolfo Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica egresado de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del IPN y actualmente cursa el doctorado en Ciencias en Electrónica y Computación en la Universidad Tecnológica de la Mixteca. Profesor titular C del CIIDIR Unidad Oaxaca del IPN. Sus líneas de investigación son la instrumentación para agricultura y conversión de imágenes a patrones acústicos. Martínez Negrete, Marco Antonio Profesor de tiempo completo del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la UNAM. Doctor en Ciencias por la misma facultad. Temas de investigación y docencia: termodinámica, energéticos, fundamentos y docencia de la física. Ortiz Méndez, Ubaldo Egresado de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencias de Materiales en la Universidad Claude Bernard de Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de la FIME-UANL, y miembro del SNI nivel I. Actualmente es Secretario Académico de la UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 Ríos Mercado, Roger Z. Recibió sus títulos de Doctor y Maestro en Ciencias en Investigación de Operaciones e Ingeniería Industrial de la Universidad de Texas en Austin, y su título de Licenciado en Matemáticas de la UANL. Actualmente es Profesor de Tiempo Completo en la División de Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la FIME-UANL. Sus áreas de interés son investigación de operaciones, desarrollo de heurísticas y optimización estocástica, con aplicación a problemas de toma de decisiones. http://yalma. fime.uanl.mx/~roger/ Sánchez Cárdenas, Jonathan Es IME egresado de la FIME-UNAL (2001) y cursó la maestría en Ingeniería de Materiales en esta institución y labora en la empresa DENSO. Valenzuela Luna, Mireya Lisset Ingeniería en Sistemas Computacionales por el Instituto Tecnológico de Tepic (2004). Fue becada en el verano del 2003 por el Programa de Verano de la investigación Científica del Pacifico (DELFIN), donde llevó a cabo una estancia de investigación en en la División de Posgrado en Ing. de Sistemas (yalma. fime.uanl.mx/~pisis) de la FIME en la UANL. Vázquez Martínez, Ernesto Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones (1988), Maestría (1991) y Doctorado en Ingeniería Eléctrica (1994) por la UANL, México. Desde 1996 es Profesor Investigador del Programa Doctoral en Ingeniería Eléctrica de la UANL, México, donde actualmente es el Coordinador de la División de Estudios de Postgrado en Ingeniería Eléctrica. Investigador Nacional, SNI Nivel I. Sus áreas de investigación son la protección de sistemas eléctricos de potencia, y la aplicación de técnicas de inteligencia artificial en sistemas eléctricos de potencia. Zaid, Gabriel Ingeniero Mecánico Administrador por el ITESM, Monterrey (1955). Fue miembro del consejo de la revista Vuelta (1976-1992). Ingresó en El Colegio Nacional el 26 de septiembre de 1984. Miembro de la Academia Mexicana de la Lengua (desde 1986). Ha recibido el premio Xavier Villaurrutia (1972) y el premio Magda Donato. Poeta y analista político. 71 �Información para colaboradores Se invita a profesores e investigadores de las diferentes áreas de la ingeniería a colaborar en la Revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes, convocatorias, etc. Es requisito indispensable que las colaboraciones estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. No deberán estar redactadas en primera persona. Solamente se aceptarán trabajos en inglés de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos serán sujetos a arbitraje tipo doble anónimo siendo inapelable el veredicto de los revisores. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la FIME-UANL LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras y carta de cesión de derechos, en formato electrónico .doc de Word, en disquete, CD o por E-mail a las direcciones: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx hinojosa@gama.fime.uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por 72 artículo es cuatro. La extensión de los artículos no deberá exceder de 8 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como inglés. Las referencias irán numeradas en el orden que fueron citadas en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, en formato jpg, con 300 dpi y con al menos 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales. Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4020 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx Ingenierías, Octubre-Diciembre 2004, Vol. VII, No. 25 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2004 Volumen Volumen de la revista 7 Número Número de la revista 25 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2004, Vol 7, No 25, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2004 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020788 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Aritmética Comunicaciones digitales Fractura de nylon Métodos heurísticos Relevador digital https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20747/Ingenierias_2004_Vol_7_No_24_Julio-Septiembre.pdf 39a18944fa0ec8db3405c86615880dea PDF Text Text ���Editorial: Revalorando la ciencia y la tecnología Moisés Hinojosa Rivera FIME-UANL hinojosa@gama.fime.uanl.mx Hay signos alentadores de que en nuestro país y particularmente en nuestra región está ocurriendo una revaloración de la ciencia y la tecnología que busca hacer de ellas el eje de los programas educativos, industriales, económicos, ecológicos y de salud, con el fin de maximizar los beneficios para la sociedad. Por primera vez parece que hay una visión que puede resultar en un efecto sinérgico en los esfuerzos conscientes e inconscientes que en distintos ámbitos se realizan. Me refiero a los sectores: industrial, académico y gubernamental, en sus diversas manifestaciones. PRIMERO INDUSTRIA… LUEGO UNIVERSIDADES Es sabido que el desarrollo industrial de la ciudad de Monterrey inició su despegue desde fines del siglo XIX, este desarrollo se basó por décadas en industrias tradicionalistas y pesadas como la industria cervecera, la minera y siderúrgica, la metalmecánica, la del vidrio, la del cemento y la textil, entre otras. Considerando que las Universidades locales tuvieron su origen formal en el primer tercio del siglo XX, es claro que el desarrollo al que aludimos se dio empleando conocimiento y tecnología importada y adaptada. La industria en la región nació y se desarrolló con cierta dependencia tecnológica y con modestos vínculos con entidades académicas o científicas. En otras palabras, primero llegaron la industria y la tecnología. La ciencia y la investigación llegaron después y no han terminado de instalarse. La creación de las universidades en la región, ciertamente apoyada por el sector industrial, vino a fortalecer el desarrollo tecnológico, económico y cultural de Monterrey y Nuevo León. Puede decirse, sin embargo, que las instituciones de educación superior no llegaron a consolidar su quehacer, pues no motivaban a introducir grandes cambios de naturaleza tecnológica o científica, ni mucho menos se hacía necesario considerar a la ciencia y la investigación básica y aplicada como algo estratégico que tuviera que estar incluido de manera preponderante en la agenda social y política, ni que decir de la desconexión entre ciencia/tecnología y humanidades, que implica el perder de vista el fin social fundamental de la ciencia. Hay que reconocer que las universidades han cumplido con su papel de educar los cuadros operativos de las industrias, las empresas, y el gobierno. Esta situación reflejaba de alguna forma lo que sucedía en el resto del país, sobre todo cuando se considera que la Academia Mexicana de Ciencias se creó hace apenas 45 años, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología hace un poco Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 3 �Editorial / Moisés Hinojosa Rivera más de treinta años y el Sistema Nacional de Investigadores se instituyó hace sólo 20 años. Debemos precisar que, a nivel regional, el desarrollo científico en las áreas médicas y biológicas precedió al de las áreas de ingeniería y tecnología, en parte por estar éstas de cierta manera al margen de las vicisitudes de la actividad industrial, aunque esto ha empezado a cambiar. PROGRESOS AISLADOS = RETRIBUCIÓN SOCIAL LIMITADA Después del cierre de la Fundidora de Hierro y Acero de Monterrey, y la apertura provocada por el TLC, como parte del proceso de globalización, se desencadenaron cambios en la industria regional: más maquiladoras y empresas manufactureras se instalaron en Nuevo León, al tiempo que empresas locales se vieron forzadas a diversificarse, asociarse y fusionarse o simplemente cerrar. Puede decirse que en los últimos veinte años la industria manufacturera asimiló y acumuló una cultura técnica y de trabajo orientada al nivel internacional, particularmente por la influencia de las empresas norteamericanas y sus exigentes sistemas de calidad. Paralelamente, en el ámbito académico los esfuerzos de investigación en las áreas de ingeniería se empezaron a formalizar con la creación de doctorados, y sus maestrías asociadas, a partir de la segunda mitad de la pasada década de los ochentas. Por otro lado, la divulgación científica sistemática legitimó su formalización a través de publicaciones como CiENCiAUANL y esta revista INGENIERIAS, que se encuentran en su sexto año de aparición continua. Entre los signos que motivan estas reflexiones, podemos mencionar, sin siquiera remotamente pretender ser exhaustivos que: el actual gobierno de Nuevo León tiene como proyecto estratégico hacer de Monterrey una Ciudad Internacional del Conocimiento. Se ha anunciado la creación de centros de investigación para el desarrollo tecnológico en la UANL. Un investigador renombrado es el Secretario de Educación del país. Nuestra Universidad promueve activamente planes de movilidad internacional para sus estudiantes de licenciatura. Se trabaja actualmente en un proyecto de vinculación entre Nuevo León, Coahuila y Tamaulipas con Texas, en el que el intercambio científico y académico juegan un papel preponderante. Recientemente se aprobó en nuestro estado una Ley para el Fomento del Desarrollo Basado en el Conocimiento. Las instituciones privadas de educación superior están reconociendo la importancia de contar con investigadores activos y realizar trabajos de investigación aplicada. Ya existen empresas cuyos clientes pertenecen a industria aeronáutica. Un número aún pequeño, pero esperanzador y creciente, de industrias locales ya cuenta con departamentos de investigación y desarrollo realizando efectivamente esas tareas vinculándose con universidades y centros de investigación. Las universidades han comenzado a promover una cultura de propiedad intelectual y desarrollo de patentes. La UANL ha estado en los últimos seis o siete años financiando proyectos de investigación a través de su programa PAICYT. A nivel nacional, las políticas de la Secretaría de Educación Pública se están enfocando a promover un equilibrio en las actividades de los profesores universitarios, incluyendo en dicho balance de manera destacada las actividades de generación del conocimiento. Aunque se podría ser más extenso, lo mencionado basta para 4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Editorial / Moisés Hinojosa Rivera ilustrar que efectivamente nos encontramos en un proceso de evolución en que el conocimiento científico está siendo revalorado y comienza a considerarse como un activo estratégico y elemento clave para la competitividad. INDUCIENDO SINERGIA Todos estos signos son alentadores y podemos ser optimistas de que Nuevo León contribuirá cada vez con un mayor ritmo a mejorar la situación económica y tecnológica nacional, para hacer que nuestro país salga del lugar 67 en producción científica que actualmente ocupa entre los países de la OCDE. Por supuesto que para esto se requerirá que en nuestro estado se invierta mucho más en ciencia y tecnología de lo que actualmente se “gasta” en ello. Nuevo León debería, en un futuro cercano, estar invirtiendo un porcentaje de su PIB similar al promedio de dichos países, que es de 2.3%, lo que contribuiría a sacar al país del último lugar en inversión científica. También debemos trabajar de manera más decidida para modificar la geografía científica nacional, aunque este es un tema que merece ser tratado aparte de manera amplia. En resumen, estamos asistiendo a un proceso donde sin comprometer la destacada posición de la industria pesada tradicional de Nuevo León, surge la oportunidad para establecer empresas de base tecnológica más intensiva. Estamos tomando conciencia de que tener industria sólo es una ventaja competitiva si se elaboran productos de alto valor agregado que permitan respaldar nuestro crecimiento y desarrollo. Al mismo tiempo se está revalorando el conocimiento y a las personas e instituciones que lo cultivan. Esas son buenas noticias, pero hay que acelerar el paso. La tecnópolis que puede resultar de esto requiere de muchos tecnociudadanos y, la mera verdad, pareciera que todavía existen muy pocos. El reto es enorme y nos incumbe a todos: hacer que todos los esfuerzos aislados se orienten a un fin común, lo cual no sucede en forma natural, pues cada sector tiene su lógica, lenguaje y metas independientes, por lo que sólo el estado, coordinando con efectividad, induciendo la comunicación, actuando enérgicamente para controlar los vectores negativos y apoyando decididamente los esfuerzos positivos puede hacer que las condiciones potenciales existentes se conviertan en la realidad que la sociedad exige. Monterrey, N.L., México: ciudad internacional del conocimiento. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 5 �Nuevo material orgánico luminiscente para dispositivos optoelectrónicos Roberto Carlos Cabriales Gómez, Virgilio González González DIMAT FIME-UANL. Pedro de Alba S/N, San Nicolás, 66451, Nuevo León, México. gonzal@ccr.dsi.uanl.mx Ivana Moggio, Eduardo Arias Marín Centro de Investigación en Química Aplicada. Blvd. E. Reyna 140, Saltillo, 25100, Coahuila, México. RESUMEN Desde el descubrimiento, en los años 70, de que algunos polímeros conjugados presentan propiedades semiconductoras, que anteriormente eran sólo reconocidas en materiales inorgánicos, se abrieron nuevas áreas de investigación, desde ciencia básica hasta aplicaciones tecnológicas. La aplicación de mayor relevancia de estos materiales es la fabricación de pantallas o “displays”. Nuestra contribución en el área es la síntesis de un nuevo oligómero conjugado fluorescente, obtenido mediante condensación aldólica cruzada entre el 2,5-bis(o ctiloxi)tereftaldehído y la acetona. Se presentan los resultados preliminares de la obtención del oligómero y sus características de fluorescencia y autoensamblaje, que lo hacen un material con fuerte potencial para la construcción de dispositivos optoelectrónicos. PALABRAS CLAVE Polímeros conjugados, luminiscencia, diodos orgánicos, condensación aldólica. ABSTRACT The discovery of certaina polymers that presented semiconducting properties, in the 70’s, previously recognized exclusively in inorganic materials, opened new research lines, from basic science to technologic applications. The most important application of this materials is display’s manufacturing for the elaboration of flexible plastic screens for TVs and computers. In this paper is reported the synthesis of a new fluorescent molecule prepared for the first time by condensation of acetone with 2,5-bis(octyloxy)terephthalaldehyde. Preliminary results on its synthesis and photoluminescent and selfassembling characterization are presented, which suggest that this material could be used for the realization of optoelectronic devices. KEYWORDS Conjugated polymers, luminescence, organic diodes, aldol condensation 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Nuevo material orgánico luminiscente... / Roberto Carlos Cabriales Gómez, et al INTRODUCCIÓN Los polímeros y oligómeros conjugados son una nueva clase de materiales orgánicos que presentan una elevada deslocalización de electrones p en su cadena principal. Esta característica les imparte propiedades electrónicas y ópticas inusuales que pueden aprovecharse en la construcción de dispositivos electroluminiscentes,1,2 de óptica no lineal3 y de reconocimiento molecular como los biosensores.4 Los sistemas π-conjugados combinan las propiedades de los materiales semiconductores cristalinos inorgánicos (Germanio, Silicio, Galio) con la ventaja que tienen los plásticos de poder ser moldeados y procesados para recubrir grandes superficies,5,2 hecho que permite la fabricación de paneles luminosos a bajos precios y útiles en la fabricación de pantallas de computadora, de televisión, etc. El fuerte impacto que están teniendo estos materiales en el ámbito científico y tecnológico es tal que el Premio Nobel de química del año 2000 fue otorgado a los investigadores Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa, quienes han dedicado su trabajo de investigación al estudio de las propiedades semiconductoras en polímeros conjugados. Hasta ahora, las aplicaciones comerciales importantes que involucran materiales orgánicos como elementos dispositivos optoelectrónicos han sido en la xerografía, específicamente en las fotocopiadoras, las cuales emplean el poli(vinil carbazol) como material fotorefractivo y pantallas planas y delgadas, cabe señalar 6 que Pioneer Electronics fue la primera compañía en introducir en 1998 una pantalla monocromática para automóviles fabricada a partir de nanopelículas orgánicas. A raíz de este suceso, diferentes compañías como la Philips, la Seiko y la Dupont, han venido fabricando prototipos de pantallas a colores, basándose en las técnicas desarrolladas para la construcción de pantallas de cristales líquidos. Como se sabe, los cristales líquidos no son electroluminiscentes y en cambio el oligómero aquí reportado, al estar constituido por segmentos rígidos y flexibles podría, además de ser luminiscente presentar propiedades mesomorfas,7 es decir, de cristal líquido, lo que implica la posibilidad de ser aprovechado en Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 ambos sentidos, como luminiscente y como cristal líquido. Un dispositivo orgánico electroluminiscente (figura 1), cuenta con cuatro partes principales:2,8 1. Un sustrato rígido que generalmente es vidrio o un polímero flexible como el poli(carbonato) o el poli(etilen tereftalato). 2. Un electrodo trasparente y conductor del tipo ITO (por sus siglas en ingles “Indium-Tin-Oxide” que es un óxido mixto de indio y estaño muy usado en la fabricación de pantallas de cristal líquido), por el cual se inyectan huecos y el que se polariza positivamente cuando el diodo se pone bajo tensión eléctrica. 3. Una película nanométrica constituida del material orgánico semiconductor. 4. Un electrodo que inyecta electrones, constituido normalmente por un metal (por ejemplo magnesio, calcio o aluminio) que se deposita sobre la película emisora por evaporación a alto vacío. Fig. 1. Estructura de un diodo electroluminiscente orgánico.2 Las propiedades de procesado de los polímeros conjugados permite obtener diodos flexibles y con bajo costo de fabricación. El proceso físico que da lugar a la electroluminiscencia en materiales orgánicos se describe (figura 2), como un proceso de cuatro etapas.8 1. La inyección de electrones y huecos al material (mediante electrodos). 2. La captura de portadores de carga con la consecuente deformación de la molécula (recombinaciones electrón/hueco). 3. La redistribución de la carga eléctrica en la molécula que genera estados excitados o excitones. 7 �Nuevo material orgánico luminiscente... / Roberto Carlos Cabriales Gómez, et al Fig. 2. Etapas básicas del fenómeno de electroluminiscencia en materiales orgánicos. 1. Inyección de portadores de carga, 2. Transporte de portadores de carga, 3. Formación 4. Paso al estado electrónico fundamental de los excitones con emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas (fotoluminiscencia) o calor. Los excitones pueden ser singuletes (espines de los electrones opuestos) o tripletes, (espines paralelos) y la desexcitación que produce energía luminosa es solo la de los exitotes singuletes, los tripletes producen energía en forma de calor. El material orgánico emisor debe satisfacer dos requisitos principales: 1. Presentar una estructura electrónica deslocalizable así como una buena característica de fluorescencia a la longitud de onda de su máxima absorción. 2. Debe ser compatible con la técnica de fabricación del dispositivo, es decir, debe poder ser procesado en nanopelículas sin defectos, para lo cual es importante que sean solubles, y que las películas sean uniformes y estables. Entre las substancias formadas por moléculas conjugadas de más relevancia tanto científica como tecnológica, están: los poli(p-fenil vinilidenos),1,2,7 poli(tiofenos)9 y los poli(fluorenos).10 Sin embargo, muchos de los polímeros actualmente en estudio aún no satisfacen completamente los requisitos necesarios para la fabricación de pantallas planas con características y costos competitivos con las de cristales líquidos. De allí la importancia de buscar nuevos materiales con emisión de luz cada vez más específicas y a bajos voltajes así como realizar estudios que evalúen los efectos morfológicos de la película emisora sobre las propiedades ópticas.7,11 8 CONDENSACIÓN ALDÓLICA En general, la condensación aldólica es una reacción muy conocida de adición nucleófila entre una acetona y un aldehído y procede en dos etapas:12,13 1. Los hidrógenos α (C=O) de la acetona son ácidos y se desprenden por la acción de una base fuerte formando un nucleófilo. 2. Este nucleófilo se adiciona al carbocatión del aldehído para formar un β-aldol intermediario. En esta etapa y dado que el medio sigue siendo básico, puede ocurrir, por un lado la formación de otro nucleófilo y por otro lado, la formación de otro carbocatión que darían lugar a la formación de dímeros, trímeros, etc. Ahora bien, en una última etapa el aplicar calor al medio de reacción provoca que los β-aldol se deshidraten formando los dobles enlaces, figura 3. Por esta ruta de síntesis, nótese que las moléculas siempre tienen como grupos funcionales terminales aldehídos o cetonas. Fig. 3. Ruta de síntesis mediante condensación aldólica de substancias con moléculas conjugadas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Nuevo material orgánico luminiscente... / Roberto Carlos Cabriales Gómez, et al OBJETIVO Sintetizar y caracterizar un nuevo polímero conjugado aprovechando la reactividad que tiene un aldehído con una acetona, mediante la ruta conocida como condensación aldólica. Evaluar las propiedades ópticas del polímero y la factibilidad de elaborar nanopelículas con buenas características morfológicas que permitan su posible aplicación en la construcción de dispositivos electroluminiscentes. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Síntesis: A una solución de NaOH (1 mmol) y tereftaldehido (0.5 mmol) en 20 ml de etanol/H2O (1:1) y 5 ml de tetrahidrofurano, previamente calentada a 60°C, se le añaden lentamente y con agitación 0.5 mmol de acetona disuelta al 16.6 %v también en etanol/H2O (1:1), después de 20 min. Se enfría el medio de reacción, se filtra y el precipitado se lava repetidas veces con agua destilada. Caracterización: El espectro infrarrojo (IR) se obtuvo en forma de película con un espectrofotómetro IR-FT Nicolet Magna-550. La resonancia magnética nuclear se hizo con espectrofotómetro JEOL de 300 MHz usando cloroformo deuterado como disolvente. Los espectros UV-Vis y de fluorescencia se obtuvieron con un espectrofotómetro Shimadzu 2401PC y con un espectrofluorimetro Perkin Elmer LS50B, respectivamente. El peso molecular se obtuvo por GPC utilizando un Cromatógrafo de Permeación en Gel (GPC) de alta temp. “Watters” en solución de 1g/L en THF, con un flujo de 1 ml/min, habiendo usado estándares de poliestireno para su calibración. Películas. Las películas se prepararon en substratos de cuarzo previamente tratados según el procedimiento RCA.14 Se utilizaron disoluciones en CHCl3 grado espectroscópico de concentración de 2.8 g/L. Se elaboraron por autoensamblaje, con tiempo de inmersión de 20 minutos y secado al aire. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En el espectro IR del producto de condensación aldólica, se evidenciaron las bandas características del grupo carbonilo (a 1740 cm-1), de los enlaces C=C vinílicos (1710 cm-1), del anillo aromático (1610 cm-1) así como de las terminaciones (2850 cm-1), Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 coincidiendo todas estas señales con la estructura propuesta (Figura 3). En la figura 4 se muestra el espectro de 1HNMR y esta figura, junto con la figura 5 describe la asignación de los picos de acuerdo, apreciándose que se corrobora la estructura química esperada, observando que hay grupos funcionales terminales cetona y La cromatografía de permeación en gel reporta los siguientes valores de pesos molecular: Mn = 1,680, Mw = 2,864 y MWD = 1.7, lo que indica, de acuerdo al peso molecular de la unidad repetitiva, que el Fig. 4. Espectro 1HNMR del producto de condensación aldólica, las letras sobre los picos corresponden a su asignación la cual se muestra en la figura 5. Fig. 5. Estructura del producto de condensación aldólica y asignación de picos de 1HNMR aldehído. 9 �Nuevo material orgánico luminiscente... / Roberto Carlos Cabriales Gómez, et al producto es principalmente un heptámero mezclado con otros oligómeros de menor y mayor tamaño. De acuerdo a reportes en la literatura,2,7,11,14 la extensión efectiva de la conjugación de un heptámero se aproxima a la de un polímero de alto peso molecular, de manera que se espera que las propiedades luminiscentes del PBTA sean análogas a las del polímero correspondiente y por lo tanto sea más conveniente el oligómero para evitar la disminución de solubilidad y la posible pérdida de las propiedades de autoensablaje. Las propiedades ópticas del sistema en disolución y en películas se resumen en la tabla I. En la figura 6 se reportan los espectros UV-Vis y de fluorescencia del PBTA en disolución y en película. En absorción se observan dos bandas con máximos a 330 y 427 nm para la muestra en disolución y a 340 y 441 nm para las películas. La banda a menor longitud de onda se puede asignar al anillo aromático substituido y el de baja energía a transiciones electrónicas en las cadenas conjugadas. Tabla I. Máximos de absorción U.V. Vis. y emisión del PBTA La fluorescencia en ambas muestras se presenta con un máximo en la región del verde aunque con corrimientos batocrómicos de alrededor de 10 nm, fenómeno observado comúnmente en otros polímeros y conocido como solvatocromismo,15 resultado de cambios en el empaquetamiento molecular. La figura 7 muestra los espectros UV-Vis de películas de número variable de capas de PBTA hasta llegar a 6. Las propiedades ópticas en todas ellas son parecidas a las que se discutieron para las muestras de la figura 6, a excepción de una mayor contribución de la línea de base conforme aumenta el número de capas. Sin embargo, el valor de absorbancia al pico de 338 nm normalizado para eliminar la contribución de la línea de base, aumenta de forma lineal en función del número de capas. Este comportamiento, de acuerdo con la ley de Lambert-Beer, indica que se está transfiriendo la misma cantidad de material en cada inmersión. Este resultado es de importancia ya que indica la capacidad del PBTA de formar multicapas por autoensamblaje,7,11,14 característica que le da grandes ventajas si se llegara a utilizar en la construcción de diodos luminiscentes. Longitud de onda (nm) Forma de la muestra Absorción Emisión Máx 1 Máx. 2 Máx 1 Disolución 330 427 523 Película 340 441 533 Fig. 7. Espectros UV-Vis de muestras con PBTA con diferente número de capas (hasta 6, se indican en figura), inserto; gráfica de la absorbancia a 338 nm normalizada con respecto al valor a 650 nm, vs. número de capas (cada capa es doble, una a cada lado del substrato). Fig. 6. Espectros de absorción U.V. Vis. del PBTA a) en disolución, b) en película y sus espectros de fluorescencia, c) en disolucón y d) en película. 10 Análisis preliminares de la morfología por AFM (figura 8), indican que las películas presentan una topografía granular uniforme y de baja rugosidad (Rugosidad media cuadrada RMS = 0.89 nm), análoga a las encontradas en otros sistemas conjugados. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Nuevo material orgánico luminiscente... / Roberto Carlos Cabriales Gómez, et al Fig. 8. Imagen de AFM de 2 µm de barrido, de una película de PBTA depositada por autoensamblaje. Fig. 9. Heptámero obtenido, con diferentes concentraciones presenta diferentes colores. CONCLUSIONES Se reporta por primera vez la utilización de la reacción de condensación aldólica cruzada para obtener oligómeros con estructuras conteniendo dobles enlaces conjugados. En particular, los resultados preliminares de caracterización del producto de la reacción entre un equivalente de 2,5-bis(octiloxi)tereftaldehído y uno de acetona indican que el material obtenido es un heptámero con dobles enlaces conjugados en su cadena principal, fluorescente en la región del verde y propiedades de solubilidad y autoensamblaje que en su conjunto le dan gran potencial de ser electroluminiscentes útil en la construcción de diódos luminiscentes y otros dispositivos optoelectrónicos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 REFERENCIAS 1. Burroughes J.C.; Bradley D.D.C.; Brown A.R.; Marks R.N.; Mackay K.; Friend R.H.; Burns P.L.; Colmes A.B., Nature V347, 539, (1990). 2. Akelrud L. Prog. Polym. Sci., V28, 875, (2003). 3. 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Sci. 25, 1089, (2000). 11. Arias-Marin E. ; Arnault J. C. ; Guillon D. ; Maillou T. ; Le Moigne J.; Geffroy B.; Nunzi J.M., Langmuir 16 (2000), 4309. 12. Yurkanis Bruice P., Organic Chemistry, Englewood Cliffs, New Jersey, Prentice Hall ed., 1995. 13. Palomo C.; Oiarbide M.; García J.M. Chem. Soc. Rev. 33, 65, (2004). 14. Espinosa C.; Moggio I.; Arias-Marín E.; RomeroGarcía J.; Cruz-Silva R.; Le Moigne J.; OrtizCisneros J., Synth. Met., en prensa. 15. He G.; Yang Ch.; Wang R.; Li Y., Displays 21, 61, (2000). 11 �México y los códigos de ética para árbitros de comercio internacional María Catalina Aguilar Garib University of Texas at Austin, School of Law Juan Antonio Aguilar Garib Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-UANL. jaguilar@gama.fime.uanl.mx RESUMEN Aunque tradicional, la sociedad mexicana está lejos de ser estacionaria. Las reformas en México durante la última década ha comenzado a cambiar las relaciones cotidianas de los mexicanos con el gobierno, las agencias y entre ellos mismos. México ha reconocido la utilidad del arbitraje, de aquí estos cambios incluyen reformas que fueron hechas al Código de Comercio con respecto a la implementación de los procedimientos de arbitraje en las leyes mexicanas. El propósito del arbitraje en la mayoría de los sistemas legales es alcanzar un dictamen final de las disputas entre personas, quienes confían en él por hacer una determinación justa e imparcial. A pesar de las ventajas que muestran los procedimientos de arbitraje, hay una falta de uniformidad en los principios éticos orientados a regular la conducta de los árbitros. Por esta razón, es necesario establecer en el ámbito mundial un marco armonizado de guías éticas. Este artículo se centra en una visión del caso mexicano comparado con otros sistemas. PALABRAS CLAVE Código, ética, arbitraje, comercio internacional. ABSTRACT Mexican society, while traditional, is far from stationary. Economic reforms in Mexico during the last decade have begun to change mexican’s customary relationships with their government, their agencies and among each other. These changes include several reforms made to the Code of Commerce on the implementation of the arbitral process into the mexican laws. While in evolution, Mexico is acknowledging the usefulness of arbitration. The purpose of arbitration in most systems of law is to achieve a final and binding determination of disputes by private persons who can be relied upon to make that determination fairly and impartially. Despite these advantages of the arbitral procedures, there is a lack of uniformity in the ethical principles aimed to regulate the conduct of the arbitrators. Therefore, a harmonized framework of ethical guidelines is necessary worldwide. A general overview of the mexican case compared to other systems is the focus of this paper. KEYWORDS Code, ethics, refering, international commerce. 12 Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �México y los códigos de ética para árbitros de comercio internacional / María Catalina Aguilar Garib, et al HACIA UN CÓDIGO DE ÉTICA La palabra ética (del griego “ethika”, de “ethos” comportamiento) define principios o guías de la conducta humana. En muchas ocasiones se habla de un código ético de conducta, pero en este trabajo por simplicidad y en apego a la definición se hará referencia únicamente al Código de Ética. El Tratado de Libre Comercio de América del Norte (TLC) fue firmado por Canadá, Estados Unidos y México para ser puesto en marcha gradualmente a partir de 1994. Los países involucrados trabajaron en cambios y ajustes hacia la armonización de sus sistemas legales para poder estar en condiciones de concluir el acuerdo. México, por ejemplo, formuló reformas substanciales a las leyes federales en materia de procedimientos arbitrales, principalmente al Código de Comercio. A pesar de estos cambios, dada la diferencia en las legislaciones, aún queda mucho por hacer en cuanto a una guía ética específica para los árbitros en México. La importancia de tal guía parece ser esencial para los otros países participantes del TLC, quienes ya cuentan con guías éticas para los árbitros. Consecuentemente, México se encuentra ante la prueba de desarrollar e implementar su propia guía ética. Los Estados Unidos cuentan con una guía ética para los árbitros propuesta por “The American Bar Association” (ABA) y “The American Arbitration Association” (AAA). Canadá también tiene un código de ética aplicable a los miembros del “Alternative Dispute Resolution (ADR) Institute of Canada” en su calidad de árbitros. Aunque estos países las consideran adecuadas, es conveniente el análisis de esas reglas antes de explorar la posibilidad de su adopción en México. Por otra parte, el Código de Conducta del TLC para penalistas y miembros de comités establecidos persigue la revisión del “antidumping” (evitar la comercialización de un producto de exportación a un precio menor del que se da en el propio país de origen) y “countervailing duty determinations” (desalentar la importación de un bien mediante aranceles), y aun cuando no fue previsto para arbitraje, contiene información que podría ser una buena fuente de inspiración. El arbitraje internacional es una institución flexible, pero el éxito de los procedimientos arbitrales Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 www.nafta-sec-alena.org depende en gran medida de las regulaciones éticas. Por ejemplo, una parte podría descubrir a medio procedimiento que, contrariamente a sus propias prácticas, la otra parte ha estado teniendo comunicaciones en “ex parte” con el árbitro, o comunicaciones en “pre-testimonial” con los testigos. Por esto, la relevancia de una aproximación a un código de ética, sin duda sería de gran valor. Actualmente, el Comité NAFTA 2022 (NAFTA son las siglas en inglés de TLC) sobre la resolución de disputas privadas está explorando sobre un código de ética específico para manejar las disputas mercantiles en Canadá, Estados Unidos y México. Los hallazgos de este comité presuponen la habilidad de llevar adelante los preceptos éticos para los árbitros de las tres naciones involucradas. La preocupación principal tiene que ver con determinar si el código de ética sería considerado como autoridad por las instituciones de arbitraje y cortes de cada país cuando se consideren apelaciones a los árbitros basados en alegatos de mala conducta. De aquí que la puesta en marcha de tal código constituya un paso adelante substancialmente útil y necesario. México ha mostrado un gran interés en conformar su legislación a la de los otros países del TLC, y este interés debe hacerse extensivo a la implementación de un Código de Ética para los árbitros y el desarrollo de leyes que permitan una alternativa de resolución de disputas. A continuación se describen otros tratados y convenciones internacionales, y códigos de ética que permitirán ubicar el contexto actual en cuanto al arbitraje internacional. JUECES Y ÁRBITROS Los jueces y los árbitros tienen diferentes deberes. Los jueces sirven al estado, son nombrados por éste y aplican reglas sustantivas y de procedimiento determinadas por el estado. 13 �México y los códigos de ética para árbitros de comercio internacional / María Catalina Aguilar Garib, et al Los árbitros por otra parte, son seleccionados por las partes en disputa. Es posible pensar que aunque los jueces mantienen el estándar de conducta que forma parte de la política del estado para impartir justicia, y que las partes en una disputa dada no los pueden remover, lo mismo no es necesariamente cierto para los árbitros. En otras palabras, dado que un cierto conjunto de estándares es aceptado por las partes en un arbitraje, podría darse una tolerancia que sería incompatible con las funciones judiciales. Los árbitros, como los jueces, tienen la facultad de decidir casos. Sin embargo, al contrario de los jueces de tiempo completo, los árbitros usualmente tienen otras ocupaciones, antes, durante o después de ser árbitros. Con frecuencia, los árbitros son seleccionados intencionalmente del mismo tipo de industria que las partes, para traer un conocimiento especial a la tarea de decidir. INDEPENDENCIA E IMPARCIALIDAD Aunque las nociones de independencia e imparcialidad son diferentes, en algunas ocasiones hay cierto traslape entre ellas. Independencia significa literalmente falta de dependencia. Consecuentemente, no puede haber independencia si el árbitro potencial es un empleado o consultor o consejero de una de las partes, o sus socios. Otras situaciones pueden llevar a la dependencia psicológica, que puede ser el caso de un árbitro que pertenece a la misma compañía de una de las partes. Mientras que la independencia y la imparcialidad son diferentes, la posesión de otros requerimientos tales como; buena conducta y moral entre otros, están asociados a la capacidad de actuar como árbitro. La imparcialidad se distingue de la independencia en que se refiere a un estado de la mente, el cual no necesariamente resulta en una dependencia psicológica. Por ejemplo, un amigo de una de las partes raramente podrá ser imparcial. En general, www.camex.com.mx 14 uno puede decir que alguien que no es independiente no puede ser imparcial, mientras que alguien que es independiente podría no ser imparcial. ARBITRAJE INTERNACIONAL El arbitraje internacional es un medio por el cual las disputas internacionales pueden ser resueltas, promoviendo un acuerdo entre las partes basándose en la decisión independiente, desligada de las cortes, instituciones gubernamentales y no gubernamentales así como tendencias culturales de cualquiera de las partes. El arbitraje internacional ha probado por mucho ser más efectivo que las cortes nacionales resolviendo disputas económicas, ya que la comunidad internacional de negocios se está expandiendo más allá de las fronteras de los países. De hecho, el arbitraje internacional está diseñado para asegurarse que las disputas de partes que provienen de diferentes jurisdicciones serán resueltas de forma neutral. En adición, el arbitraje internacional se considera frecuentemente como un medio para mitigar imprecisiones peculiares de los litigios internacionales. El arbitraje internacional busca eliminar estas imprecisiones designando un solo mecanismo exclusivo de resolución de disputas para arreglar los desacuerdos entre las partes. Además, los fallos dados por el arbitraje internacional son con frecuencia más sencillos de apoyar en otras jurisdicciones independientemente de su lugar de origen que los juicios en cortes nacionales. En un nivel más general, la Convención de las Naciones Unidas sobre el reconocimiento y apoyo a los fallos de arbitraje “La Convención de Nueva York” ha sido ratificada por más de 120 países y apoya tanto acuerdos como fallos de arbitraje mercantil internacional sujeto a ciertas excepciones. Otras convenciones internacionales imponen obligaciones a los estados miembro con respecto a categorías particulares de disputas o con respecto a relaciones bilaterales particulares o regionales. Finalmente, dado el entorno de informalidad del procedimiento arbitral, se le reconoce con frecuencia como un medio expedito y barato de resolución de disputas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �México y los códigos de ética para árbitros de comercio internacional / María Catalina Aguilar Garib, et al EL MODELO UNCITRAL En 1985 la Comisión de las Naciones Unidas para la Ley de Comercio Internacional (UNCITRAL “United Nations Commission on International Trade Law”) promulgó una ley modelo sobre arbitraje mercantil internacional. Este modelo es un ejemplo de legislación que soporta el proceso de arbitraje internacional. La ley modelo contiene 36 artículos relacionados con asuntos que surgen de las cortes nacionales en conexión con el arbitraje internacional. Entre otras cosas, la ley hace previciones que conciernen al apoyo de arreglos arbitrales, citas y retos a los árbitros, jurisdicción de los árbitros, medidas provisionales, procedimientos de conducta arbitral, toma de evidencia, descubrimientos, aplicación de la ley, fallos y reconocimiento y apoyo de los fallos. También se incluyen las bases para no llevar a cabo el reconocimiento. Tal como en la convención de Nueva York, la eficiencia de la ley modelo depende de su interpretación y aplicación por las cortes nacionales. Sin embargo la ley va más allá de la Convención de Nueva York porque define en mayor detalle el marco legal para el arbitraje internacional, haciendo claros los puntos de ambigüedad o desacuerdo bajo la convención, y estableciendo directamente una legislación nacional aplicable. La ley modelo ha sido adoptada por más de una docena de países, incluyendo a Alemania, Australia, Bermudas, Bulgaria, Canadá, Chipre, Escocia, Federación Rusa, Hong Kong, México, Nigeria, Nueva Zelanda y Singapur. También ha sido adoptado por varios estados de EUA, tales como: California, Connecticut, Oregon, y Texas. MARCO LEGAL DEL ARBITRAJE EN MEXICO México aprobó sin reservas en 1971 la Convención de Nueva York, la cual está considerada como la piedra angular del éxito del arbitraje mercantil internacional moderno. Por esta razón no hay duda de que la firma de este instrumento fue el primer paso para crear una atmósfera real para la evolución del arbitraje en México. La Convención de Nueva York es de particular importancia para México, ya que los tres países del TLC lo han ratificado. México también Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 ha firmado la convención Interamericana sobre fallos en Comercio Internacional y lo ratificó en 1978. El arbitraje comercial está regulado en México por la Ley Federal del Código de Comercio. En 1993 el Congreso Mexicano revisó la parte que corresponde a los procedimientos de arbitraje (Centro para Arbitraje de México). El decreto de 1993 mejora el código de comercio y otros artículos del código federal de procedimientos civiles de manera de establecer una consistencia en asuntos de reconocimiento y refuerzo de fallos de arbitraje exterior. También el Congreso Mexicano incorporó al Código de Comercio titulado “Arbitraje Comercial” la ley modelo UNICITRAL, considerando la terminología local. Algunos aspectos que no están cubiertos por esta ley se cubren en el Código Civil. El refuerzo de los fallos del arbitraje internacional ha sido substancialmente más fácil que el refuerzo a los juicios externos. Básicamente, el refuerzo de fallos externos comerciales está sujeto a tratados y convenciones, de los cuales México es parte, con las provisiones contenidas en el Centro para Arbitraje de México del Código de Comercio o las reglas aplicables en el acuerdo de arbitraje. La concordia entre algunos artículos del Código de Comercio a la convención de Nueva York y a la ley modelo UNICITRAL se pueden apreciar en artículos que son válidos incluso para países con los cuales México no tiene tratados, proveyendo reconocimiento y refuerzo de un fallo arbitral “en cualquier país que se haya dado”. Las bases para la negación son esencialmente aquellas listadas en la Convención de Nueva York. La ley modelo junto con la Convención de Nueva York han contribuido significativamente al establecimiento de un marco mundial unificado. También se ha abierto la posibilidad de llevar a cabo procesos arbitrales en México bajo un marco legal moderno. UNCITRAL www.uncitral.org 15 �México y los códigos de ética para árbitros de comercio internacional / María Catalina Aguilar Garib, et al EL CÓDIGO DE CONDUCTA DEL TLC No obstante que el Código de Conducta del TLC no es para arbitraje privado, es valioso para explorar la posibilidad de considerar algunos de sus principios. De acuerdo con los requerimientos del TLC, los gobiernos de Canadá, México y Estados Unidos han negociado un Código de Conducta. Este código se aplica significativamente a miembros de comités especiales para revisar “Antidumping” (El acuerdo de la Organización Mundial de Comercio no emite ningún juicio a este respecto) y “Countervailing Duties Determinations”. El preámbulo del código establece que “las partes ponen primordial importancia en la integridad e imparcialidad de los procedimientos” bajo las provisiones del arreglo y acuerdo de las disputas. El principio que gobierna al código de conducta es que el candidato bajo consideración para servir en un panel o comité debe revelar la existencia de cualquier interés, relación o asunto que pueda afectar la independencia o imparcialidad o que pueda crear la apariencia de impropiedad o tendencia. En este caso el responsable del comité debe descalificar al candidato. El código de conducta establece un estándar alto para la conducta ética y profesional de los individuos sirviendo como expertos no gubernamentales en disputas con sensibilidad política. El sistema funciona de manera importante debido a la integridad de esos individuos que han servido y detallado los requerimientos del código de conducta. El código de conducta es una salvaguarda del principio de imparcialidad y la apariencia de imparcialidad. Esta forma de escudriño intenso de aquellos que sirven en papeles de arreglos de disputas dirán cuando un mecanismo será aplicable a otros acuerdos internacionales. Los árbitros en México podrían seguir este tipo de escudriño y adherencia a las guías éticas que ya están en uso dentro del TLC. Sin embargo algunos asuntos problemáticos han surgido en el proceso de panel binacional, generalmente agrupados como "conflictos de interés". Estos conflictos surgen de las relaciones personales; el significado de "afiliado con una parte"; financiamiento general y otras tendencias (e.g. socio en un despacho legal, profesor en la universidad); y "apariencia de impropiedad o tendencia". Cada uno de estos asuntos 16 se debe a una falta en el entendimiento general entre los panelistas potenciales o el significado de conflictos proscritos, debido en gran manera a diferencias culturales. REGLAS DE ÉTICA EN LOS ESTADOS UNIDOS “The American Bar Association” y “The American Arbitration Association” establecieron en 1977 un “Código de Ética para Árbitros en Disputas Mercantiles”. Este código contiene muchas características que también son útiles y apropiadas para arbitraje internacional, y fue desarrollado primariamente en reacción al número de decisiones judiciales que se aplican solamente en los Estados Unidos. EL código fue revisado en 2003 por una fuerza de trabajo de la ABA y un comité especial de AAA. Ambas propuestas han sido aprobadas y recomendadas por ambas organizaciones. De acuerdo a “The American Bar Association” se han presentado pocos casos de comportamiento inético de árbitros mercantiles. Aun así, el código pone estándares de ética generalmente aceptados para la guía de árbitros y partes de disputas mercantiles, en la esperanza de contribuir al mantenimiento de estándares altos y continuar la confianza en el proceso de arbitraje. • El código establece una suposición de neutralidad para todos los árbitros, esto es, independiente e imparcial, siguiendo las reglas de arbitraje acordadas por las partes o sobre las leyes aplicables. • El código requiere que todos los árbitros puestos por las partes muestren tan pronto como sea práctico si son neutrales o no. • El código es consistente con el deber fundamental del árbitro de preservar la integridad y la justicia del proceso arbitral. • El código tiene la intención de aplicar procedimientos en los cuales las disputas o quejas www.abanet.org Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �México y los códigos de ética para árbitros de comercio internacional / María Catalina Aguilar Garib, et al se someten a la decisión de uno o más árbitros seleccionados de manera que proporcionen un arreglo entre las partes, mediante reglas de arbitraje aplicables, o mediante la ley. En todos esos casos, los árbitros, quienes tienen el poder de decidir, deberán observar los estándares fundamentales de las reglas de ética. ÉTICA LEGAL EN CANADÁ En Canadá, las legislaturas provinciales han integrado dentro de la profesión legal a través de sus cuerpos de gobernantes la responsabilidad para mantener los estándares de conducta profesional y para disciplinar a los abogados que fallen en seguirla. Generalmente, la preparación y publicación de los códigos de conducta se ha dejado a la profesión. Las leyes pertinentes en Canadá utilizan varios términos para describir las conductas para disciplinar a los abogados, por ejemplo “falta de conducta profesional” y actos que afecten al honor o dignidad de la barra. Algunos estatutos también proveen las acciones disciplinarias que podrían ser tomadas si un abogado es convicto o señalado como delincuente, o por “conversación errónea” o “gran negligencia” o por conducta “incompatible con los mejores intereses del público o los miembros de la sociedad legal”, o por “romper la ley” de un estatuto aplicable en sí o por las reglas bajo él. El “1987 Canadian Bar Association Code of Professional Conduct” fue diseñado para asistir a los cuerpos gubernamentales y similares en determinar si una conducta dada es aceptable, y así continuar con un proceso de autogobierno. Los principios éticos contenidos en el código tienen el propósito de proveer un marco dentro del cual la ley puede, con valor y dignidad, proveer los servicios legales de alta calidad que la sociedad compleja y cambiante demanda. El código de conducta profesional tiene como preocupación principal la protección del interés público. www.adrcanada.ca Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 A pesar del hecho de que el Código de Conducta Profesional va dirigido a los principios éticos para la profesión legal en Canadá, no en particular para los árbitros, establece bien una guía de principios fundamentales. Entre ellos, su integridad, considerada por el código como la calidad fundamental de cualquier persona que busca la práctica como miembro de una profesión legal. El principio de integridad es el elemento clave de cada regla del código. • Bajo la regla relacionada con la imparcialidad y el conflicto de intereses entre clientes, el abogado no deberá aconsejar o representar a ambos lados de la disputa. • La regla prevendrá al abogado de arbitrar o acomodar o tratar de arbitrar o acomodar una disputa entre dos o más clientes o exclientes que desean someter la disputa al abogado. El hecho de que la conducta profesional de los abogados esté regulada en el código es un paso que México podría tomar. Desgraciadamente, aún existen casos en los que los alumnos de las escuelas de leyes podrían concluir sus carreras sin tomar este tipo de cursos. Aunque ni impartir los cursos, ni la codificación de los principios éticos puede garantizar un desempeño ético entre los abogados, seguramente es la mejor manera de iniciar. Los beneficios podrían alcanzar otros aspectos de la profesión, incluyendo al arbitraje y los árbitros. COMENTARIOS FINALES Probablemente la calificación más importante de un árbitro internacional es que éste debe ser experimentado en la ley y en la práctica del arbitraje. La reputación y aceptabilidad del trabajo arbitral depende de la calidad de los árbitros en sí. El uso de guías éticas por árbitros internacionales es necesario si se desea tener una resolución de disputas justa y responsable entre países. Es absolutamente necesario que México lleve a cabo una implementación de las guías éticas para tener la certeza de la manera en que se resuelven las disputas comparados con la de otros países, incluyendo pero no limitada a aquellas con las que tiene tratos comerciales. El impacto de establecer este tipo de reglas podría ser significativo en otras áreas de administración de justicia. De entre los 17 �México y los códigos de ética para árbitros de comercio internacional / María Catalina Aguilar Garib, et al múltiples ejemplos, se pueden tomar las fortalezas y prestar atención a las debilidades antes de considerar la inclusión de otros sistemas al mexicano. En cualquier caso, ésta no sería la primera vez que México adopta y adapta regulaciones y provisiones de sistemas legales extranjeros, que como un ejemplo claro permitió la firma del TLC. La disposición de los mexicanos para responder a una sociedad cambiante y con un ambiente legal que mejoraría el sistema mexicano, manteniendo en mente un mejor refuerzo de los mecanismos. La regulación de los principios éticos en México debería dirigirse a evitar tendencias entre árbitros, para proveer una fuente confiable para resolver conflictos. La formulación de un marco ético es particularmente promisoria para México. Considerando la reciente adición del procedimiento arbitral en la ley mexicana, su ética implícita proveerá mejores árbitros y con el tiempo mejores jueces. El TLC no será el único beneficiario de estas guías, sino que también contribuirá con el sistema legal mexicano, haciendo a este país más y más confiable no solamente en asuntos nacionales, sino también internacionales. BIBLIOGRAFÍA 1. Alternative Dispute Resolution Institute of anada Arbitration Rules (www.adrcanada.ca/rule/ethics. html). 2. Centro de Arbitraje de México (www.camex. com.mx) 3. 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Sin embargo en los inicios de los noventa, importantes compañías forestales privadas chilenas, junto con académicos de la Universidad de Chile, desarrollaron un conjunto de modelos de optimización que han permitido competir en la economía globalizada. Este escrito describe uno de los problemas operativos optimizados (la tala de corto plazo), su representación matemática simplificada, su resolución a través de un lenguaje de modelado matemático y los beneficios que ha reportado. PALABRAS CLAVE Investigación de operaciones, sector forestal, tala de corto plazo, programación lineal, modelo de optimización, método símplex. ABSTRACT Despite the fact that during the last 50 years diverse industries have found great economical benefits from optimization models, the forestry sector had seen very few efforts in the development of such models. However, in the early nineties, the mayor Chilean private forestry firms together with academics from the University of Chile developed a set of optimization models that has enabled them to compete in the globalized economy. This article describes one of the operative problems studied (short-term harvesting), its simplified mathematical representation, its resolution using a modelling language and the benefits it has brought. KEYWORDS Operations research, forestry sector, short-term harvesting, linear programming, optimization model, simplex method. INTRODUCCIÓN George Dantzig, uno de los más brillantes precursores de la ciencia de la toma de decisiones, explica, en su trabajo con Thapa,1 como disciplinas muy diversas pueden conceptualizarse en términos similares a partir de los principios de la programación lineal (PL). La programación lineal puede verse como parte de un desarrollo tecnológico que le ha dado a la humanidad la capacidad de formular objetivos generales y establecer el camino de decisiones detalladas que deben tomarse para alcanzar estos objetivos en forma óptima. Las herramientas Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 19 �Aplicación de la programación lineal en el sector forestal / Leticia Vargas Suárez, et al para lograr lo anterior son: métodos para formular problemas reales en términos matemáticos detallados (modelos), técnicas para resolver los modelos (algoritmos) y las máquinas para construir los modelos y ejecutar los algoritmos (computadoras y programas de cómputo). Hillier y Lieberman2 expresan en forma breve, el tipo más común de aplicación abarca el problema general de asignar recursos limitados entre actividades competitivas de manera óptima. Con más precisión, este problema incluye elegir el nivel de ciertas actividades que compiten por recursos escasos necesarios para realizarlas. Después, los niveles de actividad elegidos dictan la cantidad de cada recurso que consumirá cada una de ellas. La variedad de situaciones a las que se puede aplicar esta descripción es, sin duda, muy grande, y va desde la asignación de instalaciones de producción hasta la asignación de los recursos nacionales a las necesidades de un país; desde la selección de una cartera de inversiones, hasta los patrones de envío; desde la planeación agrícola, hasta el diseño de una terapia de radiación, etc. No obstante, el ingrediente común de estas situaciones es la necesidad de asignar recursos en ambientes restringidos. En este artículo se explica cómo se aplicaron los principios de la PL para establecer el nivel de las actividades necesarias para lograr una tala de corto plazo óptima en un grupo de compañías forestales latinoamericanas. Se presenta el modelo matemático que representa a dicho problema operativo en forma simplificada, las herramientas para su solución y, finalmente, los beneficios que pueden obtenerse al aplicar esta técnica de optimización. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Un administrador forestal debe considerar diversas cuestiones al aprovechar un bosque para obtener beneficios económicos. Una de las áreas a estudiar es la tala a corto plazo, definiéndolo como un período de cuatro a doce semanas. Para responder a la pregunta: ¿cuáles y cuántos árboles deben talarse el siguiente trimestre para obtener el máximo beneficio?, debe conocerse la demanda de madera en términos de la longitud y el diámetro de los troncos. Para decidir cómo talar un bosque, se divide en 20 rodales (secciones) razonablemente homogéneos en cuanto a: edad de los individuos (árboles), calidad del terreno y esquema de administración. La maquinaria utilizada la determina el tipo de terreno donde se ubica el bosque. En bosques con pendiente alta, por ejemplo, se usan grúas y cables; mientras que en los terrenos planos se utilizan tractores o deslizaderos. Una vez obtenidas las trozas (troncos), debe establecerse cómo cortarlas a fin de poder cubrir la demanda. Los cortes pueden realizarse en el bosque mismo y las piezas obtenidas distribuirse directamente a los puntos de demanda. Otra alternativa es transportar las trozas completas a un centro de corte para su distribución posterior. Las instrucciones de corte (patrón de corte) son simplemente una secuencia de longitudes y diámetros que deben obtenerse de acuerdo a un orden decreciente de diámetro (cada diámetro define a un producto con su correspondiente valor comercial), tal como se aprecia en la figura 1. La idea es respetar el orden dado, pero obteniendo el mayor número posible de piezas. Por ejemplo (figura 2), se trata de obtener primeramente, una pieza de 8.10 m de longitud y que cumpla con un diámetro de al menos 24 cm. Si después de cortar los primeros 8.10 m el diámetro se reduce a menos de 24 cm, entonces se trata de obtener una pieza de 4.10 m de longitud con un diámetro no menor a 20 cm. El resto del tronco se utiliza para celulosa con un diámetro mínimo de 8 cm. Fig. 1. Clasificación de la madera por su longitud. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Aplicación de la programación lineal en el sector forestal / Leticia Vargas Suárez, et al Fig. 2. Ejemplos de patrones de corte. Cuáles árboles hay que talar y cómo cortarlos no son las únicas decisiones. Los costos de transporte asociados a las parejas origen-destino también deben considerarse. Además de que, para cubrir la demanda, no sólo es necesario contar con los árboles cortados adecuadamente; sino también con la maquinaria necesaria para su tala, corte y transporte. El problema es entonces: 1. Conocer la demanda y, en base a ella, 2. Definir los rodales de bosque a talar, sus patrones de corte y las asignaciones de maquinaria necesaria para producción y transporte de producto terminados. Hacer manualmente la asignación de la maderaen-pie con la demanda es un problema combinatorio difícil, cuya solución no óptima produce tala excesiva y pérdida significativa por degradación, con la consecuente pérdida económica. Además, existe el problema adicional de lograr la asignación óptima de maquinaria de tala y transporte. El grupo chileno de Weintraub et al.3 desarrolló un conjunto de 5 modelos. Tres atacan problemas operativos: 1. El ya descrito en el inciso anterior, 2. La calendarización diaria de camiones de transporte para la entrega de materia prima y producto terminado y 3. La ubicación de la maquinaria de tala y transporte y de las rutas de acceso. Los dos restantes resuelven la calendarización táctica de la tala de mediano plazo y la planeación estratégica de largo plazo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 REPRESENTACIÓN DEL PROBLEMA EN UN MODELO DE OPTIMIZACIÓN Este artículo considera sólo uno de los cinco modelos documentados: OPTICORT, un sistema para resolver la planeación de la tala a corto plazo. OPTICORT es un modelo lineal con un procedimiento de generación de columnas (véase Murty4). Las principales decisiones que apoya son: a. Qué rodales de bosque talar, entre los que tienen árboles ya maduros y carreteras de acceso, b. Qué maquinaria utilizar en cada fase del proceso, c. Qué volumen cortar y sus correspondientes patrones de corte y d. Qué productos entregar para satisfacer la demanda, es válido guardar inventario. Un punto medular del desarrollo fue la definición de los patrones de corte, ya que su número crece en forma exponencial. En un primer intento, el modelo se construyó con un conjunto de patrones predeterminado y de cardinalidad moderada para cada rodal de bosque. Cuando el modelo funcionó exitosamente, se desarrolló un esquema de generación de columnas para construir automáticamente los patrones de corte. Los beneficios de esta automatización han sido: a. Ahorro de tiempo en comparación con la alternativa de generar patrones manualmente, b. Obtener un conjunto mayor de buenos patrones, c. Se observó que la solución (función objetivo) mejora entre un 3 y 6 % en comparación con la solución obtenida usando un conjunto fijo de patrones. 21 �Aplicación de la programación lineal en el sector forestal / Leticia Vargas Suárez, et al El esquema de generación de columnas se basa en un algoritmo de ramificación y acotamiento ligado al inventario de bosques de la organización. La idea básica del esquema es: en el nodo inicial se selecciona un primer corte y en cada nodo hijo se generan nuevas ramas de posibles alternativas de corte. El valor de cada rama lo determina el valor de venta de la pieza correspondiente de acuerdo a su diámetro y longitud. Cada ruta posible desde el nodo padre hasta el final del árbol corresponde a un patrón de corte. El esquema comprende también decisiones de paro y elección de rutas. A continuación se explica el modelo matemático lineal del problema descrito. Este modelo está compuesto por: 1. Los parámetros o datos del problema, los cuales se conocen con certeza, 2. Las variables de decisión, 3. La función objetivo a ser optimizada y 4. Las restricciones. Estos cuatro elementos forman entonces una representación matemática de la realidad que puede resolverse utilizando las técnicas explicadas en el siguiente apartado. Si los datos no se conocen con certeza, el modelo matemático es diferente. Se plantea entonces en términos de un valor esperado lo cual implica distribuciones de probabilidad. Índices y conjuntos: i ∈ I Conjunto de terrenos disponibles para cosechar j ∈ J Conjunto de los patrones de corte k ∈ K Conjunto de los tipos de productos d ∈ D Conjunto de los destinos a proveer de madera t ∈ T Conjunto de los períodos de tiempo Parámetros: VOLi Volumen de madera disponible en el terreno i (m3); i ∈ I DMk Diámetro de producto k (cm); k ∈ K COSTi Costo de cosechar terreno i ($/m3); i ∈ I CACt Capacidad de producción en tiempo t (m3); tÎT DId,t Diámetro promedio requerido en destino d en período t (cm); d ∈ D, t ∈ T Dminktd Demanda mínima del producto k en el período t para el destino d (m3); k ∈ K, t ∈ T, d∈D Dmax ktd Demanda máxima del producto k en el período t para el destino d (m3); k ∈ K, t ∈ T, d∈D PVd,k Precio de venta del producto k a destino d ($/m3); k ∈ K, d ∈ D CTAidk Costo de transportación del producto k entre el terreno i y el destino d ($/m3); i ∈ I, d ∈ D, k∈K RijkFracción del producto k obtenido por m3 cortado con patrón j en terreno i; i ∈ I, j ∈ J, k ∈ K Variables de decisión: Volumen de madera transportado (vendido) Yidkt desde el terreno i al destino d de un producto k en el período t (m3); i ∈ I, d ∈ D, k∈ K, t ∈ T. Kijt Volumen de madera producida en el terreno I usando el patrón de corte j en el período t (m3); i ∈ I, j ∈ J, t ∈ T Modelo: Maximizar f(Y,K) = ∑ ( PV dk i,d,k,t − CTA idk ) Yidkt − ∑ COSTi K ijt (1a) ijt sujeta a: ∑K ijt ≤ VOLi ijt ≤ CAC t K ijt ≥ i ∈ I (1b) j,t ∑K t ∈T (1c) i,j ∑R kij j ∑Y ∀ i,k,t (1d) ∑Y ∑Y ∑Y idkt ∀ k,d,t (1e) idkt ∀ k,d,t (1f) idkt d D min ktd ≤ i D max ktd ∑ DM Y k idkt ≥ i ≥ DIdt i,k K ijt , Yidkt 22 idkt ∀ d,t (1g) i,k ≥ 0 ∀ i,j,k,d,t (1h) Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Aplicación de la programación lineal en el sector forestal / Leticia Vargas Suárez, et al donde (1a) representa la ganancia total de la venta, (1b) es la restricción de existencia de madera, (1c) denota la capacidad de producción, (1d) es la restricción de transporte de acuerdo a la producción de cada producto, en cada terreno y durante cada período de tiempo, (1e) y (1f) son los límites de demanda (mínima y máxima) para cada producto en cada destino durante cada período, (1g) modela el diámetro promedio mínimo necesario para los productos de cada destino durante cada período y (1h) es la restricción de no negatividad de las variables. Como puede apreciarse, este es un modelo de programación lineal. MÉTODO DE SOLUCIÓN Es común que, en la práctica, los modelos de PL tengan cientos o miles de restricciones funcionales (ecuaciones lineales) y variables de decisión (nivel de las actividades). Formular modelos tan enormes puede ser una tarea desalentadora. Sencillamente no es práctico escribir la formulación algebraica ni introducir los parámetros en una hoja de cálculo. Entonces, ¿cómo se construyen estos modelos grandes en la práctica? Se requiere el uso de un lenguaje de modelado (LM). Un LM de programación matemática es un “software” de diseño especial para formular de modo eficiente los modelos de programación lineal. Aún cuando un modelo tenga miles de restricciones funcionales, éstas son de relativamente pocos tipos y las del mismo tipo siguen el mismo patrón. De igual manera, las variables de decisión estarán dentro de unas cuantas categorías. Así, si se usan grandes bloques de datos en bases de datos, un lenguaje de modelado construirá todas las restricciones del mismo tipo a la vez tomando en cuenta las variables de cada tipo. Además de formular con eficiencia un modelo, un LM facilita: 1. Las tareas de administración del modelo, inclusive el acceso a los datos (todavía mejor, el modelo es independiente del tamaño de los datos), 2. La modificación del modelo cuando se desee y 3. El análisis de las soluciones. También puede producir informes resumidos en el lenguaje de los tomadores de decisiones, al igual que Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 documentar el contenido del modelo. Otro beneficio es la independencia entre el lenguaje y los algoritmos de solución. Se han desarrollado varios lenguajes de modelado excelentes en las últimas dos décadas, que incluyen AMPL, MPL, GAMS y LINGO. En el desarrollo del presente trabajo hacemos uso de GAMS.5 Una vez construído el modelo formulado (trabajo hecho por el LM), éste debe resolverse utilizando algún algoritmo, en este caso el Método Símplex. Este método es un algoritmo eficiente y confiable para resolver problemas de PL. También proporciona la base para llevar a cabo, en forma muy eficiente, las distintas etapas del análisis posóptimo. Aunque tiene una interpretación geométrica útil, el Método Símplex es un procedimiento algebraico basado en la eliminación de Gauss para resolver un sistema de ecuaciones lineales. GAMS permite el acceso a varios solucionadores, CPLEX es uno de ellos. Durante más de una década, CPLEX ha sido la marca comercial del “software” que ha marcado el camino de la solución de problemas de PL cada vez más grandes. Los extensos esfuerzos de investigación y desarrollo han permitido una serie de actualizaciones con incrementos drásticos en la eficiencia. CPLEX usa el método símplex y sus variantes (como el método símplex dual) para resolver estos problemas masivos. Además del método símplex, CPLEX cuenta con otras herramientas para resolver tipos especiales de problemas de PL. Una es un algoritmo de punto interior, otra es el método símplex de redes. Pero CPLEX va más allá de la PL e incluye algoritmos modernos para programación entera y programación cuadrática. 23 �Aplicación de la programación lineal en el sector forestal / Leticia Vargas Suárez, et al Retomando la resolución del modelo reducido de OPTICORT, éste omite el análisis de la asignación de maquinaria y utiliza un conjunto fijo de patrones de corte. La solución de los rodales de bosque a talar es simplemente en base a costos de producción vs. ganancias, y no se contempla ningún análisis del terreno o características de los árboles. Recordando las cuatro decisiones que OPTICORT apoya se observa entonces que el modelo simplificado sólo contempla tres, no resuelve qué maquinaria utilizar en cada fase del proceso. Esto debido a que los parámetros utilizados no indican el tipo de terreno ni la maquinaria disponible o si se cuenta con un camino para llegar a este terreno. Otra diferencia es que la función objetivo en el modelo reducido no contempla el costo de la madera en pie. En el modelo real este costo es importante para evitar decisiones equivocadas. No necesariamente es mejor cortar los árboles más valiosos, ello mejora las ganancias a corto plazo pero, en el largo plazo, puede significar una reducción del valor en el mercado de la empresa. Otra variación con el modelo real es que este último agrupa las secciones del bosque vecinas a fin de optimizar el transporte del producto. EVALUACIÓN COMPUTACIONAL Para propósitos didácticos se usó GAMS5 para modelar una versión simplificada del modelo OPTICORT y se usó CPLEX para resolverlo en una estación de trabajo SUN Ultra 10 bajo el sistema operativo Solaris 7 (UNIX). También, con fines didácticos, se seleccionó un conjucto de datos representativos. Al construir los datos uno debe pensar en: establecer las demandas para los diferentes productos en diferentes períodos de tiempo, sugerir la cantidad de madera en pie disponible, definir la capacidad de tala y producción (que en la realidad depende de la disponibilidad de la maquinaria de tala, corte y transporte), proponer las secciones a talar suponiendo que se asigna la maquinaria adecuada, concretar los patrones de corte que permitan obtener los productos definidos y finalmente obtener un conjunto de precios de producción, transporte y venta para los diversos productos. El modelo se resolvió para tres diferentes conjuntos de datos. Estos varían en cuanto a tamaño y los datos no 24 necesariamente se repiten. Existen tres productos correspondientes a diámetros de 24, 20 y 8 cm respectivamente. Los resultados de la evaluación se muestran en la tabla I. Los primeros siete renglones corresponden a características de los datos del problema. Las últimas cuatro filas reflejan resultados del optimizador como Tabla I. Resultados obtenidos en cada uno de los tres modelos. Característica Tamaño del Modelo Pequeño Mediano Grande Número de terrenos 3 5 10 Número de destinos 3 6 15 Tipo de productos 3 3 3 Períodos de tiempo 3 4 4 Patrones de corte 3 3 4 Número de variables 109 441 1961 Número de ecuaciones 97 238 555 1,120,222 162,792 249,104 Tiempo de solución (seg) .010 .030 .12 Volumen vendido (m3) 9,430 16,949 65,304 Volumen producido (m3) 13,366 16,949 65,383 Max Z* ($) Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Aplicación de la programación lineal en el sector forestal / Leticia Vargas Suárez, et al lo son: el valor de la función objetivo, el volumen vendido y producido, respectivamente, y el tiempo de solución. Las columnas dos a cuatro indican los tres diferentes modelos resueltos. La diferencia tan marcada en la función objetivo puede explicarse porque la mezcla de productos vendida es muy diferente en cada modelo. No necesariamente se están vendiendo los más caros siempre, ya que su demanda puede ser cero. Los precios de venta y costos de producción son también muy diferentes en cada modelo. El análisis de esta información arroja los resultados que auxilian en la toma de decisiones. Por ejemplo, para el modelo pequeño se consideró la existencia de tres terrenos con un volumen de madera para tala determinado; así como tres destinos o aserraderos con una demanda conocida. Los resultados de este modelo son útiles para el administrador forestal porque puede formar las siguientes conclusiones: • La mayor explotación ocurre en el terreno 3 (tiene el menor costo de producción y en general los costos de transporte más baratos). • Éste abastece a los tres destinos, • El terreno 2 (con el mayor costo de producción) no se corta. • El terreno 1 únicamente abastece al destino b pero en pequeñas cantidades. • Se entregan todos los productos a todos los destinos y durante todos los períodos. • El patrón de corte 3 no se usa. Análisis similares se hacen para los modelos de tamaño mediano y grande. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 Weintraub et al.3 sostienen que OPTICORT ha sido el primer sistema desarrollado para este tipo de aplicación. El esfuerzo tomó dos años y el usuario y la alta dirección de la empresa se involucraron fuertemente en esta solución, siendo ello un factor clave de éxito. El sistema está en uso desde 1991, está codificado en un software de PL comercial en plataforma PC. CONCLUSIONES La PL es una técnica poderosa para tratar problemas de asignación de recursos escasos entre actividades que compiten, al igual que otros problemas cuya formulación matemática es parecida. Se ha convertido en una herramienta estándar de gran importancia para muchas organizaciones industriales y de negocios. Sin embargo, no todos los problemas de asignación de recursos limitados se pueden formular de manera que se ajusten a un modelo de PL, ni siquiera como una aproximación razonable. Cuando no se cumplen una o más de las suposiciones de PL, tal vez sea posible aplicar otro tipo de modelos matemáticos, por ejemplo, los modelos de programación entera o de programación no lineal. Tanto en Chile como en otros países, el uso de estos modelos ha cambiado drásticamente la planeación y la administración de los bosques. La toma de decisiones se apoya fuertemente en ellos y en la actualidad una administración exitosa se concibe íntimamente ligada al uso de ellos. El sector forestal chileno representa el 13% de las exportaciones de este país, siendo este sector el segundo en importancia después de la minería. Lo componen compañías privadas dueñas de bosques maderables de pinos y eucaliptos, aserraderos y fábricas de celulosa y papel. Las dos compañías forestales más importantes de Chile están entre las 50 empresas de este ramo más grandes del mundo. Tienen ventas anuales de aproximadamente un billón de dólares. El beneficio económico generado por el cambio de estrategia para la toma de decisiones se reporta en una ganancia de al menos 20 millones de dólares al año, además de beneficios de mayor y mejor protección del ambiente. En el caso concreto de OPTICORT los beneficios 25 �Aplicación de la programación lineal en el sector forestal / Leticia Vargas Suárez, et al financieros no derivan de una sola fuente, sino de varias: (a) Contempla el apareamiento del binomio madera en pie-demanda a cubrir evitando así la tala innecesaria. (b) Ha permitido la reducción de costos de transportación. Por ejemplo, OPTICORT determinó que era mejor transportar directamente a los centros de demanda el 50% del volumen que originalmente se transportaba a través de centros intermedios de proceso. (c) El uso sistematizado de esta herramienta ha hecho posible que las firmas manejen mayores volúmenes de bosque y más productos y destinos, además de que hace posible saber si la demanda de la temporada podrá ser cubierta. (d) Usar la maquinaria de tala adecuada reduce la erosión y aunque la reducción de daño ambiental es difícil de cuantificar financieramente, es vital. (e) También ha sido posible reducir la flotilla de camiones de transporte así como el personal dedicado a la programación y supervisión del sistema de transporte. Algo notable, y que en México debemos propiciar que ocurra con mayor frecuencia, es que el esfuerzo sea desarrollado por empresas privadas y un grupo 26 de académicos apoyados para la investigación aplicada. Otro aspecto a notar es la cultura en el ramo, fuertemente arraigada, de compartir conocimientos no solamente entre empresas afines, sino con empresas de otros países o de otros giros. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue mejorado gracias a las sugerencias y comentarios de dos revisores anónimos. Los dos primeros autores son apoyados económicamente por el CONACyT como estudiantes de posgrado. REFERENCIAS 1. G. B. Dantzig y M. N. Thapa. Linear Programming 1: Introduction. Springer-Verlag, New York, EUA, 1997. 2. F. Hillier y G. Lieberman. Investigación de Operaciones. McGraw-Hill, México, 2001. 3. A. Weintraub, R. Epstein, R. Morales, y J. Serón. Use of OR systems in the Chilean forest industries. Interfaces, 29(1):7-29, 1999. 4. K. Murty. Linear Programming. Wiley, New York, EUA, 1983. 5. A. Brooke, D. Kendrick y A. Meeraus. GAMS: A User’s Guide. The Scientific Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Dificultades en el aprendizaje del concepto de función en estudiantes de ingeniería Laura García Quiroga, Rosa Alicia Vázquez Cedeño, Moisés Hinojosa Rivera Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica - UANL hinojosa@gama.fime.uanl.mx RESUMEN En el presente trabajo de investigación pedagógica se documenta el estudio de las dificultades en el aprendizaje del concepto de función en estudiantes de ingeniería de segundo, tercero y cuarto semestre. Se aplicó una prueba a 433 estudiantes que incluyó actividades internas al registro algebraico y actividades de pasaje entre los registros gráfico y algebraico. Se encontró que las mayores dificultades de aprendizaje yacen en las tareas de pasaje entre registros semióticos del concepto de función, particularmente en el pasaje del registro gráfico al algebraico. Los resultados sugieren que para superar estas dificultades de aprendizaje es necesario emplear más intensamente el registro gráfico e incluir actividades de transferencia entre registros. PALABRAS CLAVE Investigación pedagógica, semiótica, dificultades de aprendizaje, función. ABSTRACT In the present pedagogical research, the difficulties in learning the concept of function are documented. A test that included both internal activities to the algebraic registry and activities of passage between the graphical and algebraic registries was applied to 433 students. It was found that the greater difficulties for learning lie in the tasks of passage between semiotics registries of the function concept, particularly in the passage of the graphical registry to the algebraic one. The results suggest that to overcome these difficulties it is necessary to use the graphical registry more intensely and to include activities of transference between registries. KEYWORDS Pedagogical research, semiotic, difficulties of learning, function. INTRODUCCIÓN Aspectos semióticos del concepto de función En general los contenidos de los programas académicos de las carreras de ingeniería tienen una dosis fuerte de abstracción y generalización y esto es particularmente cierto en los cursos de matemáticas de ingeniería. Muchos de los conceptos básicos de las matemáticas de ingeniería se abordan mediante representaciones algebraicas, analíticas y gráficos de funciones, considerándose Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 27 �Dificultades en el aprendizaje del concepto de función... / Laura García Quiroga, et al esencial la abstracción y generalización del concepto de Función.1-4 Coincidimos con la opinión de Artigue5 al respecto de que se encuentran grandes dificultades por hacer entrar a los estudiantes en el campo del cálculo y para hacerlos alcanzar una comprensión satisfactoria de los conceptos y métodos de pensamiento. La enseñanza tradicional tiende a centrarse en una práctica algorítmica y algebraica. Él menciona que en Francia en el primer grado del liceo, el estudio de las funciones ocupa un lugar importante. Se trata de objetos “en construcción” que no se pueden considerar “inertes” a medida que se efectúa la enseñanza del cálculo. Menciona que en lo concerniente a funciones existen numerosas investigaciones 6,7,8 que evidencian un conjunto de dificultades en el aprendizaje que distan de ser solucionadas cuando comienza la enseñanza del cálculo.9,10 Al igual que con otros conceptos matemáticos, en la práctica docente el concepto de función implica la necesidad de emplear distintas representaciones para que el estudiante pueda captar y dominar en toda su complejidad el concepto.12,14,17,18,21,22 En particular, Duval11 sostiene que las diferentes representaciones semióticas de un objeto matemático son absolutamente necesarias en el proceso de enseñanza-aprendizaje, ya que los objetos matemáticos no son directamente accesibles por la percepción o por una experiencia intuitiva inmediata como son los objetos comúnmente llamados físicos. El concepto de registro es una noción semiótica. Un registro está constituido por signos, en el más amplio sentido de la palabra: trazos, símbolos, iconos, figuras, etc. Estos signos están asociados de manera interna de acuerdo a los lazos de pertenencia a una misma red semántica y, de manera externa, según las reglas de combinación de signos en expresiones o configuraciones, estas reglas son propias de la red semántica considerada.14 Un registro se caracteriza por un sistema semiótico, es decir, por sus signos propios y la manera en que estos se organizan. De modo que podemos entender un registro como un medio de expresión o de representación. Un registro tiene la posibilidad de expresar o de representar un objeto, idea o concepto no necesariamente del ámbito 28 matemático.17 El registro algebraico se encuentra constituido por el sistema semiótico del álgebra relativa a las funciones reales, y el registro gráfico está constituido por el sistema semiótico asociado al plano, provisto de un sistema de referencia rectangular en la mayoría de los casos. Asimismo, se consideran dos tipos de tareas, las internas de cada registro y las de pasajes entre ellos. El pasaje entre registros se refiere a la confrontación de dos representaciones de un mismo objeto, a la conversión congruente entre registros de representación.13 Algunos autores 11-15, 17-20 han explorado las dificultades de aprendizaje ligadas al manejo de distintas representaciones semióticas, particularmente en Europa y América Latina. En nuestro país Grijalva et al.21 e Ibarra et al.22 han realizado proyectos de investigación cuyo principal objetivo ha sido estudiar los efectos del empleo de diversos registros de representación semiótica en la enseñanza del cálculo diferencial e integral. Estas investigaciones se han realizado con estudiantes de las carreras de ciencias e ingeniería de la universidad de Sonora. En los trabajos de estos investigadores se muestran las actividades didácticas en las que enfrentan al estudiante encaminadas a obtener el manejo y la articulación de registros de representación gráficos y algebraicos principalmente, hacen énfasis en la articulación del registro gráfico al algebraico basados en computadora, habiendo señalado la falta de articulación entre estos registros a través de la historia y discuten su importancia en la Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Dificultades en el aprendizaje del concepto de función... / Laura García Quiroga, et al enseñanza-aprendizaje de temas como la derivada y la integral. Artigue5 quien también cita a Duval,11 menciona como una de las dificultades en las investigaciones concerniente a funciones, las articulaciones de los registros simbólicos de las expresiones de la noción de función, donde los trabajos concuerdan, junto con las dificultades cognitivas que son reales en las conversiones de un registro a otro, o en el trabajo dentro de un mismo registro, estas investigaciones señalan como causa de las dificultades los hábitos de la enseñanza tradicional. El gran predominio que en ella se le otorga al registro algebraico y el status inframatemático que se da al registro gráfico impiden manejar adecuadamente este tipo de dificultades y ayudar al estudiante a construir las flexibilidades necesarias en este nivel. La presente investigación pedagógica fue motivada debido a las dificultades observadas en el cálculo integral de ingeniería al respecto del concepto de función por lo que se enfoca al estudio de las dificultades de aprendizaje en estudiantes de ingeniería, buscando detectar en particular las mayores oportunidades de mejora en relación al uso de las distintas representaciones semióticas. La ausencia de la confrontación entre registros de representación semiótica en la matemática, son muestra de las dificultades que se pueden tener en la enseñanza tradicional que aún se practica en nuestro contexto, específicamente en el concepto de función, concepto esencial para la enseñanza-aprendizaje de otros temas en las matemáticas de ingeniería. METODOLOGÍA Con el propósito de detectar las deficiencias de aprendizaje y dominio en la correspondencia semiótica entre los registros algebraicos y gráficos en relación al concepto de función en los estudiantes de ingeniería, se diseñó y aplicó un test relacionado con los contenidos fundamentales que se asocian a dicho concepto. Dicho test fue aplicado a estudiantes de los dos primeros años (2º, 3º y 4º semestre) de ingeniería.16 Considerando que el dominio del pasaje entre registros es esencial en el aprendizaje de las matemáticas de ingeniería, el contenido del test se centra en la confrontación entre los registros algebraico Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 y gráfico. El diseño del test se realizó tomando en cuenta los resultados y sugerencias de Guzmán,1113 quien presentaba reactivos confrontando los distintos registros de representación, principalmente algebraicos y gráficos. En nuestro caso se optó por un formato de reactivos de opción múltiple simple, con cinco opciones, solo una de ellas correcta, en todos los casos se incluyó la opción “ninguna de las anteriores”. El test consta de diez reactivos, tres que tratan de tareas internas al registro algebraico, cinco que se refieren a pasajes del registro gráfico al algebraico y dos que se refieren a pasajes del registro algebraico al gráfico. Las reactivos se diseñaron considerando los conocimientos que se espera tenga un estudiante de ingeniería al finalizar su primer semestre. Las tareas específicas consideradas para cada reactivo fueron: (1) Calcular del valor de una función, dado el valor de la variable independiente. (2) Determinar la ecuación de un círculo con centro en el origen dada su representación gráfica. (3) Confrontar una ecuación con la representación gráfica de una serie de curvas para determinar cuál de ellas corresponde a la ecuación. (4) Hallar el dominio y rango (contradominio) de una función. (5) Confrontar la gráfica de una función con una serie de funciones con dominio y rango correspondientes, para determinar cuál pertenece a la gráfica. (6) Interpretar la gráfica de una función a medida que aumenta la variable independiente. (7) Identificación de la variable dependiente e independiente, dada la función. (8) Comparar las formas de las funciones dadas. (9) Calcular el valor de la función, dado el valor de la variable independiente como un número irracional. (10) Identificar valores de la variable independiente dada la gráfica de la misma, mostrando algunos puntos con sus coordenadas correspondientes. En las figuras 1 y 2 se muestran los reactivos que conformaron el test. Los reactivos 1, 7 y 9 pretenden medir el dominio de tareas internas del registro algebraico: El reactivo 1 exige una tarea sencilla de manipulación algebraica relativa a la sustitución de la variable independiente como número entero en una función que contiene fracciones. El reactivo 7 presenta la tarea de identificar variable dependiente e independiente, poniendo en juego componentes esenciales del concepto de función. El reactivo 9 29 �Dificultades en el aprendizaje del concepto de función... / Laura García Quiroga, et al requiere manipulación algebraica, al darse un valor irracional a la variable independiente para sustituirlo en una función definida a través de un cociente. Los reactivos 2, 5, 6, 8 y 10 evalúan el dominio de tareas relativas a pasajes del registro gráfico al algebraico: El reactivo 2 pide la determinación de la ecuación de un círculo con centro en el origen, dada la representación gráfica del mismo. El reactivo 5 presenta la tarea de identificar una función y de obtener dominio y rango, dada la representación gráfica de la función. El reactivo 6 conlleva la tarea de identificar características propias de la gráfica de una función, dada la gráfica y la función, poniéndose en juego conceptos de máximos y mínimos. El reactivo no solo tiene las tareas internas del registro algebraico, comparando las formas de las funciones dadas sino se da la opción gráfica, que se piensa usaría principalmente para deducir mediante la característica de la curva que se trata de una función inversa. El reactivo 8 muestra la tarea de comparar las formas de las funciones dadas. El reactivo 10 exige la tarea de identificar sobre una curva los valores de la variable independiente mediante los puntos marcados sobre la curva, con sus coordenadas correspondientes. Los reactivos 3 y 4 se refieren a pasajes del registro algebraico al gráfico: El reactivo 3 se refiere a la tarea de identificar la gráfica de una ecuación. El reactivo 4 se refiere a una tarea habitual en el registro algebraico que trata de la noción de dominio y rango de una función implicando conceptos de composición de funciones, además de identificar la gráfica de la función, lo que implica el pasaje entre registros. El test fue aplicado a una muestra de 433 estudiantes de ingeniería, de los cuáles 176 cursaban el segundo semestre, 76 cursaban el tercer semestre y 181 cursaban cuarto semestre, con edades de entre 17 Fig. 1 Reactivos 1 a 5 del test aplicado. Fig 2.- Reactivos 6 a 10 del test aplicado. 30 Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Dificultades en el aprendizaje del concepto de función... / Laura García Quiroga, et al y 19 años, tabla I. Para la evaluación de los tests se consideró un mínimo de 7 respuestas correctas como indicativo de un dominio satisfactorio del concepto de función y sus registros gráfico y algebraico. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la tabla I se indica el porcentaje de estudiantes que contestó satisfactoriamente siete o más de los reactivos, el resultado global de aproximadamente 16% indica que efectivamente existen altas dificultades de aprendizaje y dominio del concepto de función y su registros algebraico y gráfico. Los resultados por semestre, con porcentajes de 19.89, 11.85 y 13.82 para los estudiantes de 2°, 3° y 4° semestre, respectivamente, sugieren que no necesariamente la mayor experiencia y madurez de los estudiantes de tercero y cuarto semestre, respecto de los de segundo, implica un mejor dominio del concepto de función. Es decir, a pesar de que los estudiantes continúan avanzando en sus estudios, las bases del concepto de función no se reafirman ni se logra la maduración del concepto. Más aún, se podría sugerir que a medida que el estudiante avanza y estudia otros conceptos, existe un grado de olvido del concepto de función. Con el propósito de identificar cuáles de los reactivos y que tipo de tareas presentan las mayores dificultades, en la tabla II se muestran los porcentajes, globales y por semestre, de las respuestas incorrectas para cada reactivo. Observando los resultados globales, es posible identificar que los Fig 3.- Porcentaje de respuestas incorrectas por reactivo y por semestre. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 reactivos 2, 5 y 8, con porcentajes de 86.83, 74.59 y 72.28, respectivamente son, por mucho, los que presentaron mayor dificultad para los estudiantes. El gráfico de la figura 3 ilustra los porcentajes de respuestas incorrectas de cada reactivo para cada uno de los semestres. Este gráfico, además de corroborar que los reactivos 2,5 y 8 fueron los de mayor porcentaje de respuestas incorrectas, permite observar con mayor claridad que en general no existen diferencias importantes en los resultados para los distintos semestres, el comportamiento es muy parecido para todos los reactivos y las variaciones no son sistemáticas, lo que permite concluir que las dificultades y deficiencias en el aprendizaje y dominio del concepto de función son las mismas para los tres semestres involucrados en este estudio. Los tres reactivos con mayor porcentaje de error, son reactivos basados en tareas de pasaje del registro gráfico al algebraico, este resultado es una fuerte evidencia de que las mayores dificultades de aprendizaje y dominio del concepto de función se encuentran en esta categoría de tareas. En estos reactivos la tarea solicitada exige la interpretación de un gráfico para que a partir de eso se deduzca ya sea la ecuación correspondiente (reactivo 2) o el dominio; el rango una vez identificada la función (reactivo 5); y deducir si se trata de una función inversa a partir del gráfico (reactivo 8). Este resultado parece estar ligado al hecho de que en la práctica docente tradicional se observa en general que el estudiante utiliza el registro algebraico con muy pocas conexiones con otros registros semióticos; en particular en la enseñanza de las matemáticas de ingeniería, el gráfico y las tablas de valores se emplean como soporte, pero no se explota lo que cada uno puede aportar en representaciones concretas del concepto en cuestión y pocas veces se busca de manera sistemática reforzar el dominio de tareas que impliquen pasaje entre registros. Por nuestra parte coincidimos con otros autores 1,2,11,18,20-22 en que en la enseñanza de la matemática tiene gran importancia la confrontación del registro gráfico con otros registros de representación semiótica para el desarrollo de habilidades del pensamiento. En nuestro estudio se hace énfasis en el concepto de función por tratarse de un concepto esencial para la enseñanza-aprendizaje de otros 31 �Dificultades en el aprendizaje del concepto de función... / Laura García Quiroga, et al conceptos como la derivada y la integración. Enfaticemos que el análisis del test y de los resultados deja en evidencia que el cambio o pasaje entre registros es la gran dificultad que encuentran los estudiantes, sobre todo cuando el pasaje es del registro gráfico al algebraico. Esta misma dificultad se ha encontrado en Francia11-15 y en Chile,17-19 en torno a funciones al respecto de pasajes entre registros, con estudiantes de edades de 14 a 16 años. El que la misma dificultad se encuentre en estudiantes de distinta madurez sugiere que el carácter de esta dificultad no es de orden conceptual, sino de orden conductual, parece estar relacionada con una falta de sensibilización o de experiencia de los estudiantes con actividades y problemas que involucren estos cambios de registro de expresión. El excesivo privilegio del registro algebraico, hecho innegable en la gran mayoría de los diseños de aprendizaje actualmente en práctica, así como la ausencia de otros registros, resulta ser desventajoso para los estudiantes, ya que no tienen la posibilidad de sensibilizarse con problemas que exigen articular los diferentes registros. Los resultados obtenidos dejan establecido que la articulación es un objetivo que no se está cumpliendo, posiblemente porque esto no se ha tomado suficientemente en cuenta en los actuales diseños de instrucción. El registro gráfico es utilizado, en general, con carácter ilustrativo o de soporte. El hecho de que los estudiantes universitarios tengan dificultades al interpretar datos en un gráfico muestra por lo menos dos aspectos: (a) La falta de práctica o la no-manipulación en el trabajo con gráficos y (b) Una cierta incapacidad para enfrentar situaciones no habituales. Es obvio que en general los estudiantes pueden resolver problemas de una complejidad cognoscitiva superior cuando han sido preparados y sin embargo, frente a situaciones no habituales y que pueden considerarse sencillas, no reaccionan con el éxito deseado. Resumiendo, de nuestros resultados se demuestra y documenta que uno de los obstáculos en el aprendizaje es la falta de una conversión congruente entre registros de representación del concepto de función. Se presume que esta dificultad es generalizada en los diferentes cursos de matemáticas y muy posiblemente existen dificultades similares en otras materias, tanto en las llamadas ciencias 32 básicas como en los cursos de especialización en las ingenierías. Se piensa que esto es frecuente debido a que el proceso enseñanza-aprendizaje ha seguido una didáctica tradicional. Regresando al caso particular estudiado, la tendencia más general difundida es la transmisión de los procesos de pensamiento propios de la matemática más que la transferencia de contenidos. La matemática es una ciencia en la que el método predomina sobre el contenido, es saber hacer. Se concede gran importancia al estudio de la psicología cognitiva referida a los procesos mentales de resolución de problemas. Puede decirse que mucho del éxito en el aprendizaje de un concepto matemático radica en la actividad que se puede realizar en las diferentes representaciones; implica actividad en un registro (tratamiento metodológico), posteriormente es necesario realizar una coordinación entre los diferentes registros (pasaje o conversión), enfrentar la no congruencia entre registros hasta lograr construir la estructura cognitiva que permita reconocer el objeto matemático en sus diferentes representaciones. Por ejemplo, es inconveniente acceder al concepto de función por medio de una definición, es necesario tener actividad con las diferentes representaciones, la algebraica, tablas, gráficos y el lenguaje natural; tal actividad implica creación, tratamiento y pasaje o conversión entre registros de representación. Los estudiantes de matemáticas en ingeniería aprenden y acumulan conocimientos sobre conceptos, técnicas, métodos, sin tomar suficientemente en cuenta las interrelaciones que existen entre disciplinas como la física, química o de algún área de especialidad dentro de la ingeniería. El hacer estas consideraciones en un tratamiento metodológico permitiría lograr que el estudiante adquiera, use y domine esos conocimientos en forma más eficiente. El uso de los nuevos métodos de enseñanza16,23,26 como la resolución de problemas a través de situaciones donde se establezcan diálogos heurísticos, además de la confrontación entre registros, del gráfico al algebraico y viceversa, se pueden hacer aportaciones importantes a la enseñanza de los temas como el de función y otros tópicos de las matemáticas en general. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Dificultades en el aprendizaje del concepto de función... / Laura García Quiroga, et al CONCLUSIONES Se ha documentado a través de un test aplicado a estudiantes de ingeniería que las mayores dificultades de aprendizaje del concepto de función están asociadas a tareas de transferencia entre registros semióticos. Específicamente, son las tareas de pasaje del registro gráfico al algebraico las que presentan el mayor reto para los estudiantes. No se encontró evidencia de que los estudiantes de tercero o cuarto semestre tengan un mejor dominio del concepto que los estudiantes de segundo semestre, por el contrario, parece existir un grado de olvido del concepto de función en un plazo corto de tiempo, esto va asociado a la asimilación del concepto. Los resultados pueden explicarse en función del privilegiado tratamiento del registro algebraico en la metodología de enseñanza tradicional y sugieren que para mejorar el aprovechamiento se deben incrementar las aplicaciones del registro gráfico y las actividades de transferencia entre registros para el desarrollo de habilidades del pensamiento dentro de la enseñanza-aprendizaje de conceptos en matemáticas. La realización de este estudio fue basado en el concepto de función por la importancia que tiene en la adquisición de otros conceptos como son la derivación e integración dentro de la ingeniería, se originó motivado por las dificultades observadas al respecto del concepto de función en la asignatura del Cálculo Integral en la ingeniería de nuestro contexto. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 REFERENCIAS 1. Bosch Casabó M. Un punto de vista antropológico: La evolución de los “Instrumentos de representación” en la actividad matemática. 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RESUMEN Se presenta un modelo de elemento finito para laminación en frío de cintas de acero, el cual fue desarrollado con el paquete comercial computacional ABAQUSMR. El modelo considera un comportamiento elástico-plástico del material, usando un análisis explícito. Los resultados obtenidos fueron validados con los datos recabados de un proceso industrial. Las propiedades mecánicas del material usadas para el modelo fueron tomadas de pruebas de tensión realizadas a probetas obtenidas de las diferentes reducciones. El objetivo de este trabajo es validar un modelo capaz de predecir las condiciones finales de la lámina, así como parámetros operacionales. PALABRAS CLAVE Laminación, fricción, simulación y validación, ABAQUS. ABSTRACT This work presents a finite element model for the cold rolling process of low carbon steel strip that was achieved with the commercial software AbaqusTM. The model was computed considering an elastic-plastic behaviour of the material, using the explicit module. The results obtained were validated by comparing them with those taken from an industrial process. The mechanical properties of the material used for modeling were taken from a set of tensile tests carried out on samples taken at different reductions of the cold rolling process. The aim of this work is to obtain a model able to predict the final conditions in the strip and the required operational parameters. KEYWORDS Rolling, friction, simulation and validation, ABAQUS. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 35 �Simulación de laminado en frío de aceros al... / Luis Gerardo Díaz Samaniego, et al INTRODUCCIÓN Por las actuales preocupaciones de las compañías manufactureras en economizar, es necesario conseguir una eficiencia en sus procesos, esto es difícil porque los procesos de manufactura requieren de conocimiento técnico altamente calificado, el cual suele ser obtenido a través de muchos años de experiencia, también es posible obtener tal experiencia mediante la investigación científica. Para determinar la influencia de los parámetros del proceso de laminación y poder optimizarlo es necesario un entendimiento fundamental del proceso. Usualmente, los parámetros operacionales tales como la velocidad de rotación del rodillo, la tensión frontal y trasera y la carga aplicada son variados hasta llegar a un proceso estable y económicamente remunerado. Por otro lado, variables tales como el número de pasos de reducción, lubricación, superficie y condiciones finales del producto proveen información concerniente a la eficiencia económica del proceso. Dicho método es largo y costoso y puede ser únicamente influenciado y acelerado por la experiencia del operador. Por lo tanto encontrar un procedimiento más rápido y menos costoso es fundamental. El aumento en el poder de cómputo, así como el desarrollo de nuevos y poderosos algoritmos ha hecho posible que los métodos numéricos sean aplicados en tecnología de procesos de manufactura. Un ejemplo de esto es el método del elemento finito (MEF) el cual inicialmente se aplicaba sólo en problemas estructurales y ahora se ha trasladado a aplicaciones de modelado de deformación plástica. La simulación por elemento finito podría ser usada en varias áreas de la tecnología del proceso de laminado por ejemplo para determinar las cargas mecánicas, la tensión frontal y trasera, el número de reducciones y las condiciones de forma del producto. Lo que llevaría a un entendimiento del proceso de laminado más profundo y que podría ser usado para una optimización sistemática. La laminación en frío de cintas es un proceso basado en deformación plástica, donde el espesor del material es reducido por fuerzas de compresión aplicadas sobre el material por dos rodillos opuestos. 36 Los rodillos rotan para jalar la cinta de metal y simultáneamente presionar el material entre ellos,1,2 figura 1. En este proceso la uniformidad dimensional del espesor final de la lámina es de gran importancia. En la práctica se ha mostrado que la forma final de la pieza deformada depende de la forma de la herramienta y las propiedades del material. En el proceso son usados varios pases para obtener el espesor final deseado de la lámina, por lo que el objetivo de este trabajo es obtener un modelo del proceso que al utilizarlo reproduzca la realidad y sea posible usarlo para una posterior optimización numérica del proceso. Para crear el modelo numérico se requiere la ecuación constitutiva del material, las relaciones constitutivas son usadas para describir el comportamiento en el cambio de resistencia observado cuando un material está siendo deformado. Estas formulaciones son empíricas y relacionan cambios en la resistencia producida por la variación en deformación, temperatura o velocidad de deformación, las cuales son usadas para predecir las fuerzas, distorsiones, esfuerzos, etc., y que pueden ser encontradas durante el procesado de material. Por lo tanto si se quiere desarrollar un modelo numérico que prediga las condiciones de procesamiento, es necesario tener estas ecuaciones para conocer el comportamiento del material y predecir la respuesta de éste, además de ganar y profundizar en el conocimiento de aspectos fundamentales en el procesado de materiales. Las formulaciones más comunes para describir el comportamiento de los materiales al ser deformados Fig. 1. Esquema del proceso de laminación. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Simulación de laminado en frío de aceros al... / Luis Gerardo Díaz Samaniego, et al Fig. 2. Esquema6 de un molino reversible: 1. Entrada, 2. Rodillo apisonador, 3. Mesa desplegadora, 4. Nivelador, 5. Mesa de paso, 6. Enrollador poniente, 7. Rodillo apisonador, 8. Rodillo deflector, 9. Rayo Gamma, 10. Rodillo de trabajo, 11. Rodillo de apoyo, 12. Enrollador oriente. son derivadas de la ley de potencia propuesta por Ludwik:3,4 donde σ y ε son, respectivamente, los valores instantáneos verdaderos de esfuerzo y deformación, σ0 es el esfuerzo de cedencia, Κ el coeficiente de resistencia y n el exponente de endurecimiento por deformación. Una mejor predicción a valores altos de deformación puede ser obtenida por medio de la ecuación exponencial propuesta por Voce:5 rollitos fue obtenido inmediatamente terminado el proceso de laminación ya que éste se queda en el enrollador-tensionador y el otro fue obtenido en la zona de lavado, ya que éste se queda en el rollo para trabajos posteriores, figura 2. La lámina es fabricada de cintas de acero de bajo a medio carbono proveniente de cinta procesada mediante laminación en caliente. El material obtenido de las puntas y colas se preparó para ser maquinado y obtener así las probetas para ensayos de tensión en la dirección de la laminación, a 45° y perpendicular a la dirección de laminación, figura 3. La obtención de las probetas se realizó bajo las recomendaciones de la norma ASTM E-8,7 las dimensiones de los especímenes se muestra en la figura 4. Donde σs es el esfuerzo de saturación y c es un coeficiente que se obtiene de la experimentación y que representa la forma en que envuelve la exponencial. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Las ecuaciones constitutivas del acero fueron obtenidas del acero de análisis mediante la caracterización de las propiedades mecánicas por pruebas de tensión. Una vez seleccionado el acero las muestras fueron obtenidas del material procesado en los molinos en forma de rollitos, que quedan en la punta y cola en su procesado en un molino reversible. Uno de los Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 Fig. 3. Direcciones de obtención de probetas. 37 �Simulación de laminado en frío de aceros al... / Luis Gerardo Díaz Samaniego, et al Fig. 4. Dimensiones de probetas en mm. Los ensayos fueron realizados en una máquina universal marca INSTRON modelo 8501 a una velocidad constante del cabezal de 50 mm/min, figura 5. PROCEDIMIENTO NÚMERICO Para crear el modelo numérico fue utilizado el paquete computacional ABAQUSMR. El modelo fue desarrollado en tres dimensiones usando un análisis explícito, en el cual sólo la mitad de la geometría fue modelada debido a simetría. La geometría de la cinta y el rollo fueron creadas en ABAQUS/CAE, figura 7, la tabla I muestra las dimensiones de las tres reducciones que se modelaron en este trabajo. Las condiciones a la frontera fueron impuestas de acuerdo a la información obtenida del proceso en planta. Entre las que están la tensión frontal y trasera, la velocidad de rotación del rodillo para cada reducción y la fricción, tabla II. La tabla III muestra los valores obtenidos de la curva maestra para las tres reducciones planteadas en Fig. 5. Máquina universal de pruebas mecánicas marca INSTRON modelo 8501. El resultado de las pruebas fue promediado y usado en el modelo numérico. Los valores de las diferentes reducciones fueron aproximados a una curva maestra propuesta para predecir el endurecimiento, como se muestra en la figura 6. Fig. 6. Curva maestra de endurecimiento obtenido a partir de ensayos en probetas con diversos grados de deformación. 38 Fig. 7. Geometría de la cinta y el rodillo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Simulación de laminado en frío de aceros al... / Luis Gerardo Díaz Samaniego, et al Tabla I. Dimensiones de la cinta y rodillos para las tres reducciones en el modelo númerico. Cinta P r i m e r a S e g u n d a Te r c e r a reducción reducción reducción Longitud l (m) 0.2 0.2 0.2 Ancho w (m) 1.0033 1.0033 1.0033 Espesor t (m) 0.001016 0.0007366 0.000559 Rodillo Longitud L (m) 1.3033 Diámetro θ (m) 0.40513 Tabla II. Condiciones a la frontera impuestas al modelo. Primera Segunda Tercera reducción reducción reducción Tensión Frontal 112318 (N) 96654 Tensión trasera 133.5 (N) 88288 103640.5 80322.5 Ve l o c i d a d d e 23.32 rotación (rad/s) 29.5924 39.122 Fricción 0.08 0.08 0.08 este trabajo. Los esfuerzos, deformaciones y fuerzas de reducción fueron analizadas durante todo el proceso así como la forma de la cinta. La temperatura no fue tomada en cuenta para la realización del análisis numérico. El tipo de elemento usado en el modelo fue el C3D8R (elemento sólido lineal de 8 nodos con integración reducida) para la cinta con una cantidad de 21000 elementos para simular un sólido deformable, mientras que el rodillo fue modelado como una superficie rígida analítica8, la Figura 8 muestra la malla para la cinta antes de la deformación. Los cambios de temperatura asociados al proceso de laminación, aunque son importantes, fueron despreciados, ya que las temperaturas que se alcanzan al laminar en frío se encuentran por debajo de los 150°C y esas temperaturas no se producen cambios estructurales en los materiales involucrados. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 Tabla III. Propiedades utilizadas en el modelo. Primera reducción Segunda Reducción ε ε σ MPa σ Tercera reducción ε MPa σ MPa 0.000 295 0.000 532 0.000 650 0.018 314 0.028 547 0.002 650 0.028 323 0.078 571 0.052 666 0.038 333 0.128 594 0.077 673 0.048 341 0.178 614 0.102 680 0.058 350 0.228 633 0.127 687 0.068 359 0.278 650 0.152 693 0.078 367 0.328 666 0.177 699 0.088 376 0.378 680 0.202 705 0.098 384 0.428 693 0.227 711 0.118 400 0.478 705 0.252 716 0.138 415 0.528 716 0.277 721 0.158 430 0.578 726 0.302 726 0.178 444 0.628 735 0.327 730 0.198 458 0.678 743 0.352 735 0.248 490 0.377 739 0.298 520 0.402 743 0.348 547 0.398 571 0.448 594 0.498 614 0.548 633 0.598 650 Fig. 8. Muestra el aspecto de la malla antes de la deformación, también se muestra el elemento utilizado en la modelación para la lámina. 39 �Simulación de laminado en frío de aceros al... / Luis Gerardo Díaz Samaniego, et al RESULTADOS Se obtuvieron varias gráficas en las que se presentan los esfuerzos generados mientras se lleva a cabo el proceso de laminación, también se muestran los valores de la deformación plástica equivalente. Las figuras 9 y 10 muestran los esfuerzos equivalentes de Von Mises para la lámina mientras que las figuras 11 y 12 presentan los valores de deformación plástica equivalente. La tabla IV presenta los valores obtenidos de las dimensiones finales de la hoja para las tres reducciones, se presentan las dimensiones promedio así como la carga requerida para el proceso, también se reporta el error. Aunque los resultados obtenidos para la primer reducción sobreestiman los valores reales del proceso, las subsecuentes reducciones están más cerca de los valores reales. Fig. 11. Distribución de deformación plástica equivalente después de la primera reducción. Fig. 9. Distribución de esfuerzos equivalentes de Von Mises sobre la lámina después de la primera reducción. Fig. 12. Acercamiento de la distribución de deformación plástica equivalente. Tabla IV. Resultado promedio para las tres reducciones. 1ª 2ª 3ª Reducción Reducción Reducción Fig. 10. Acercamiento de la destribución de esfuerzos equivalentes de Von Mises. 40 Espesor promedio(mm) 0.7455 0.5645 0.441 % error 1.209 1.029 2.1379 Ancho promedio(m) 1.0038 1.0031 1.0037 % error 0.051 -0.014 0.041 Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Simulación de laminado en frío de aceros al... / Luis Gerardo Díaz Samaniego, et al CONCLUSIONES Los resultados indican que es posible obtener un modelo numérico por elementos finitos que sea capaz de predecir los parámetros operacionales del proceso, los resultados obtenidos son alentadores ya que se obtuvieron porcentajes de error bajos, por lo cual los resultados están muy cercanos al proceso real. El uso del endurecimiento por deformación hace posible obtener un buen modelo del proceso de laminación y, entonces a partir de éste, predecir las cargas mecánicas, tensión frontal y trasera así como el número de reducciones requeridas para alcanzar el espesor objetivo. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a CONACYT, PaicytUANL, FIME-UANL e Hylsamex S.A. de C.V por el apoyo otorgado para la realización de este trabajo. REFERENCIAS 1. G.E. Dieter, Mechanical Metallurgy, McGrawHill Book Co., Londres, 1988. 2. B. Avitzur, Metal Forming Processes and Analysis, Mc Graw-Hill, EUA 2000. 3. P. Ludwik, Elemente der Technologischen Mechanik, Springe-Verlag OHG, Berlin, 1909. 4. J.H. Hollomon, Tensil Deformation, Trans. AIME, vol. 162 1945, p 268. 5. E. Voce, J. Inst. Met. 74 537 (1948). 6. ASTM, “E 8M Standard Test Methods of Tension Testing of Metallic Materials [Metric],”Annual Book or ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, Vol. 3.01. 7. Empresa Hylsamex División Molinos Planos. 8. Abaqus Explicit, User’s Manual, Abaqus Inc., EUA 2000. El INSTITUTO MEXICANO DE ACÚSTICA Invita al 11º CONGRESO INTERNACIONAL MEXICANO DE ACÚSTICA 5, 6. 7 y 8 de Octubre de 2004 MORELIA, MICHOACAN., MEXICO Instituciones colaboradoras: Cenidet, Colegio de Ingenieros en Comunicaciones y Electrónica, Centro Nacional de Metrología, Instituto Politécnico Nacional, Tecnológico de Veracruz, Universidad Autónoma de Nuevo León, Universidad de Guadalajara, Universidad de Guanajuato, Universidad Tecnológica Vicente Pérez Rosales Temáticas: Audio, Acústica Arquitectónica, Música, MIDI, Vibraciones Mecánicas, DSP, Bioacústica, Acústica Física, Ruido, Comunicaciones, Standards, Etc. Conferencias, Posters, Cursos, Exhibición. INFORMACIÓN Coordinador General M.C. Sergio Beristain; sberista@hotmail.com Apartado Postal 12-1022, Col. Narvarte 03001 México D. F. Tel. (01 55) 5682-2830, 5682-5525, Fax (01 55) 5523-4742. Región Norte: M.C. Fernando Elizondo Garza; fjelizon@hotmail.com Región Occidente: Dra. Martha G. Orozco M.; morozco@maiz.cucba.udg.mx Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 41 �Los mirones empedernidos de la física José Luis Álvarez García Departamento de Física, Facultad de Ciencias, UNAM. jlag@hp.fciencias.unam.mx RESUMEN La palabra “teoría” proviene del griego “theorein” y significa ver, mirar, contemplar; pero no es un mirar superficial, sino mirar profundamente a la Naturaleza; ésta es la actitud del sabio, del amante de la sabiduría. Platón llamaba a este personaje Philotheamon: mirón empedernido. En este trabajo, y a partir de la etimología de la palabra, se presenta una lista, necesariamente incompleta, de algunos mirones empedernidos en la historia de la física. PALABRAS CLAVE Ciencia, conocimiento, teorías, historia. ABSTRACT The word “theory” comes from Greek “theorein” and it means to see, to watch, to contemplate; but it is not a superficial sight, but a deep observation of Nature; this one is the attitude of the wise person, of the lover of the wisdom. Plato called to this personage “Philotheamon”: a hardened onlooker. In this work, and from the etymology of the word, a list is presented, necessarily incomplete, of some hardened onlookers in the history of the physics. KEYWORDS Science, knowledge, theories, history. La palabra “teoría” proviene del griego theorein y significa contemplar, mirar; pero no es un mirar superficial, sino un mirar profundo, contemplar para entender la naturaleza de las cosas, para saber cómo está construido o cómo funciona el Mundo. Ésta es la actitud del sabio, del filósofo, del amante de la sabiduría. Platón llamaba a este personaje Philotheamon, “mirón empedernido”, y por supuesto que se puede extender el término al terreno de la física. En la historia de esta ciencia hay muchos mirones empedernidos y cualquier lista que se haga es necesariamente incompleta. Los primeros que registra la historia los encontramos en la antigua Grecia. Uno de tales personajes se llama precisamente así, Tales, y era de Mileto, ciudad jonia de Grecia, y vivió en el siglo VII a.n.e. Así, mientras casi toda la gente veía al Sol únicamente cruzar el cielo, Tales miraba tan bien que predijo un eclipse solar y era tan mirón que una vez se cayó a un pozo por andar observando las estrellas. Tales “miraba” que el elemento esencial en el Mundo era el agua. Otros mirones fueron Leucipo y Demócrito, que vivieron en los siglos V y IV a.n.e., y quienes debieron tener muy buena “vista”, pues mientras la mayoría de las 42 Platón Artículo publicado en el Boletín de la Sociedad Mexicana de Física, No. 1, Vol. 18, Ene-Mar 2004. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Los mirones empedernidos de la física / José Luis Álvarez García personas miraba que los cuerpos en la naturaleza eran duros, blandos, lisos, rasposos, etc., ellos “miraron” que estaban formados por diminutas partículas, indivisibles y eternas, llamadas “átomos”, que se movían en el vacío (ατοµοι, significa indivisible). Y todo esto lo “miraron” hace 25 siglos, utilizando sólo el poder de su pensamiento especulativo. En el siglo IV a.n.e. la mayoría de las personas solamente veía que había unos cuerpos más pesados que otros, mientras que Aristóteles, otro mirón de la Antigüedad, “miraba” que el Universo tenía una estructura cuyo centro era precisamente donde está ubicado el centro de la Tierra y todos los cuerpos celestes giraban en torno a ese centro y los cuerpos graves se dirigían hacia allí cuando se les soltaba. Siglos más tarde otros mirones corregirían lo que “miró” Aristóteles, pero él tiene el gran mérito –entre muchos otros– de haber iniciado con sus teorías el estudio sistemático de un fenómeno tan complicado como es el movimiento. Arquímedes, un mirón que vivió en Siracusa en el siglo III a.n.e., fue también un genial ingeniero y matemático y un día, según cuenta la leyenda “miró” mientras se bañaba que todos los cuerpos sumergidos en un fluido experimentan un empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado. Cuando descubrió el principio de la hidrostática que lleva su nombre, dicen que salió corriendo desnudo por las calles de su ciudad gritando “¡Eureka!” (¡Lo hallé!). También fue quien dijo, refiriéndose a la ley de las palancas: “Dadme un punto de apoyo y moveré al mundo”. Eratóstenes, un mirón que vivió en el siglo III y II a.n.e., fue el bibliotecario de la gran Biblioteca de Alejandría, además fue matemático y astrónomo e hizo ajustes importantes en el calendario. Eratóstenes había escuchado relatos de viajeros que decían que al medio día del 21 de junio el sol no proyectaba Aristóteles Arquímides Eratóstenes Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 ninguna sombra en un pozo de la ciudad de Siena (la moderna Assuán) y que por consiguiente su luz caía perpendicular en esa región. Sabía que Siena se encontraba exactamente al sur de Alejandría y “miró” que si podía medir la longitud de la sombra del Sol en esta última a la hora que no había sombra en la primavera, podría calcular la circunferencia de la Tierra. Así lo hizo y encontró la circunferencia por simple geometría. Durante los siglos XVI y XVII se da una revolución en el pensamiento científico con el trabajo de muchos mirones. Así, mientras toda la gente miraba que el Sol giraba alrededor de la Tierra y ésta estaba en el centro del Universo, uno de estos mirones, Copérnico, “miró” lo que habían “mirado” otros mirones en los siglos IV y III a.n.e., Heráclides y Aristarco: que la Tierra se movía en torno a su propio eje y alrededor del Sol. Kepler, otro mirón de esta época, “miraba” que el Universo estaba construido con base de los sólidos perfectos de la geometría. Y esta “visión” lo lleva a plantear sus tres famosas leyes. Toda la gente creía que los planetas se movían en órbitas circulares, Kepler “mira” que lo hacen en órbitas elípticas según leyes perfectamente definidas. En esta época, mucha gente veía al Sol como objeto de reverencia mística y religiosa, Kepler, en cambio, “mira” que el Sol es la causa física de que los planetas giren en sus órbitas alrededor de él y prepara el camino para la ley de la gravitación universal. Galileo, mirón convencido del sistema de copernicano, “miraba” que todos los cuerpos caen con la misma aceleración en el vacío, mientras que los demás seguían creyendo en que Aristóteles había “mirado” siglos atrás respecto a que los cuerpos caían con una velocidad proporcional a su peso. Galileo también “miró” que el movimiento podía permanecer Corpénico Kepler Galileo 43 �Los mirones empedernidos de la física / José Luis Álvarez García indefinidamente sin necesidad de una causa que lo mantuviera, iniciando así la construcción del principio de la inercia. Además “mira” que las componentes verticales y horizontales de las trayectorias de los proyectiles son independientes entre sí y funda la ciencia de la cinemática moderna y al mismo tiempo da argumentos de plausibilidad del movimiento terrestre. Un mirón que no era físico de profesión sino abogado, y se dedicó a la física y a las matemáticas por afición, lo que le valió el sobrenombre de “Príncipe de los aficionados”, fue Pierre Fermat, quien “miró” que todos los caminos geométricos posibles entre dos puntos dados, sólo son caminos reales para la luz aquellos cuyo camino óptico sea un máximo o un mínimo. La condición se restringe a un mínimo para la mayoría de los casos. El común de las personas ve que las varas se quiebran cuando son introducidas en el agua y se enderezan al volverlas a sacar. Christian Huyghens “miró”, en 1678, que la luz era una onda y que la desviación que experimenta al pasar de un medio a otro es debida al cambio de velocidad del rayo luminoso al cambiar de medio. Anteriormente, otro físico holandés, Willebrod Snell, había encontrado, en 1621, una relación entre los ángulos de incidencia y de refracción de un rayo de luz; relación que también encontró Descartes algunos años más tarde. Newton, que nació el mismo año que murió Galileo (1642), “miró” que la Luna está cayendo continuamente hacia la Tierra, mientras que todo el mundo ve que no lo hace. Y esto lo llevó a plantear una ley de gravitación universal. Este mirón vio muchas cosas más. Por ejemplo, que la luz blanca esta formada por todos los demás colores y, a través de sus tres leyes de movimiento, vio como están relacionadas la masa, el tiempo, el espacio y el movimiento, además de establecer una conexión Fermat 44 Huyghens Newton entre todos los cuerpos del Universo y no considerar a éste como un mero conjunto de objetos sin ninguna interrelación. Ruggiero Giuseppe Boscovich, un matemático jesuita, “miró”, a mediados del siglo XVIII, que la materia estaba formada por partículas fundamentales a las que llamó “puntos centrales”, abandonando la antigua idea de una variedad de átomos sólidos diferentes. Estas partículas sugeridas por Boscovich eran todas idénticas, y las relaciones alrededor de esos puntos centrales constituían la materia. Boscovich, que había llegado a estas conclusiones a partir de sus conocimientos de matemáticas y astronomía, anunció la íntima conexión entre la estructura del átomo y la del Universo, entre lo infinitesimal y lo infinito y preparó el camino para la física atómica que seguiría con Dalton, Gay-Lussac, Avogador, Mendeleyev y otros. Michael Faraday, en el siglo XIX, “miró” que el mundo no es un escenario de “fuerzas a distancia”, tal y como lo dicta la física newtoniana, sino que lo que está presente en el mundo físico son sutiles y omnipresentes “campos de fuerza”. Curiosamente, Faraday no tenía una preparación formal en física y matemáticas y tal vez esta sea la razón por la cual no sigue la tradición de la mecánica de Newton de “fuerzas a distancia”. Al descubrir la inducción electromagnética, Faraday “mira” que la existencia de partículas y campos eléctricos son insinuaciones hacia la unidad de los fenómenos en la física a través del concepto de campo. Un admirador de Faraday, James Clerk Maxwell, “miró”, también en el siglo XIX, la estructura del campo electromagnético por medio de las ecuaciones que llevan su nombre, y también “miró” que hay una estrecha relación entre los fenómenos electromagnéticos y la óptica, uniendo a estas dos áreas de la física. Algún tiempo más tarde, fue Boscovich Faraday Maxwell Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Los mirones empedernidos de la física / José Luis Álvarez García confirmada experimentalmente la predicción de la teoría expresada en las ecuaciones de Maxwell por el físico alemán Rudolph Hertz al producir ondas electromagnéticas que podían ser refractadas, reflejadas y polarizadas del mismo modo que la luz, así como también, midió su velocidad, encontrando que era igual a la de la luz. Sabemos que en la Naturaleza la energía en forma de calor pasa de los cuerpos de alta temperatura a los de baja temperatura, y nunca en sentido opuesto; también sabemos que la energía mecánica puede ser completamente transformada en calor, por ejemplo mediante fricción, mientras que una completa transformación de calor en energía mecánica representa, en general, una imposibilidad física. William Thompson (Lord Kelvin) y Rudolph Clausius, “miraron” durante la segunda mitad del siglo XIX, que estos resultados se podían generalizar y enunciaron la segunda ley de la termodinámica y el concepto de entropía, continuando así los trabajos de Carnot, Joule y otros. Max Planck, en 1900, “mira” que el espectro de la radiación de un cuerpo negro (la intensidad de luz que emite un cuerpo opaco caliente a diferentes longitudes de onda) se puede explicar asumiendo que dicho cuerpo está constituido por osciladores (átomos) que cuando emiten luz a una determinada longitud de onda no lo hacen de manera continua, sino más bien en cantidades discretas, múltiplos de un quantium de energía que es inversamente proporcional a la longitud de onda de la luz emitida. Planck funda así la mecánica cuántica. Einstein, quien nace el mismo año que muere Maxwell (1879), “mira” que la velocidad de la luz es independiente de cualquier observador que se mueva con velocidad constante y establece la relatividad Thompson Clausius Planck Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 especial. Más adelante “mira” que un movimiento acelerado es equivalente a un campo gravitacional, estableciendo el principio de equivalencia y amplía su teoría a la relatividad generalizada que incluye la gravitación. Con esto modifica sustancialmente las nociones de espacio y de tiempo a diferencia de lo que el sentido común dicta al resto de las personas. En particular, también “mira” que el espacio tiene una estructura determinada por la cantidad de materia que hay en él. Éstos son solamente algunos de los mirones empedernidos de la física y esta es una de las maneras como han construido su ciencia: con teorías, “mirando” a la Naturaleza, al Universo que nos rodea y del cual todos formamos parte. El filósofo en general, y en este caso el físico hará un arte de mirar bien, y este arte será la teoría. Finalmente, mencionaremos lo que decía Heráclito, otro mirón del siglo VI a.n.e., quien “miraba” que detrás del incesante cambio de la Naturaleza, de las sociedades y del ser humano, siempre hay algo que permanece. Heráclito nos dice que lo único que permanece es el cambio y nos señala en los fragmentos que se conserva de su obra que “la masa no se fija en aquello con que se encuentra, no lo nota cuando se le llama la atención sobre ello, aunque se imagine hacerlo”. Por el contrario, el mirón busca lo inesperado, pues –continúa Heráclito“si no esperas lo inesperado, no lo encontrarás, pues es penoso y difícil de encontrar” debido a que “la Naturaleza ama el ocultarse”. AGRADECIMIENTOS Agradezco al maestro Miguel Núñez Cabrera y al doctor Marco Antonio Martínez Negrete sus valiosos comentarios al hacer la revisión de este trabajo. Einstein 45 �Visualización cristalográfica de la hidroxiapatita José Luis Gómez Ortega, Nora Elizondo Villarreal, Héctor Martín Guerrero Villa Facultad Ciencias Físico Matemáticas-UANL. jogomez@ccr.dsi.uanl.mx, nelizond@ccr.dsi.uanl.mx, hguerrero@fcfm.uanl.mx RESUMEN Según ensayos clínicos, el calcio de la Hidroxiapatita es una de las formas más absorbibles y más eficaces de calcio para la prevención de la pérdida del hueso. La superficie de la hidroxiapatita ayuda a atraer y sostener en reserva al potasio, el magnesio, el boro, el cinc, el sílice, y el cromo. En este trabajo se presenta una visualización de la estructura cristalina de la hidroxiapatita. PALABRAS CLAVE Hidroxiapatita, cristalografía, red cristalina, eje tornillo. ABSTRACT According to clinical tests, the calcium of the Hydroxyapatite is one of the easiest to absorb as well as one of the more effective forms of calcium for the prevention of bone loss. The surface of the Hydroxyapatite aids to attract and to maintain in reserve potassium, magnesium, boron, zinc, silica, and chromium. In this work is showed a visualization of the Hydroxyaptite´s crystal structure. KEYWORDS Hydroxyapatite, crystallography, crystal lattice structure, screw axis. INTRODUCCIÓN La hidroxiapatita Ca10(PO4)6(OH)2 es una forma de fosfato que tiene una gran cantidad de aplicaciones tales como la separación y la purificación de proteínas y los implantes de hueso. Para cada aplicación, el uso de las materias primas de calcio es optimizado especificando las propiedades físicas y químicas tales como: la geometría, la dimensión, la densidad, el tamaño del poro, la fuerza mecánica, la pureza, y la fase química del material. La hidroxiapatita es un compuesto cristalino integrado por tres moléculas de fosfato del calcio y de una molécula de hidróxido de calcio. El concentrado de la hidroxiapatita es la matriz de calcio de la proteína encontrada en el hueso sin procesar. Esta sustancia natural contiene aproximadamente 14% la proteína del colágeno y 4% de otras proteínas y aminoácidos pequeños (sobre todo hidroxiprolina, glicina, y ácido glutámico). El calcio abarca entre el 24 - 30% de la matriz de la hidroxiapatita y junto con varios minerales (cinc, potasio, silicio, manganeso, fierro) forma un conjunto biodisponible activo de calcio. 46 Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Visualización cristalográfica de la hidroxiapatita / José Luis Gómez Ortega, et al Se ha realizado un enorme crecimiento en las investigaciones de ciencia de los biomateriales. Las cirugías ortopédicas comunes ahora exigen una cantidad grande de substitutos bioactivos de hueso con una variedad de respuestas osteogénicas. En el sistema del fosfato de calcio, la hidroxiapatita Ca10(PO4)6(OH)2 y el fosfato tricálcico Ca3(PO4)2 son excelentes materiales bioactivos convenientes para el prostético duro del tejido fino. Usando métodos de proceso especiales, muchos materiales bioactivos se han fabricado en formas de polvo y de bulto con variaciones en porosidad. Tales materiales se utilizan en cirugía ortopédica.1, 2, 3, 4, 5 HIDROXIAPATITA Los minerales del grupo de la apatita son un grupo de fosfatos, arseniatos y vanadatos que tienen estructuras hexagonales o monoclínicas pseudohexagonales muy similares. Este grupo incluye varios minerales tales como la apatita (de donde este grupo consigue su nombre), mimetita, piromorfita y vanadinita. Apatita es el nombre general para los minerales: clorapatita, fluorapatita e hidroxiapatita (figura 1 y 2). La fórmula general para el grupo apatita es: A 5(BO 4) 3(OH, F, Cl) Los cationes A pueden ser varios iones metálicos tales como calcio, bario, sodio, plomo, estroncio, lantano y/o cerio. Los cationes B pueden ser fósforo, vanadio o arsénico. Los grupos del anión de carbonato, CO3, y los grupos del anión de silicato, SiO4, pueden sustituir en un grado limitado a los grupos BO4.6 Fig. 2. Difractograma de la hidroxiapatita Ca5(PO4)3(OH). Tabla I. Características de la estructura cristalina de la hidroxiapatita segun Hughes, et al. Celda a = 9.36Å, b = 9.36Å, c = 6.86Å; α = 90° β = 90° SGR P 63 / m Clase 6/m Átomo γ = 120° Coordenada* X Y Z Ca 2/3 1/3 0.0016 Ca -0.0070 0.2416 1/4 P 0.3694 0.3984 1/4 O 0.4859 0.3273 1/4 O 21/45 0.5882 1/4 O 0.2575 0.3414 0.0707 OH 0 0 1/4 *Las coordenadas son coordenadas reducidas. Fig. 1. Hidroxiapatita. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 GENERACIÓN DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA Como modelo de la estructura cristalina de la hidroxiapatita se utilizaron los resultados expuestos en el trabajo de Hughes, J. M., M. Cameron, and K.D. Crowle.7 Los datos corresponden a la tabla I. En la visualización se puede exhibir la hidroxiapatita con el modelo de Pauling. Mostrándose las propiedades de la estructura cristalina, mediante el software. La aplicación que se utilizó fue Crystal Office 98. 47 �Visualización cristalográfica de la hidroxiapatita / José Luis Gómez Ortega, et al Los radios del enlace covalente estan dados en la tabla II. Tabla II. Radios de enlaces covalentes de los elementos presentes en HAp. Elemento Radio Covalente Calcio 1.740 Å Fósforo 1.056 Å Oxígeno 0.728 Å Hidróxido 0.680 Å Con el modelo podemos observar la red cristalina de la hiroxiapatita en el plano cristalográfico 001 (figura 3a y 3c), los átomos son representados por esferas de radio 0.5 armstrongs (figura 3a). En esta figura se puede visualizar un aparente acomodamiento hexagonal de los átomos de calcio alrededor de los de hidróxido. Este supuesto hexágono son enlaces de CaOH sobrepuestos (figura 4), este aparente hexágono es porque se está viendo el plano cristaligráfico 001. 3.a) 4.a) 4.b1) 4.b2) 4.c) 4.d) 3.b) 3.c) Fig. 3. La figura muestra: a) los átomos con un radio de 0.5 Ǻ, b) los átomos con los radios correspondientes a la tabla 2, c) la aparente distribución hexagonal de los enlaces Ca-OH con un radio de 0.5 Ǻ. 48 Fig. 4. La figura muestra: a) hidroxiapatita, b) los enlaces covalentes Ca-OH (ver tabla II), c) los dos triángulos formados por los enlaces Ca-OH en el eje z de la celda convencional, d) los enlaces de Ca-OH a lo largo del eje z contrastados con los enlaces Ca-Ca. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Visualización cristalográfica de la hidroxiapatita / José Luis Gómez Ortega, et al En la figura 4 se muestran los triángulos formados por los enlaces Ca-OH. Esto es reportado en la bibliografía.8 Los átomos de calcio de los enlaces Ca-OH forman un triángulo equilátero, lo que da como resultado un ángulo de 120º en los enlaces. Estos triángulos equiláteros están centrados en el eje tornillo. En la figura 4a se aprecian las hélices. En la figura 3b se visualizan también los enlaces Ca-OH. En la figura 3c se visualizan a lo largo del eje z los enlaces Ca-OH, que forman un triángulo equilátero, dichos triángulos se extienden a lo largo de todo el eje z (figura 4d), estos enlaces son paralelos a los enlaces Ca-Ca, los enlaces Ca-OH le dan libertad de compresión a la hidroxiapatita y los enlaces Ca-Ca le dan dureza, lo que le permite a la hiodroxiapatita ser un material idóneo para los implantes en huesos humanos. En la figura 5a se aprecia el plano especular z = 1/4, el cual es perpendicular a los enlaces CaCa que se distribuyen a lo largo del eje z y paralelo a los enlaces Ca-OH (figura 5b), en esta imagen se muestran los enlaces covalentes Ca-OH, que están en el plano de simetría, así como los Ca-Ca. Se reporta un ángulo de 109.4º en la bibliografía,8 con un error de 2.3º a 3.4º; el ángulo encontrado es de 108.025º lo cual da una diferencia de 1.375º (figura 6a), en la figura 6b además se muestra al fosfato con sus radios covalentes, presentando un ángulo de 108.025º . CONCLUSIONES En la visualización cristalográfica de la hidroxiapatita se aprecia la distribución característica del grupo de las apatitas, esto es el acomodamiento hexagonal, el cual es una de las redes de Bravais.9 Los enlaces calcio-calcio, están en dirección paralela al eje Z y al enlace hidróxido-calcio; esta configuración le confiere al material una dureza muy alta, por los enlaces calcio-calcio, y amortiguamiento por los enlaces hidróxido-calcio. Estas características contribuyen a que la hidroxiapatita sea un material idóneo para implantes ortopédicos en huesos humanos. En la bibliografía se reporta un plano especular en z = 1/4 y z = 3/4,8 se muestra el de z = 1/4 en la figura 5. 5.a) 6.a) 5.b) 6.b) Fig. 5. La figura muestra: a) el plano de simetría de la hidroxiapatita en z=1/4, b) la intersección del plano de simetría con los enlaces covalentes Ca-OH y los Ca-Ca de la hidroxiapatita. Fig. 6. La figura muestra: a) el ángulo que se forma entre el fosforo y el oxígeno en el fósfato b) la ampliación de a) usando los radios covalentes (ver tabla II). Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 49 �Visualización cristalográfica de la hidroxiapatita / José Luis Gómez Ortega, et al REFERENCIAS 1. Programa iberoamericano de ciencia y tecnología para el desarrollo (CYTED) (2000). 2. K. de Groot. Calcium phosphate coatings: Alternative to plasma spray. Bioceramics Volume 11. 11th International symposium on Ceramics in Medicine. New York, NY, USA. World Scientific Publishing Co. November 1998. 3. K. A. Hing, I. R. Gibson, L. Di-Silvio, S.M. Best, W. Bonfiel. Effect of variation in Ca:P ratio on cellular response of primary human osteoblast -like cells to hydroxyapatite- based ceramics. Bioceramics Volume 11. 11th International Symposium on Ceramics in Medicine. New York, NY, USA. World Scientific Publishing Co. November 1998. 4. Gengwei Jiang, Donglu Shi. 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(SEGUNDA PARTE) “Un pueblo es libre cuando es un pueblo con futuro” Pedro Aznar, cantante argentino la Parte I de este artículo se publicó en el número 23 de INGENIERÍAS. La represión de 1863 no acabó con el movimiento.19 Cuando un pueblo cree en el futuro, es indomable. Y los nihilistas creían en el futuro. Durante la guerra de Crimea, Florence Nightingale hizo su aparición estelar y allí realizó no sólo trabajos de enfermería sino medicina de campo y estudios estadísticos sobre la mortalidad del ejército inglés. Se sabe que los militares rusos urgieron a Alejandro II para que promoviera el estudio de la medicina como un asunto de estado. Es posible que tanto la promoción imperial como la figura de Nightingale haya inspirado a las mujeres en 1860 a asistir a las clases de medicina de la universidad, sobre todo en San Petesburgo y Moscú. Las mujeres no podían recibir un título formal y en muchos de los casos dependían de la buena voluntad de los profesores para ser admitidas (que, en el caso de las ciencias a diferencia de las llamadas “humanidades”, normalmente sucedía). La mayoría de estas mujeres pertenecían al movimiento nihilista y algunas de ellas participaron en las revueltas de 1863 y pertenecieron a grupos radicales como la asociación Tierra y Libertad. La mayoría no quiso participar en las revueltas ni en los grupos radicales por temor a ser expulsadas de la universidad pero, irónicamente, eso fue exactamente lo que sucedió. Después de los disturbios una de las primeras acciones del gobierno fue prohibir en 1864, ahora sí de manera explícita, la asistencia de mujeres a la universidad.20 Pero a pesar de las persecuciones y los encarcelamientos el movimiento continuó. Como paliativo el imperio ruso instauró, de 1864 a 1865, los “cursos pedagógicos para mujeres” pero la rancia sociedad hizo protesta debido a la “inmoralidad” de las clases de anatomía y fisiología y se clausuraron los cursos. En ese mismo año, Nedezhda Suslova entró de oyente en la Universidad de Zúrich y en 1867 se convirtió en la primer mujer que estudiaba oficialmente ahí, mismo año en que se graduó y se convirtió en la primera mujer en la Europa moderna en obtener un título de doctorado en medicina completamente equivalente al de los varones. La experiencia de Nedezhda se dió a conocer entre las mujeres nihilistas quienes comenzaron a emigrar por cientos (gracias a los matrimonios ficticios, principalmente) a Europa Occidental. El destino más socorrido, como es de esperarse, era Zúrich pero también emigraron a Francia21 y Alemania, países donde creían que las mujeres gozaban de más libertades. El movimiento de mujeres rusas no estaba aislado, en muchas regiones del mundo, las mujeres estaban organizadas y abogaban por mayores libertades. A diferencia de lo que ocurriera con las científicas italianas del siglo XVIII,22 el influjo de las nuevas ideas se expandía y se tiene registro de publicaciones científicas, de publicaciones hechas por mujeres para mujeres y de manifestaciones en pro de la igualdad de derechos, así como notas al respecto de estos Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 51 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte II / Luis Felipe Gómez Lomelí movimientos, en países como Inglaterra, EEUU, El Salvador, Honduras, Filipinas, Turquía, México, España, Francia, Alemania, Italia y un largo etcétera. Una de sus demandas era, como en Rusia, el acceso a la educación superior. La reacción no espera y varios gobiernos crean institutos y universidades para mujeres o instauran bajo el título de “clases públicas” o “conferencias al público” clases a las que las mujeres podían asistir después de ser vetadas oficialmente de la mayoría de las universidades.23 EEUU e Inglaterra sobresalen en la segregación femenina mediante la creación de universidades para mujeres.24 Cabe aclarar que en la mayoría de los casos y por varios años los títulos que recibían las egresadas de estas instituciones no eran equivalentes en ningún sentido a los títulos que recibían los varones aunque los profesores y la currícula fueran las mismas y, por lo mismo, las oportunidades profesionales eran harto distintas.25 Por ejemplo, en la academia de San Petesburgo se instauran, de 1872 a 1887, los cursos para esposas educadas,26 recalco: no podían llamarse doctoras al final de su aprendizaje sino esposas educadas. Otra de las soluciones por las que optan los gobiernos y las universidades es permitir a las mujeres que atiendan a las clases pero se les niega el título, la matemática inglesa Charlotte Scot fue una de ellas. Pero no todas las mujeres acogieron las soluciones que sus gobiernos les ofrecían, y las rusas sobresalieron en este rubro. Muchas de ellas, junto con sus profesores, presionaron a las universidades a las que atendían (en ocasiones de forma ilegal) para que les otorgaran títulos iguales que los que recibían sus compañeros varones. Después de Suslova varias mujeres reciben su título doctoral en medicina por la Universidad de Zúrich. En 1873 Anna Evreinova se convierte en la primera mujer que recibe un título doctoral en leyes (U. de Leipzing) y Iulia Lermontova, es la primera mujer que recibe un título doctoral en química (U. de Göttingen) y en 1874 Sofía Kovalevskaya es la primera mujer que se doctora en matemáticas (U. de Götingen). Tanto Lermontova como Kovalevskaya realizaron sus estudios “ilegalmente” bajo el auspicio de algún o algunos profesores y, no obstante su titulación, la U. de Göttingen siguió negando la entrada a mujeres.27 Pero así como fueron de obstinadas las nihilistas, el gobierno imperial ruso también lo fue y, aparte de 52 amenazar a las mujeres que siguieran estudiando en el extranjero, negó sistemáticamente las oportunidades laborales a quienes recibieron tu título.28 SOFÍA KOVALEVSKAYA: MATEMÁTICA “¡Cómo se nos fue a morir tan jovencita!” María Urrea, mi abuela ¿Qué sería de la física si Majorana no hubiera desaparecido? Se preguntan de vez en vez, sobre todo en la Universidad de Roma donde da clases su sobrino. Ettore Majorana fue la promesa que no se cumplió, y se hizo leyenda. Se dice que era más brillante que sus maestros Fermi y Heisenberg, que habría superado a Marconi, que hubiera sido el nuevo Leonardo, el nuevo Galileo. Tantas esperanzas había en él que no sólo los periódicos sino también Musolini le tenía el ojo bien puesto. Entonces fue que desapareció, se subió a un barco y no consta que se haya bajado. Algunos dicen que se suicidó porque su vida era miserable, otros dicen que siendo tan inteligente fabricó su desaparición para evitarse problemas. El caso es que es un mito y que su sobrino, profesor de física de la U. de Roma, está harto de que le pregunten por su tío. Sofía Kovalevskaya no desapareció, murió en 1891 en Estocolmo a los cuarenta y un años recién cumplidos. Fue justo en la “cumbre” de su carrera, después de ser la primera mujer en doctorarse en matemáticas29 y de ser la primera en convertirse en profesor de tiempo completo de una universidad,30 en la de Estocolmo en 1889, de ser la primera mujer miembro de la Academia de Ciencias Rusa en 1889, después de recibir uno de los más importantes premios en ciencias matemáticas en Europa, aparte de la medalla de oro de la Sociedad Imperial de Geografía Rusa en 1887, el Prix Brodin de la Academia de Ciencias Francesa en 1888 por su trabajo sobre la rotación de un cuerpo rígido. Por supuesto, surge la duda de qué habría pasado si hubiera vivido más, si hubiera podido dedicarse más a las matemáticas. Se dice que Sofía tuvo facilidad y gusto para las matemáticas, por lo menos, desde su adolescencia Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte II / Luis Felipe Gómez Lomelí cuando, gracias a que parte de su cuarto fue tapizado con papeles que tenían problemas de cálculo,31 mostró su interés por ella. También se afirma que, para entender el libro de óptica de su vecino Trytov, no sólo se enseñó trigonometría a sí misma sino que repitió el desarrollo histórico de la formulación de la función seno. Varios notaron su talento –un tío, el mentado vecino y otro profesor que en inicio fuera el tutor de un primo y luego se convirtiera en suyo– y ayudaron a su padre a convencerse de que su hija quería estudiar. Para cuando se casó con Vladimir su nombre ya sonaba entre los círculos nihilistas rusos y en 1869 se va a Heidelberg para ver si puede estudiar matemáticas en la universidad. Fue rechazada por la administración pero admitida de oyente por varios maestros de ciencias –Kirchhoff, Von Helmhotz, Leo Königsberger, entre otros–. Sin embargo ella quería matemáticas y fue hasta que convenció, resolviendo unos problemas, a Karl Weierstrass que los mencionados, más DuBois-Reymond, vuelven a pedir su admisión en la universidad. Otra vez la rechazaron pero convenció a Weierstrass para que le diera clases privadas. Así iniciaría su amistad con uno de los más eminentes matemáticos de la historia, amistad que duró hasta la muerte de ella y cuya correspondencia sólo fue interrumpida durante la temporada que Sonya regresó a vivir a Rusia. Para Weierstrass, quien fuera maestro de muchos afamados matemáticos, Sofía fue su mejor alumna y ella siempre mostró su agradecimiento. En la primavera de 1874 Kovalevskaya publicó sus primeros tres artículos, uno de ellos en uno de las revistas más importantes de matemáticas de la época: Crelle’s Journal. Este artículo trata sobre solución de ecuaciones diferenciales parciales y es uno de sus trabajos más famosos (ahí aparece lo que en la actualidad se conoce como el teorema Weierstrass Königsberger Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 Cauchy-Kovalevsky). El segundo artículo era más apegado a la línea de investigación de Weierstrass y concierne sobre la reducción de cierto tipo de integrales abelianas a integrales elípticas. El tercer artículo trata sobre la rotación y el modelaje de los anillos de Saturno (problema en el que estuviera trabajando Poincaré). Según Weierstrass cada uno de los artículos merecía un doctorado. Fuera cierto o no, por lo menos el primer artículo causó revuelo y ese mismo año la Universidad de Göttingen la admite como alumna y le otorga el doctorado summa cum laude. Sofía confiaba que con el doctorado sería recibida con las puertas abiertas en su país natal así que decide emprender el regreso junto con Vladimir (de quien, durante la mayor parte de sus años de estudio, había vivido separada). Sin embargo no conseguía trabajo, había sido vetada. Sólo en una ocasión le ofrecieron el puesto de maestra de aritmética, un insulto para cualquier persona con doctorado. Defraudada, dejó la investigación y se abstuvo de responderle las cartas a Weierstrass. Seis años más tarde, en 1880, decidió volver a la investigación. En 1881 se separó de nuevo de Vladimir y fue a Paris con su hija pero, fuera de Mittag-Leffler, no consiguió una acogida favorable por parte de los círculos científicos parisinos. No obstante al siguiente año publicó tres artículos sobre la refracción de la luz. Aquí es importante aclarar algo que puede surgir de una duda loable: cómo es posible que una matemática se dedique a problemas de óptica. En matemáticas, como en cualquier área del conocimiento, existen varias ideologías de investigación. Las dos principales son la de quienes abogan por “las matemáticas por las matemáticas mismas”, que era la escuela de Weierstrass, y la de los que se podrían llamar “los matemáticos aplicados”, a la que pertenecían Helmholtz Mittag-Leffler 53 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte II / Luis Felipe Gómez Lomelí la mayoría de los matemáticos rusos de la época como Chebyshev. Sonya seguramente aprendió de Weierstrass la primer escuela y sería divagar, además de inútil, preguntarse de quien aprendió la segunda. Sin embargo considero que dada la ideología nihilista en Kovalevskaya era de esperarse que buscara una utilidad, un “aterrizaje a problemas reales”, en sus investigaciones matemáticas. Lo cierto es que Sonya sirvió de enlace entre las matemáticas “abstractas” de los alemanes –como eran consideradas por sus colegas rusos– y las matemáticas aplicadas de sus coetáneos.32 Es posible que esta habilidad, palpable en sus trabajos y poco común entre los matemáticos hasta la fecha, haya sido lo que le haya ganado la admiración de muchos: Hermite la llamó el mejor analista de la época y Kronecker dijo que la historia hablaría de ella como un investigador especialmente único y capaz. La muerte de su esposo en 1883 le trajo, junto con la tristeza, la aceptación social: una viuda siempre es respetable al menos que sea sospechosa. Y para 1884 ha conseguido, con ayuda de Mittag-Leffler, el empleo de privat dozent en la Universidad de Estocolmo. Dicha modalidad de maestro era la más baja en Europa, de hecho la universidad no le otorgaba un salario sino que eran los mismos alumnos a los que enseñaba los que le pagaban directamente. En 1886 se anuncia el tema del Prix Brodin, la rotación del cuerpo rígido, en el que ella estaba trabajando. Dos años más tarde lo gana con su artículo Memoir sur un case particulier du probleme de la rotation d’un corps pesant autour d’un point fix, ou l’integration s’effectue á l’aide des functions ultraelliptiques du temps. Este trabajo la convirtió en una celebridad, no obstante ella se quejaba diciendo que en lugar de tratarla como una reina deberían de darle un trabajo digno. Lo consiguió. En 1889 le otorgan la cátedra, el trabajo de profesor de tiempo completo y se convirtió en la primer y única mujer que tuvo un puesto de esta categoría durante todo el siglo XIX. Por estas fechas, junto con la tristeza que le provoca la muerte de su hermana Anyuta, se atiborran los reconocimientos: Chebyshev la propone en la Academia de Ciencias Rusa, es aceptada, también es editora de la revista de matemáticas Acta Mathematica, etcétera. 54 La investigación que le mereció el Prix Brodin merece varios comentarios desde el punto de vista matemático, sólo haré el que me parece más importante. Años más tarde el matemático italiano Volterra (célebre por las ecuaciones Lotka-Volterra de dinámica de poblaciones, entre otros trabajos) tratando de hacer una generalización del método de Kovalevskaya encuentra un error en el artículo de ella y lo publica. Posiblemente debido a esto –pero puede que muy aderezado por la retórica antifeminista– el método asintótico que ella expuso allí para la solución de las ecuaciones fue por mucho tiempo considerado como simplista, como una salida fácil para no resolver el problema “como se debe”. Sin embargo entrada la década de 1970 y con investigaciones posteriores en la década de 1980 ha resultado que dicho método tiene un gran rango de aplicaciones. ¿Por qué fue demostrado esto más de ochenta años después de su muerte? Es una buena pregunta que da lugar a un gran número de suposiciones, desde la del “olvido involuntario” –como con los trabajos de Mendel en genética– hasta hipótesis que acusan al machismo. Yo no me siento en condiciones de poder responder. En 1890 Sofía, como se dijo, vivía con su hija Fufa y con Iulia en Estocolmo y tenía un amante en París, Maksim Kovalevsky, pariente lejano de su esposo. Maksim y Sofía se veían de cuando en cuando, en vacaciones, cuando uno pudiera ir al lugar del otro debido a lo entregados que eran ambos a su trabajo. El amorío fue polémico y un manjar para quienes gustan de los melodramas, también sirvió como argumento tanto en la retórica feminista como para la anti-feminista.33 En febrero de 1891 Sofía Kovalevskaya se encontraba en la cumbre de su carrera, era reconocida por la comunidad científica occidental y por fin contaba con un trabajo que le permitiera dedicarse de tiempo completo a la Kirchhoff Volterra Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte II / Luis Felipe Gómez Lomelí academia y la investigación. Cuando ella muere, de influenza y neumonía, recién regresaba de un viaje con Maksim. Él vivió todavía veinticinco años más, no se volvió a casar y conservó siempre las cartas de Sonya. La muerte de Kovalevskaya no pasó desapercibida y se publicaron esquelas en los periódicos de casi todas las capitales de Occidente, además de en muchas otras ciudades no occidentales como Estambul y Argelia.34 Igual que con Majorana, surgió esa duda desalentada de qué hubiera pasado y, lo mismo, las respuestas sólo sirven para hacer poesía. Érase una vez que los jóvenes... (tercera y última, más un poco de teoría de género) “De qué me vale ser hija de santa” Padre, aparta de mí ese cáliz. Canción cantada por Sanampay Las mujeres de la generación de los sesenta marcaron un parteaguas, en especial las rusas. A la mujer, como al varón o al homosexual, se le puede rastrear desde los primeros registros de la historia de la ciencia de Occidente, desde la Grecia clásica, desde las pitagóricas e Hipatia de Alejandría, por no hablar de las sacerdotisas en múltiples culturas. También a través de escuelas, como la Escuela Médica de Salermo en el siglo X, o publicaciones, como el Advice to the women and Maidens of London en el siglo XVII.35 Eulalia Pérez Sedeño, de la U. de Barcelona, señala otro par de fuentes para mostrar el interés de las mujeres por la ciencia en los siglos XVII y XVIII: la aparición de libros de divulgación científica para mujeres y las sátiras sobre mujeres de Moliere y Wright (Las mujeres sabias y The Female Vertuosos). Además de éstos están los trabajos de las mujeres per ce: traducciones, publicaciones con o sin seudónimo, las mencionadas italianas del siglo XVIII, etcétera. Pero en general las científicas antes de la generación de los sesenta, y de la exclusión explícita de las mujeres durante la institucionalización de la ciencia, fueron muy diferentes a las que vinieron después. Las científicas anteriores a 1860 eran por lo general personas que vivían en condiciones privilegiadas –como la mayoría de científicos anteriores al siglo XIX, huelga decir– eran monjas que tenían tiempo para leer e investigar –como los varones Mendel y Bruno y mujeres como Sor Juana Inés de la Cruz– o Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 aristócratas y/o cortesanas –como Émile du Chatelet y Ada Byron– o eran las esposas o las hijas de algún científico –como Caroline Herschel–. Aun las mujeres de la generación de los sesenta por lo general provenían de las clases privilegiadas, como Kovalevskaya y la mayoría de los científicos de la época. Y es más o menos fácil para el historiador listar los nombres de las científicas anteriores al siglo XX.36 Sin embargo después de la generación de los sesenta cualquiera puede constatar un mayor afluente de mujeres en labores científicas, por ejemplo: en una página de Internet37 sobre biografías de matemáticos uno puede contar 48 mujeres a partir del siglo XX en comparación con las 24 de todos los siglos anteriores (a las cuales se les pueden restar ocho pues, dada su fecha de nacimiento y condiciones de estudio y labores, pueden ser agrupadas con las del siglo XX, quedando así 56 contra 16). Las mujeres de los sesenta tuvieron que estudiar de forma casi ilegal, mientras que las posteriores fueron a la universidad con menos dificultades. Del mismo modo, la segregación laboral que sufrieron las científicas de los sesenta fue mucho mayor a la que sufrieron las posteriores (el caso paradigmático es Kovalevskaya que, siendo una celebridad, no tenía trabajo de planta). Y en la actualidad cualquier investigador, independientemente de su área de trabajo, tiene colegas del sexo femenino y en algunos casos ha sido una mujer quien ha formulado el paradigma presente: como es el caso de Margulis en teoría de la evolución celular, o Carson en ambientalismo. Más aún hay muchas áreas de investigación donde el porcentaje de mujeres es mucho mayor que el de los varones: en física es el caso de la cristalografía y también es el caso de casi todas las ramas de la biología y la ecología.38 Por descontado, esto aún no sucede en el caso de los homosexuales. Las afirmaciones del párrafo anterior pueden despertar susceptibilidades pues, es cierto, parecen mostrar un panorama bastante más halagüeño del que ha sido para las científicas en el siglo XX. Comentaré algunas de las críticas posibles que, grosso modo, nombro: la perspectiva de la historia, la falta de continuidad entre el movimiento nihilista y los movimientos feministas vigesémicos, la segregación de facto actual y las críticas a la ciencia de algunas feministas y teóricas de género contemporáneas. Después de la publicación de La estructura de las 55 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte II / Luis Felipe Gómez Lomelí revoluciones científicas, de T.S. Khun, por lo menos, ha quedado claro que la ciencia es una empresa humana, un producto cultural (como cualquier ideología, añadiría Feyerabend), que al estar inserto en una matriz cultural determinada otros elementos de dicha matriz influyen en el quehacer científico y viceversa. Más aún, después del programa fuerte de sociología de la ciencia de Bloor y los trabajos de Latour parece que se ha tumbado el mito de que la ciencia es una empresa solitaria por la percepción de que la ciencia es una construcción social. Siendo esto así, es rebatible la afirmación de que ahora haya más mujeres en ciencia que antes. Primero porque es posible que las mujeres hayan sido eliminadas por los historiadores debido a su cultura machista y patriarcal y, segundo, porque es posible que el trabajo de las mujeres –en muchos de los nodos de la red social de la ciencia anterior al siglo XIX– haya sido “absorbido” por los nombres de sus contemporáneos varones más visibles (más visibles debido a la cultura machista, repito). Aún siendo esto radical, la mayor visibilidad de las científicas después de la generación de los sesenta es un cambio que no puede soslayarse. Otra crítica proviene del hecho de que pocas mujeres de movimientos posteriores ven en la generación de los sesenta a sus predecesoras y que, por tanto, no fueron un parteaguas sino un caso específico así como el de las italianas del siglo XVIII. Sin embargo el hecho de que dichas mujeres ignoraran a sus predecesoras no implica nada más que eso: que “ellas” las desconocían. Las razones pueden ser varias, una es, como se ha mencionado, quién escribía la historia; y otra, la importancia de los movimientos sociales de la primera mitad del siglo XX. La primera mitad del siglo se vio zarandeada por guerras y revoluciones poco eludibles del análisis: durante la Revolución Mexicana (1910) el sufragismo femenino se vio minimizado por el furor de las masacres, en la Revolución Rusa (1917) el feminismo se vio empequeñecido por su vínculo con el marxismo, durante la Gran Depresión Estadounidense de los años veinte el tema del feminismo resultó secundario en comparación con la inquietud que causaba la economía, ni qué decir del impacto que tuvieron la Primera y la Segunda Guerra Mundial donde la conflagración fue un tema más importante que la igualdad de géneros. 56 Siendo así no es de extrañar que los movimientos feministas reaparecieran con fuerza un siglo más tarde que el movimiento nihilista, en la década de 1960, y que el tiempo y el acontecer mundial haya mandado al olvido sus logros. Pero el hecho de que las ideologías feministas las olvidaran no significa ni que las mujeres no siguieran luchando durante esos años39 ni que el movimiento nihilista no haya influido en las siguientes generaciones. Como se mencionó, la reacción del gobierno imperial ruso ante las “amazonas nihilistas” tuvo dos vías: la represión directa y la apertura de “universidades para mujeres”, mismas vías que fueron adoptadas por la mayoría de los países de Occidente. Si bien las “universidades para mujeres” redujeron el fervor de la lucha femenil en el corto plazo, al mediano plazo –junto con la visibilidad que adquirían científicas como Marie Curie– se convirtieron en los centros de donde manaron las protestas de las mujeres para que sus estudios fueran perfectamente equivalentes con los de los hombres y para exigir su derecho a atender a las mismas universidades que ellos. Además, gracias a la importancia del trabajo de varias científicas como Kovalevskaya y Curie, junto con el hecho de que muchos profesores impartían tanto en las universidades para mujeres como en las varoniles, muchos de los miembros de la comunidad científica tuvieron contacto con mujeres desde una perspectiva diferente. Si bien hubo algunos que aprovecharon esto para argumentar en su retórica antifeminista,40 muchos cambiaron su opinión acerca de la capacidad de las mujeres. Por tanto, la generación de los sesenta sí marca un parteaguas. Otra crítica es que un discurso como el enunciado hiciera parecer que el “triunfo” de las mujeres está dado y que ya no hay segregación. Nada más falso. No afirmo ni que el “triunfo” de las mujeres esté dado ni que ya no haya segregación en contra de las mujeres. Lo que es innegable es que las dificultades que enfrenta una mujer hoy para dedicarse a la ciencia son menores que antes del movimiento nihilista y, en buena parte, lo debe a éste. La crítica anterior en ocasiones es hilvanada con la última crítica que comentaré y que se refiere al análisis que algunas feministas han hecho de la ciencia. Por un lado algunas conceden que sí, que la mujer ahora participa de forma más visible en el quehacer científico pero que, dado que la ciencia Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte II / Luis Felipe Gómez Lomelí es una ciencia masculina y patriarcal pues es un producto de una sociedad con estas características, sus labores se reducen a lo que el machismo concede y no existe tal cosa como una competencia entre iguales o mejor, como dicen las ecofeministas, simbiosis. En este punto las críticas feministas (lo recalco, porque algunas parecen lo contrario) se ramifican desde el punto común de que la ciencia es masculina. Por un lado hay quien afirma que estas actividades dan una “visión femenina” a la ciencia;41 otras, como Leanna Standish o Evelyn Fox Keller, afirman que ésta es la “demostración” empírica de que el cerebro de la mujer no está capacitado para la ciencia (ni para cualquier actividad intelectual “fuerte”); más aún, autoras como Elizabeth Fee afirman que una mujer que se dedica a la ciencia es una mujer que “le hace el juego” al machismo y que, por tanto, no debería dedicarse a ella. Las tipologías que ellas establecen son: a) las family assistants, b) las que se dedican a tareas repetitivas (como las cristalógrafas, astrónomas o taxonomistas), c) las trabajadoras de soporte como secretarias, técnicas y demás, d) “la esposa de su maestro”, e) las “mujeres invisibles” cuyo trabajo aparece en el de algún varón, f) la “científica blanda” (humanista, Women’s studies, etcétera) y, g) la súper-mujer o la “super-male”.42 Para estas autoras una científica prominente –como Kovalevskaya, Curie, Margulis, etcétera– es un caso excepcional incluido en la última categoría. Para ellas, el hecho de que Kovalevskaya haya tenido una hija y siempre cuidara de ella, afirma tanto que fue una súper-mujer o un súper-macho. La interpretación de estas feministas contemporáneas, me parece, puede ser refutada Kuhn Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 sin necesidad de argüir que es segregacionista. Primero, la idea de la súper-mujer/súper-macho es muy similar al concepto de “genio” que tenían los historiadores de la ciencia anteriores a Khun. Así que si ha sido aceptado que la idea del “genio solitario” es un mito –en aras de la importancia de la matriz cultural–, la idea de la súper-mujer es también un mito.43 Segundo, si se hiciera una tipología similar de los varones que se dedican a la ciencia, dado que los científicos prominentes siempre han sido minoría en contraposición con la cantidad de varones que se dedican a la ciencia, resultaría que estos científicos notables también tendrían que ser clasificados en la categoría de súper-machos o súper-mujeres. Y volveríamos al dicho popular de “los genios no se dan en guía”; sean hombres, mujeres u homosexuales. Por lo tanto dicha crítica puede soslayarse y no le resta importancia al movimiento de mujeres nihilistas de 1860. La generación de 1860 abrió las universidades a las mujeres. EPÍLOGO Durante la segunda mitad del siglo XIX el Imperio Ruso era visto por propios y extraños como subdesarrollado. El movimiento nihilista vinculó el activismo social con la ciencia y con la igualdad de derechos entre varones y mujeres. La ciencia fue considerada por las “amazonas” como una fuerza liberadora tanto de ellas como del pueblo, como una arma con la que era posible luchar contra la opresión. Ideologías como la de la feminista Fox Keller, que tildan a las científicas de masculinizadas, tienden a orillar a las mujeres a enrolarse en actividades “femeninas” o tradicionales negando las ciencias “duras” como algo “femenino”. Sin embargo las primeras mujeres que se doctoraron lo hicieron en ciencias “duras” y no en Women’s studies o ciencias “blandas”, como ella. Cabe por ende preguntarse si la idea de que las mujeres están “más capacitadas” para las ciencias “blandas” no es más bien una idea machista. Históricamente parece ser así, pues la promoción de las humanidades como licenciaturas para mujeres se dio por parte de los gobiernos junto con la reacción en contra de las mujeres de la generación de los sesenta. Por otro lado, tanto en los países “subdesarrollados” como en los “desarrollados” de la actualidad, la ciencia puede ser también una herramienta para luchar contra la 57 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte II / Luis Felipe Gómez Lomelí opresión y la segregación –de mujeres o de quien se quiera, simplemente porque en ocasiones permite argumentar un punto de vista diferente al del status quo–. Y la vida de personas como Kovalevskaya puede servir de ejemplo para las generaciones presentes y futuras. No veo cómo, bajo cualquier tipo de discurso, sea posible negar la capacidad intelectual de quienes integran un género humano, ya sean varones, mujeres u homosexuales. NOTAS 19. De algún modo el movimiento triunfó, aunque con modificaciones, en la Revolución de Octubre de 1917. 20. Sólo a Varvara Kashevarova se le permite permanecer en la Academia de Cirugía y Medicina de San Petesburgo aduciendo que ella quiere estudiar medicina para atender a las mujeres islámicas del imperio debido a que ellas tienen prohibido por su religión ser atendidas por doctores varones. En 1868 será la primer mujer en graduarse con título de doctor en medicina en Rusia. 21. Vera Goncharova y otras tres mujeres obtienen permiso para estudiar medicina en la Sorbona en 1868. 22. Entre las que destacaron Laura Bassi y María Agnesi. 23. Igual que en el imperio ruso, antes de la segunda mitad del siglo XIX, en la mayoría de instituciones del mundo occidental (incluidas Latinoamérica y España) la prohibición era implícita, no explícita. 24. Entre las matemáticas de esta generación que se graduaron de estas instituciones estabán la inglesa Philipa Garret Fawcett y las estadounidenses Ruth Gentry, Ellen Hayes, Christine Ladd-Franklyn y Winifred Merril. 25. Es notable, por ejemplo, el reducido porcentaje de mujeres estadunidenses que, una vez recibido su “título” se dedica a la ciencia en comparación con el porcentaje de ellas que se dedica a la educación secundaria. 26. Traducción libre de la expresión en inglés learned midwives. 27. Tal es la respuesta que les dan, entre 1891 y 58 1892, a Ruth Gentry y a Christine Ladd Franklyn, quienes es posible que hayan acudido a Göttingen con la esperanza de correr la suerte de las rusas. 28. Un caso de represión, entre muchos, fue el de Natalia Armfeld, estudiante de matemáticas en Heidelberg que perteneciera a la comuna de Kovalevskaya: murió encarcelada en Siberia. 29. Después de las italianas del siglo XVIII, como se había mencionado. 30. Y la única durante el siglo XIX. 31. De una exposición de Mikhail Ostrogradsky. 32. Por lo menos esto consta en su correspondencia con Chebyshev (Hibner, 2000). 33. Sin embargo el argumento de la desdicha amorosa o de la tristeza no ha sido particular de la retórica anti-feminista, sino que parece práctica común entre los biógrafos. Considérese, por ejemplo, las biografías de los pintores: por lo general son presentadas por los biógrafos como vidas desgraciadas. 34. Hibner, 2000. 35. El mencionado era un panfleto, pero también en Inglaterra en los siglos XVII y XVIII aparecieron revistas para mujeres en donde se abordaban temas científicos: Athenian Mercury, The Ladies Diary y The Female Spectator. 36. Por supuesto esta afirmación tiende a ser falaz desde una perspectiva feminista de la historia: si la historia la han escrito varones, muchos de ellos machistas, no es de extrañar que los nombres de mujeres hayan sido omitidos. 37. En la página de la School of Mathematics and Statistics de la University of St. Andrews, Escocia. 38. A la fecha casi no se habla de segregación de los varones en estas áreas pero es posible que esto no necesariamente se deba a que no la haya sino a que la misma sociedad machista impide quejas de este tipo por parte de los varones (caerían sobre ellos los bellos adjetivos de “maricones” y “cobardes”, adjetivos que rara vez son usados para las mujeres), además de que los estudios sobre masculinidad aún son muy pocos en comparación con los estudios sobre feminidad. En mi experiencia, en algunas instituciones de investigación mexicanas, esta segregación en contra de los hombres no sólo existe sino que es Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte II / Luis Felipe Gómez Lomelí soberbia e impune: no son raras las científicas que orgullosamente afirman que nunca dirigirán la tesis de un varón. 39. Para ser precisos, durante todos estos sucesos la participación femenina fue de cabal importancia tanto en el quehacer laboral como en el revolucionario. Es célebre la participación de las “adelitas” mexicanas y de las rusas en ambas revoluciones, así como el papel de las mujeres en los movimientos de resistencia y en los ejércitos durante ambas guerras. Además, durante las guerras, las mujeres representaron la fuerza laboral de sus países. 40. Curiosamente muchos de los exponentes de la retórica anti-feminista, y de los encargados de utilizar las biografías de las mujeres de los sesenta para “demostrar” que una mujer no puede dedicarse a la ciencia, han sido mujeres. Tal es el caso de Isabel F. Hapgood quien escribiera que Kovalevskaya murió de tristeza porque el “corazón femenino” no está hecho para actividades “masculinas” como las matemáticas. 41 Las categorías son tomadas de Leanna Standish (Hibner, 2000) y Berta Marco (Cruz y Ruiz, 1999).Curiosamente no notan que dichas actividades también hayan sido llevadas a cabo por varones desde hace varios siglos. Un ejemplo común es afirmar que gracias a la mujer ahora la ciencia está optando por una visión holística sin reparar que esta ideología ha existido y ha sido enarbolada por varones desde la Grecia clásica. 42. Aquí la denominación cambia de súper-mujer a súper-macho dependiendo del punto de vista de la autora, si cree que puede haber una científica prominente que no pierda su “feminidad” en el intento –el primer caso– o si cree que la única forma de lograrlo es que sufra una masculinización –en el segundo. El ejemplo favorito de las que optan por esta última opción es Margaret Tacher, exprimer ministro británica, y tal es la visión de Fox Keller. 43. Curiosamente estas autoras parten de una conclusión del constructivismo social (la ciencia es masculina) para terminar proponiendo categorías naturales en contradicción con su ideario de partida, como una simpática mezcla de Foucault con Chomsky. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 INTERNET • Suanzes.iespana.es/suanzes/muje_mat.htm (del Instituto J. A. Suanzes). • www.infoymate.net/lamberto.cortazar/mujeres/ mujeres.htm • usuarios.lycos.es/GrupoBabilonia/biografias/ Kovaleskaya.htm • www-history.mcx.st-andrews.ac.uk (School of Mathematics and Statistics de la University of St. Andrews, Escocia). • www.agnesscott.edu/lriddle/women/kova.htm (Agness Scott College, biografía por la estudiante Becky Wilson). • home8.swipnet.se/w-80790/Works/Works/ Kovalevs.htm (The Works of Sonya Kovalevskaya, extractos de un artículo de Meares, K.A.) • scienceworld.wolfram.com/biography/ Kovalevskaya.html (biografía por Cooke, R. y Barile, M.) • www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/library/ history/lsk.html • womenhistory.about.com/library/bio/blbio_ kovalevskaya.htm • www.theater2k.com/SonyaEssay.html (girlz do math 2: sonya kovalevskaya and the poetry of mathematics, Brook Stowe). • www.imim.es/quark/num27/027060.htm (Las mujeres en la historia de la ciencia, Eulalia Pérez Sedeño, U. de Barcelona). • www.joanspicci.com/kovalevskaia/index.htm (página a cargo de Joan Spicci que incluye la bibliografía completa de Kovalevstaya, además de cartas personales y otros documentos). ENTREVISTAS • Sobre cultura rusa. Agradezco a Santiago Caballero, Joseph Dubrovsky y Natasha Doktor. • Sobre las matemáticas de Sofía Kovalevskaya. Agradezco a Cristóbal Vargas. • Sobre teoría de género e historia de la ciencia. Agradezco a Verónica Rodríguez, Tilemy Santiago y Javier Ordóñez. 59 �Marco Legal Ley para el fomento del desarrollo basado en el conocimiento del Estado de Nuevo León, México. Decreto Núm. 80 Publicada en el Periódico Oficial del Estado de N.L., México. No. 40, de fecha 19 de Marzo de 2004. Las disposiciones contenidas en la presente Ley son de orden público, interés social y de observancia general en el Estado de Nuevo León. Tiene por objeto establecer las bases para el fomento en la entidad del desarrollo basado en el conocimiento; la coordinación de acciones entre los sectores público, privado y académico, que impulsen, promuevan y consoliden el desarrollo científico y tecnológico, y el fomento del desarrollo de la cultura del conocimiento en todos los ámbitos de la sociedad nuevoleonesa; así como organizar y regular el funcionamiento y estructura del Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Nuevo León. CAPÍTULO I DISPOSICIONES GENERALES Artículo 1. Las disposiciones contenidas en la presente Ley son de orden público, interés social y de observancia general en el Estado de Nuevo León, y tienen por objeto establecer las bases para el fomento en la entidad del desarrollo basado en el conocimiento; la coordinación de acciones entre los sectores público, privado y académico, que impulsen, promuevan y consoliden el desarrollo científico y tecnológico, y el fomento del desarrollo de la cultura del conocimiento en todos los ámbitos de la sociedad nuevoleonesa; así como organizar y regular el funcionamiento y estructura del Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Nuevo León. Artículo 2. Para el cumplimiento del objeto de la Ley, se determinan los siguientes objetivos específicos: I. Establecer mecanismos e instrumentos para vincular las acciones que en materia de ciencia y tecnología realicen el Gobierno del Estado, el sector empresarial, el sector social, las instituciones de educación y la comunidad científica, que faciliten la promoción, difusión y aplicación del conocimiento científico y tecnológico; II. Contribuir al establecimiento de un modelo de vinculación entre los distintos sectores que participan en la producción, a través de la preparación académica y práctica del capital humano en la entidad; III. Fomentar el conocimiento a fin de fortalecer la competitividad de la actividad productiva; 60 Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Marco Legal. Ley para el fomento del desarrollo basado en el conocimiento del Estado de Nuevo León, México IV. Vincular la investigación científica y tecnológica con la solución a los requerimientos de la población; V. Propiciar el desarrollo científico y tecnológico por medio de la capacitación y difusión del conocimiento que estimule la alta tecnología; VI. Vigilar que el desarrollo científico y tecnológico se realice de una forma ética y responsable; y VII. Vigilar que la utilización del conocimiento científico y tecnológico sea en beneficio de la humanidad. Artículo 3. Para los efectos de esta Ley, se entenderá por: Programa.- El Programa Estatal de Ciencia y Tecnología. Ley.- Ley para el Fomento del Desarrollo Basado en el Conocimiento. COCyTE NL.- Organismo Público Descentralizado de Participación Ciudadana denominado Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Nuevo León. Consejo.- Consejo de Participación Ciudadana del COCyTE NL. Junta de Gobierno.- Junta de Gobierno del COCyTE NL. Coordinador General.- Coordinador General del COCyTE NL. CAPÍTULO II DEL CONSEJO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL ESTADO DE NUEVO LEÓN Artículo 4. Se crea el Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Nuevo León (COCyTE NL) como un organismo público descentralizado de participación ciudadana de la administración pública estatal, con personalidad jurídica, patrimonio propio y autonomía técnica y de gestión para el cumplimiento de su objeto y atribuciones. El Consejo tendrá su domicilio legal en la ciudad de Monterrey, Nuevo León, o en cualquiera de los municipios del área conurbada de la cual ésta forma parte, en donde establezca su oficina principal. Asimismo, podrá establecer oficinas regionales o municipales en el Estado para el cumplimiento de su objeto. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 Artículo 5. El objeto general del COCyTE NL consiste en llevar a cabo la planeación, coordinación, promoción, aplicación, seguimiento y evaluación de las acciones que se deriven de la presente Ley, sin perjuicio de las atribuciones que otros ordenamientos legales establecen para otras dependencias y entidades públicas. CAPÍTULO III DE LA ESTRUCTURA ORGÁNICA Y FUNCIONAL DEL COCyTE NL SECCIÓN I De la estructura orgánica y administrativa del COCyTE NL Artículo 6. El COCyTE NL contará con la siguiente estructura orgánica: I. El Consejo de Participación Ciudadana; II. La Junta de Gobierno; III. El Director General; y IV. El Comisario. El COCyTE NL contará con la estructura administrativa que se establezca en su propio Reglamento Interior. SECCIÓN II Del consejo Artículo 7. El COCyTE NL contará con un órgano asesor, consultor y promotor de las acciones que se emprendan para el cumplimiento del objeto de la presente Ley, denominado Consejo de Participación Ciudadana, el cual será de carácter honorífico y representativo de la sociedad civil. Artículo 8. El Consejo tiene como facultades: I. Fungir como órgano de consulta del COCyTE NL; II. Proponer y dar seguimiento a la agenda que especifique las acciones y programas concretos a ejecutar; III. Integrar comisiones o comités para la atención de asuntos específicos; IV. Aprobar el proyecto del Programa Estatal de Ciencia y Tecnología; V. Proponer esquemas y mecanismos que contribuyan al diseño y cumplimiento de las políticas 61 �Marco Legal. Ley para el fomento del desarrollo basado en el conocimiento del Estado de Nuevo León, México públicas, programas, proyectos y acciones que se emprendan en beneficio del desarrollo de la ciencia y tecnología en el Estado; VI. Favorecer la participación de todos los sectores involucrados en las acciones para el desarrollo científico y tecnológico en el Estado, así como estimular la atracción, permanencia y desarrollo de investigadores en la entidad, vinculando sus acciones con los planes y programas estatales; VII. Proponer la creación de instituciones de investigación científica y de desarrollo tecnológico en el Estado y brindar asesoría respecto a la formulación de planes de estudio para la especialización, la capacitación y la formación de técnicos o técnicas e investigadores o investigadoras que tengan relación con el objeto de esta Ley, cuando se considere necesaria su intervención; VIII. Fomentar, con instituciones de investigación a nivel nacional e internacional, el intercambio de docentes, investigadores o investigadoras, técnicos o técnicas, así como de información y experiencias sobre programas relacionados con el desarrollo científico y tecnológico; IX. Fomentar la creación de grupos de trabajo que generen actividades científicas y tecnológicas, y se constituyan en transmisores y promotores de los programas que tengan relación con el objeto de esta Ley; X. Promover el establecimiento de programas para la divulgación y difusión de las actividades, estudios y publicaciones relacionados con el desarrollo de la ciencia y la tecnología en el Estado; XI. Asesorar al Ejecutivo del Estado, a los municipios y a las personas físicas o morales que lo soliciten, sobre asuntos relacionados con el desarrollo de la ciencia y la tecnología en la entidad, en el ámbito de su competencia y de conformidad a los convenios que para tal efecto se celebren; XII. Impulsar estudios y proyectos que permitan identificar las necesidades estatales en materia de ciencia y tecnología, proponiendo las alternativas de solución que correspondan; y XIII. Las demás que establezcan esta Ley, otros ordenamientos legales y el Reglamento Interior del COCyTE NL. Artículo 9. El Consejo estará integrado de la 62 siguiente manera: I. Un Presidente, quien fungirá como Director General; II. Un Secretario Técnico que será nombrado por el Presidente del Consejo; y III. Catorce Consejeros, que serán: a) El Secretario de Educación; b) El Secretario de Desarrollo Económico; c) El Titular de la Corporación de Proyectos Estratégicos de Nuevo León; y d) Once miembros designados por invitación del Titular del Ejecutivo Estatal, que en su conjunto representen a los sectores académico, científico, tecnológico, social, cultural, público y empresarial del Estado de Nuevo León; de los cuales cuatro deberán ser representantes de distintas universidades de la entidad. Los Consejeros contarán con voz y voto. Las funciones de los integrantes de este Consejo serán las de integrantes de un órgano colegiado, su participación será a título de colaboración ciudadana y su desempeño tendrá carácter honorífico, rigiéndose por principios de buena fe y propósitos de interés general, por lo que no percibirán remuneración alguna por el desempeño de sus funciones ni serán considerados servidores públicos. Artículo 10. El Consejo deberá sesionar de manera ordinaria cada dos meses, y de manera extraordinaria, las que sean necesarias, cuando lo soliciten el Presidente, la mayoría de sus miembros o el Comisario. Las convocatorias para sesiones ordinarias serán enviadas de manera escrita, vía fax o correo electrónico con cuando menos 72 horas de anticipación a la fecha programada y a la convocatoria se deberá agregar el orden del día y los anexos correspondientes. En el caso de las sesiones extraordinarias, las convocatorias serán enviadas con una anticipación mínima de 24 horas a su celebración. Las sesiones del Consejo en primera convocatoria, serán válidas con la asistencia del Presidente, del Secretario Técnico y de al menos la mitad de los consejeros; y en la segunda convocatoria con la asistencia mínima del Presidente, del Secretario Técnico, y de cinco Consejeros; en cuanto a las Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Marco Legal. Ley para el fomento del desarrollo basado en el conocimiento del Estado de Nuevo León, México convocatorias subsecuentes con asistencia mínima del Presidente, del Secretario Técnico y de los Consejeros presentes. Las resoluciones del Consejo se tomarán por mayoría simple de los presentes, y en caso de empate el Presidente tendrá voto de calidad. De cada sesión del Consejo, el Secretario Técnico levantará el acta correspondiente que firmarán el Presidente, el Secretario Técnico y los consejeros que asistan. El Presidente podrá invitar a las sesiones del Consejo a los representantes de dependencias u organismos de los gobiernos federal, estatal y municipales, así como de los sectores académico, social y privado, nacionales o extranjeros, relacionados con la materia objeto de esta Ley, cuya presencia sea de interés para los asuntos que se ventilen. Estos invitados tendrán derecho a voz pero no a voto. Los integrantes del Consejo acreditarán por escrito a su respectivo suplente. Artículo 11. El Presidente del Consejo tendrá las siguientes facultades: I. Convocar a las sesiones del Consejo a través del Secretario Técnico; II. Presidir las sesiones del Consejo y hacer cumplir sus acuerdos; III. Representar y ejecutar los acuerdos del Consejo; y IV. Las demás que establezcan esta Ley, otros ordenamientos legales y el Reglamento Interior del COCyTE NL. Artículo 12.- El Secretario Técnico del Consejo tendrá las facultades siguientes: I. Convocar a las reuniones ordinarias y extraordinarias que procedan; II. Acudir a las sesiones ordinarias y extraordinarias del Consejo con derecho de voz, pero sin voto; III. Formular, recabar las firmas y en su caso expedir las actas y acuerdos de las sesiones ordinarias y extraordinarias del Consejo; IV. Someter a consideración del Consejo el orden del día que se deberá desahogar en la sesión correspondiente; V. Elaborar la lista de asistencia de cada sesión y verificar el quórum de la misma; y VI. Las demás que establezcan esta Ley, otros Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 ordenamientos legales y el Reglamento Interior del COCyTE NL. SECCIÓN III De la junta de gobierno Artículo 13. El órgano supremo de gobierno del COCyTE NL estará a cargo de una Junta de Gobierno, que será la autoridad máxima del mismo y tendrá las siguientes facultades: I. Aprobar los planes, los presupuestos de ingresos y egresos, y los programas de trabajo, inversión y financiamiento; II. Conocer del balance y demás estados financieros del COCyTE NL, así como los informes generales y especiales, del ejercicio anterior; III. Aprobar el informe anual de actividades presentado por el Director General; IV. Aprobar las propuestas que presente el Director General, sobre la enajenación y garantía de los bienes inmuebles que integran el patrimonio del COCyTE NL, con sujeción a las leyes y disposiciones de la materia; V. Otorgar, sustituir y revocar toda clase de poderes generales o especiales para actos de dominio, administración, laboral, pleitos y cobranzas y cambiario para suscribir, endosar y negociar títulos de crédito; con todas las facultades generales o especiales que requieran cláusula especial en los términos de la legislación aplicable; VI. Aprobar el Reglamento Interior y la estructura administrativa del COCyTE NL que debe presentar el Director General; VII. Aprobar el manual de procedimientos y servicios del COCyTE NL; y VIII. Las demás que establezcan esta Ley, otros ordenamientos legales y el Reglamento Interior del COCyTE NL. Artículo 14.- La Junta de Gobierno estará integrada por: I. Un Presidente que será el Gobernador del Estado o la persona que éste designe en su representación; II. Un Secretario, que será el Director General, con voz pero sin voto; y III. Cuatro Vocales que serán los titulares de cada una 63 �Marco Legal. Ley para el fomento del desarrollo basado en el conocimiento del Estado de Nuevo León, México de las siguientes dependencias públicas: a) Secretaría General de Gobierno; b) Secretaría de Finanzas y Tesorería General de Estado; c) Secretaría de Desarrollo Económico, y d) Secretaría de Educación. Los integrantes de la Junta de Gobierno acreditarán en forma oficial y por escrito a sus respectivos suplentes. Artículo 15. La Junta de Gobierno deberá sesionar de manera ordinaria cada cuatro meses, y de forma extraordinaria las veces que sean necesarias, cuando así lo solicite el Presidente, el Secretario o el Comisario. Las convocatorias para sesiones ordinarias serán enviadas de manera escrita, vía fax o correo electrónico con cuando menos 72 horas de anticipación a la fecha programada y a la convocatoria se deberá agregar el orden del día y los anexos correspondientes. En el caso de las sesiones extraordinarias, las convocatorias serán enviadas con una anticipación mínima de 24 horas a su celebración. Las sesiones de la Junta de Gobierno, en primera convocatoria, serán válidas con la asistencia del Presidente o su representante, del Secretario y de al menos la mitad de los vocales; y en la segunda y subsecuentes convocatorias con la asistencia del Presidente o su representante, del Secretario y por lo menos un vocal. Las resoluciones de la Junta de Gobierno se tomarán por mayoría simple de los presentes, y en caso de empate el Presidente tendrá voto de calidad. De cada sesión de la Junta de Gobierno, el Secretario levantará el acta correspondiente que firmarán el Presidente, el Secretario y los vocales que asistan a la sesión. El Presidente o el Secretario podrán invitar a las sesiones de la Junta de Gobierno a los representantes de dependencias u organismos de los gobiernos federal, estatal y municipales, así como de los sectores académico y privado, nacionales o extranjeros, relacionados con la materia objeto de esta Ley, cuya presencia sea de interés para los asuntos que se ventilen. Estos invitados tendrán derecho a voz pero no a voto. Artículo 16. El Presidente de la Junta de Gobierno 64 tendrá las siguientes facultades: I. Convocar a las sesiones de la Junta de Gobierno a través del Secretario; II. Presidir las sesiones de la Junta de Gobierno y hacer cumplir sus acuerdos; y III. Las demás que establezcan esta Ley, otros ordenamientos legales y el Reglamento Interior del COCyTE NL. Artículo 17. El Secretario de la Junta de Gobierno tendrá las facultades siguientes: I. Convocar a los demás miembros de la Junta de Gobierno a las reuniones ordinarias y extraordinarias que procedan; II. Acudir a las sesiones ordinarias y extraordinarias con voz, pero sin voto; III. Formular, recabar las firmas y en su caso expedir las actas y acuerdos de las sesiones ordinarias y extraordinarias de la Junta de Gobierno; IV. Someter a consideración de la Junta de Gobierno el orden del día que se deberá desahogar en la sesión correspondiente; V. Elaborar la lista de asistencia de cada sesión y verificar el quórum de la misma; y VI. Las demás que establezca esta Ley, otros ordenamientos legales y el Reglamento Interior del COCyTE NL. SECCIÓN IV Del director general Artículo 18. El Gobernador del Estado designará y removerá libremente al titular del COCyTE NL, bajo el cargo de Director General. Artículo 19. El Director General tendrá las siguientes atribuciones: I. Planear, organizar, dirigir y administrar el funcionamiento del COCyTE NL; II. Ejecutar los acuerdos de la Junta de Gobierno y del Consejo; III. Representar al COCyTE NL ante cualquier autoridad federal, estatal o municipal, o personas físicas o morales, públicas o privadas, con todas las facultades que correspondan a un apoderado general para actos de administración, y para pleitos y cobranzas, así como las generales Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Marco Legal. Ley para el fomento del desarrollo basado en el conocimiento del Estado de Nuevo León, México y especiales que requieran cláusula especial conforme a la Ley, igualmente ante toda clase de autoridades civiles, laborales, penales y en materia de amparo, incluyendo la facultad para iniciar o desistirse de acciones legales; poder cambiario para suscribir, endosar y negociar títulos de crédito; de igual forma para delegar, sustituir, otorgar y revocar poderes para pleitos y cobranzas, actos de administración en materia laboral individual y colectiva, civil y penal, sin que por ello se consideren substituidas o restringidas las facultades que se le otorgan. Los poderes para actos de dominio para bienes inmuebles le serán otorgados por la Junta de Gobierno; IV. Celebrar los convenios, contratos y demás actos jurídicos que se requieran para el cumplimiento del objeto de esta Ley, respetando los criterios de la Junta de Gobierno, y el marco jurídico de la Administración Pública; V. Promover y coordinar la participación de las dependencias y entidades del sector público federal, estatal y municipal; la comunidad científica y académica de las instituciones de educación; los centros de investigación; los sectores social y privado y demás organismos nacionales o internacionales, en los programas y proyectos para el fortalecimiento de la investigación científica y tecnológica; VI. Elaborar y presentar para aprobación del Consejo, el proyecto de Programa Estatal de Ciencia y Tecnología; VII. Fomentar programas de intercambio científico y tecnológico con instituciones de investigación a nivel nacional e internacional; VIII. Mantener un inventario estatal actualizado de recursos humanos, materiales y financieros destinados a la investigación científica y al desarrollo experimental en Nuevo León; IX. Administrar los recursos humanos, materiales y financieros del COCyTE NL, de los que será responsable directo; X. Promover, gestionar y aplicar recursos y financiamientos para consolidar los programas obras y acciones que le estén encomendadas al COCyTE NL de acuerdo con el objeto de esta Ley; XI. Proponer a la Junta de Gobierno, para su Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 aprobación, el Reglamento Interior y la estructura administrativa del COCyTE NL, que debe presentar el Director General; XII. Elaborar y someter a conocimiento y aprobación de la Junta de Gobierno, los planes, los presupuestos de ingresos y egresos, los programas de trabajo, inversión y financiamiento del COCyTE NL; XIII. Elaborar y someter a conocimiento y aprobación de la Junta de Gobierno el Manual de Procedimientos y Servicios del COCyTE NL; XIV. Presentar los balances y estados contables ante la Junta de Gobierno; XV. Fungir como Secretario en las sesiones de la Junta de Gobierno; XVI. Conocer y resolver los asuntos de carácter administrativo y laboral relacionados con la administración de recursos humanos del organismo, otorgar y revocar los nombramientos correspondientes a los servidores públicos del COCyTE NL; XVII. Constituir o participar en fideicomisos, asociaciones y sociedades que se requieran para cumplir con el objeto de esta Ley, de conformidad con los lineamientos que establezca la Junta de Gobierno; XVIII. Realizar todo tipo de gestiones y actos necesarios para el cumplimiento del objeto de esta Ley; y XIX. Las demás que establezcan esta Ley, otros ordenamientos legales y el Reglamento Interior del COCyTE NL. SECCIÓN V Del comisario Artículo 20. Para llevar a cabo las labores de vigilancia de la operación del COCyTE NL, habrá un Comisario designado y removido por el Ejecutivo Estatal a propuesta de la Contraloría Interna en los términos de la legislación aplicable. Artículo 21. El Comisario tendrá las siguientes facultades: I. Vigilar que los gastos, cuentas y administración de los recursos del COCyTE NL se encaminen adecuadamente para el cumplimiento de sus 65 �Marco Legal. Ley para el fomento del desarrollo basado en el conocimiento del Estado de Nuevo León, México objetivos, ajustándose en todo momento a lo que disponen esta Ley, los planes y presupuestos aprobados, y las disposiciones aplicables; II. Solicitar la información y documentación y efectuar los actos que se requieran para el adecuado cumplimiento de sus funciones, sin perjuicio de las tareas que le encomiende el órgano de vigilancia de la administración pública estatal; III. Rendir un informe anual tanto a la Junta de Gobierno como al órgano de vigilancia de la administración pública estatal; IV. Recomendar a la Junta de Gobierno y al Director General, las medidas preventivas y correctivas que sean convenientes para el mejoramiento de la organización y funcionamiento de la corporación; V. Asistir a las sesiones de la Junta de Gobierno, sólo con derecho a voz y sin voto; y VI. Las demás que establezcan esta Ley, otros ordenamientos legales y el Reglamento Interior del COCyTE NL. Artículo 22.- Las facultades del Comisario se señalan sin perjuicio de las que le otorguen otras disposiciones legales, ni de aquellas que le correspondan a otras dependencias de la administración pública estatal conforme a las leyes en vigor. SECCIÓN VI Del patrimonio del COCyTE NL Artículo 23. El patrimonio del COCyTE NL se integrará con: I. Los recursos estatales previstos en las disposiciones presupuestales correspondientes, que recibirá para su aplicación en los programas, obras y acciones que le están encomendadas al COCyTE NL de acuerdo el objeto de esta Ley; II. Los bienes muebles, inmuebles y derechos que por cualquier título adquiera, o los que en el futuro aporten o afecten la Federación, el Estado, los municipios, otras instituciones públicas o privadas y personas físicas; III. Las transferencias, aportaciones en dinero, bienes, subsidios, estímulos y prestaciones que reciba de los gobiernos federal, estatal y municipales, y los que obtenga de personas físicas o morales, y las demás instituciones públicas o privadas, 66 nacionales o extranjeras; IV. Los recursos que obtenga de las actividades materia de su objeto; V. Los rendimientos, frutos, productos, y en general, los aprovechamientos que obtenga con las operaciones que realice o que le corresponda por cualquier título legal; VI. Las aportaciones, donaciones, legados y demás liberalidades que reciba de personas físicas o morales; VII. Los créditos que obtenga, así como los bienes y derechos que adquiera legalmente; y VIII. Cualquier otra percepción de la cual el COCyTE NL resulte beneficiario. SECCIÓN VII De las reglas de gestión y de las relaciones laborales del COCyTE NL Artículo 24.- El COCyTE NL queda sometido a las reglas de contabilidad, presupuesto y gasto público aplicables a la Administración Pública Estatal, de conformidad a lo establecido por la Ley de Administración Financiera para el Estado de Nuevo León. Artículo 25.- Con excepción del cargo honorario de los integrantes del Consejo de Participación Ciudadana, las relaciones laborales del COCyTE NL con el personal que tenga el carácter de servidor público a su cargo se regirán por la Ley del Servicio Civil del Estado de Nuevo León y las demás disposiciones jurídicas aplicables. CAPÍTULO IV DEL PROGRAMA ESTATAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA Artículo 26. Para la elaboración y Ejecución del programa se integrarán: I. El Sistema Estatal de Información Científica y Tecnológica; y II. Los elementos que sirvan de base para el Programa Estatal de Ciencia y Tecnología. Artículo 27. En los términos que proponga el Consejo, el Director General integrará y administrará un Sistema Estatal de Información Científica y Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Marco Legal. Ley para el fomento del desarrollo basado en el conocimiento del Estado de Nuevo León, México Tecnológica de carácter permanente, que contenga la información de interés general relacionada con las actividades de investigación científica y tecnológica en el Estado. El Reglamento determinará los aspectos que deberá contener dicho sistema y regulará su actualización permanente. Artículo 28. Con base en el proyecto que apruebe el Consejo, el Titular del Ejecutivo Estatal expedirá el Programa Estatal de Ciencia y Tecnología que contenga las políticas y acciones de la Administración Pública Estatal. Artículo 29. El COCyTE NL, a través del Director General, integrará un Sistema Estatal de Investigadores que promueva la actividad científica y tecnológica en el Estado, propicie la formación de nuevos investigadores que coadyuven al desarrollo de la entidad y les facilite la realización de las investigaciones científicas y tecnológicas. TRANSITORIOS Artículo Primero. Esta Ley entrará en vigor el día de su publicación en el Periódico Oficial del Estado. Artículo Segundo. La Junta de Gobierno del COCyTE NL deberá quedar instalada en un plazo que no exceda de los treinta días hábiles a partir de la entrada en vigor de la presente Ley. Artículo Tercero. El Consejo de Participación Ciudadana deberá quedar constituido en un plazo no mayor de treinta días hábiles, contados a partir de la instalación de la Junta de Gobierno. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 Artículo Cuarto. La Junta de Gobierno aprobará el Reglamento Interior del COCyTE NL en un plazo no mayor de noventa días hábiles, contados a partir de la fecha de su instalación. Artículo Quinto. La Secretaría de Finanzas y Tesorería General del Estado realizará la transferencia de las partidas presupuestales necesarias para el funcionamiento del COCyTE NL. Artículo Sexto. Quedan vigentes todas las disposiciones legales y reglamentarias, en cuanto no se opongan a la presente Ley. Dado en el Salón de Sesiones del H. Congreso del Estado Libre y Soberano de Nuevo León, en Monterrey, su Capital, al primer día del mes de marzo del año dos mil cuatro.- Presidente: Dip. Alfonso César Ayala Villarreal; Dip. Secretario: Carla Paola Llarena Menard; Dip. Secretario Por Ministerio de ley: Ivonne Liliana Álvarez García.- Rúbricas. Por tanto, mando se imprima, publique, circule y se le dé el debido cumplimiento. Dado en el Despacho del Poder Ejecutivo del Estado de Nuevo León, en Monterrey, su Capital, a los 02 días del mes de marzo del año dos mil cuatro. El C. Gobernador Constitucional del Estado José Natividad González Parás.- Rúbrica.- El C. Secretario General de Gobierno, Napoleón Cantú Cerna.- Rúbrica.- El C. Secretario de Finanzas y Tesorero General del Estado, Rubén Eduardo Martínez Dondé.- Rúbrica.La C. Secretaria de Educación del Estado, María Yolanda Blanco García.- Rúbrica.- 67 �Eventos y reconocimientos I. 10ª REUNIÓN GENERAL DE DIRECTORES ANFEI 2004 La Reunión General de Directores (RGD) es el evento en el que los Directores, establecen los lineamientos y políticas para que la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería (ANFEI) desarrolle proyectos y lleve a cabo acciones en apoyo a las instituciones afiliadas. El Comité Ejecutivo consideró que un tema digno de ser tratado en este evento, es el relacionado con uno de los retos más grandes que tiene la educación superior en el país, la transformación de un sistema educativo cerrado a un sistema abierto. La 10ª Reunión General de Directores propició el espacio para discutir las bases para iniciar esta transformación, estableciendose como tema central de la misma las redes académicas en los programas de ingeniería. M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, director de la FIMEUANL y el Dr. Carlos Guerrero Profesor Investigador de la FIME, presentando su ponencia plenaria sobre cuerpos académicos en la X RGD de la ANFEI. 68 El objetivo de la reunión fue el establecer las bases y acuerdos que lleven a los institutos, facultades y escuelas afiliadas a la ANFEI, a la integración y consolidación de los cuerpos académicos, como elementos generadores de las Redes Académicas en los programas de ingeniería. Sesión plenaria. En esta etapa se presentaron las siguientes ponencias • Cuerpos académicos por la Dra. Margarita Fresan Orozco. En esta ponencia se presenta la construcción teórica de los CA. • PROMEP por el Dr. Guillermo Sahagún Aguilar en la cual discute el programa de apoyo al mejoramiento del profesorado y la integración de los cuerpos académicos. • Experiencias de un cuerpo académico consolidado por el M.E.C. Rogelio Garza y el Dr. Carlos Guerrero, Director y Profesor Investigador de FIME-UANL respectivamente. En esta ponencia nuestro director ubica a FIME en su estado de desarrollo y las perspectivas del futuro; el Dr. Guerrero presentó los antecedentes de un grupo de investigadores de FIME, y el desarrollo de una actividad conjunta hasta formalizarla en un CA consolidado. Las conclusiones del evento en forma resumida se presentan a continuación: 1. Estrategias-acciones sobre los cuerpos académicos: • Para la mejor ingeniería y los mejores ingenieros se deben actualizar los profesores de las instituciones de ingeniería (IES) y mantenerse en una mejora continua. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Eventos y reconocimientos • Los ingenieros mexicanos deben ser los proveedores de infraestructura, los proveedores de ingenio y acción, con compromiso social y plenamente conscientes de su entorno. 2. Estrategias-acciones sobre las redes académicas • En las IES, procurar el mejoramiento continuo de los docentes tanto en la capacidad tecnológica como en lo pedagógico, lo disciplinario y lo laboral. • Vinculación de las IES con las instituciones de educación media y educación media-superior para crear programas de apoyo científico, académico y tecnológico que los alumnos que ingresen a las IES estén mejor preparados. • Formación de ingenieros con un alto valor emprendedor, que les permita tener una visión más amplia, no solo de empleados sino empleadores. • En las IES, realizar investigación aplicada a problemas de la industria Mexicana. Crear un modelo educativo que fortalezca el desarrollo tecnológico. • Conformación de cuerpos académicos en IES con perfiles profesionales. • Relaciones entre todas las IES con convenios y compromisos regionales y nacionales. 3. Estrategias-acciones sobre la participación de la ANFEI • Crear en ANFEI, para consulta y referencia de las IES, catálogos de indicadores de competitividad de las IES, referenciados con los indicadores de competitividad global. • Crear los mecanismos entre las IES para lograr la efectiva participación colegiada a nivel nacional e internacional con una o varias líneas de trabajo en las diferentes asociaciones nacionales e internacionales de ingenieros. • Formar en ANFEI equipos de trabajo que propicien un cambio de paradigma educativo en ingeniería que logre y sea posible la implantación de un nuevo modelo educativo en las IES a nivel nacional. • Crear en ANFEI, programas de capacitación de educación superior, para propiciar la movilidad Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 e intercambio de directivos y docentes, que sirvan como multiplicadores de experiencias y conocimientos. De estas conclusiones, la ANFEI emitirá un comunicado en el que se establecerán los compromisos con miras a la integración de las redes académicas a través de la conformación y consolidación de los cuerpos académicos. II. MÉRITO ACADÉMICO En ceremonia realizada el 20 de Mayo de 2004 se entregaron los Reconocimientos al Mérito Académico a los alumnos más destacados de la FIME-UANL durante el semestre agosto-diciembre de 2003. A continuación se listan los alumnos, su carrera y su calificación promedio. Marlene Nieto Pérez IMA 99.01 Sandra Iveth Peña Barrera IAS 98.69 Claudia Catalina Gutiérrez Rodríguez IEC 97.62 Jorge Alberto Vallejo Tamez ICC 96.88 Claudia Maribel Guerra Amaro IMM 90.96 Pedro Jonathan Briones Morones IM 90.68 El Director de la FIME-UANL, M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, con los alumnos que recibieron Reconocimientos al Mérito Académico. III. MENCIÓN HONORÍFICA En ceremonia presidida por el rector de la UANL y el director de la FIME-UANL, el 20 de Mayo de 2004, se realizó la tradicional entrega de Menciones Honoríficas a los estudiantes que sobresalen por su desempeño académico en la FIME-UANL. A continucación se listan los alumnos. 69 �Eventos y reconocimientos El Secretario General de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez y el Director de la FIME-UANL, M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, con los alumnos que recibieron Reconocimientos al Mérito Académico y Menciones Honoríficas por su desempeño escolar. Cecilia Araceli Cárdenas Mejía Teresa Ivonne Ramos Corral Nancy Maribel Ortiz Carranza Aracely Olivo Ayala María del Carmen Elizondo López Ivette Esthela Mendoza Sáenz Roberto Alejandro Bahena Guajardo Lorena Robles Rico Karina Elizabeth Tijerina Ramos Francisco Javier Morales Barajas Manuela Arizbet Perea Padilla José Paul Elizarraraz Soto Gustavo Tadeo Cadena Cantú Jesús Bernal Silva Honorio Orozco García Adrián Treviño Lozano Reyna Denis Ascencio Torres Víctor Manuel Mendoza Cruz Marco Antonio Puente Farías Angélica Garza Cárdenas Cindy Esmeralda Villanueva Bolívar Jesús Alberto Frías Ramírez Yara Verónica Rodríguez Ramos Mónica Yanneth Almaraz Nava Héctor Javier Saldaña Quiñones Gabriela González Casas Juan Carlos Aguilar Torres Hiram Fernando Sifuentes Esparza Cristina del Rocío Gómez Bonilla Gregorio Mejorado Treviño Alfredo Rafael Izaguirre Alegría Hugo Fabián Nieto Fararoni 70 IAS 97.53 IAS 97.42 IAS 97.19 IEC 96.75 IAS 96.75 IEC 96.63 IEC 96.23 IAS 96.05 IEC 95.56 IEC 95.33 IAS 95.18 IEC 95.09 IEC 95.03 IEC 94.78 ICC 94.54 IAS 94.47 IEC 94.35 IEC 94.29 IEC 94.20 IAS 93.85 IEC 93.82 ICC 93.73 IAS 93.73 IAS 93.55 IAS 93.47 IMA 93.38 IEC 93.31 IEC 93.29 IEC 93.23 IEC 93.09 IEC 92.80 IAS 92.65 Karen Iliana Santiago Trejo IEC 92.62 Carlos Antonio Varela Navarro IEC 92.59 Laura Janet Flores Mata IAS 92.52 David Alejandro Reyes Valdez IEC 92.37 Alma Gricelda Ovalle García IMA 92.36 Candy Rocío Méndez Cepeda IAS 92.21 Anabella Ochoa Gutiérrez IMA 92.09 José Fernando Reyes Martínez IEC 92.00 Edwin Jonathan Avendaño Zavala IEC 91.75 Néstor Alejandro Escareño Faz IEC 91.68 César Andrés Durán Mazariegos IEC 91.61 Fernando Cuitláhuac Araujo Delgado IEC 91.57 Humberto Leonel Rodríguez Pouda IEC 91.36 Erick Gabriel Patiño Arroyo IEC 91.32 Lourdes Adriana Cobos Cabrera IMA 91.21 José Luis Jaramillo Martínez IEC 91.12 Luis Carlos de la Cruz Garza IAS 91.00 Héctor Hugo Gallegos Cantú IEC 90.89 Bertha Alejandra González Rodríguez IAS 90.80 Gloria Andrea Mesta Montemayor IAS 90.50 Mara Yoshir Perea Bazaldúa IAS 90.42 Paulo César Sauceda Garza IAS 90.39 José Alberto Víctor Tapia Oviedo IAS 90.26 IV PROFESORES DE LA FIME EN LA ACADEMIA MEXICANA DE CIENCIAS El pasado 28 de Abril tuvo lugar el cambio de mesa directiva de la Academia Mexicana de Ciencias. En ella se entregan premios a las mejores tesis y también los nombramientos a los nuevos miembros de la academia. Los profesores Carlos Alberto Guerrero Salazar, Juan Antonio Aguilar Garib, Ubaldo Ortiz Méndez y Virgilio Angel González González recibieron este reconocimiento, por lo que junto con Rafael Colás Ortiz ya son 5 los profesores de la FIME, de 44 que hay en la región noreste que reciben esta distinción. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Eventos y reconocimientos V. RECONOCIMIENTOS A LA LABOR DOCENTE COMO MAESTROS DE LA FIME-UANL Con motivo del “Día del Maestro” la dirección de la FIME-UANL efectuó un reconocimiento a los profesores de mayor antigüedad laboral, así como a los que cumplieron 45, 40, 35, 30, 25, 20 y 15 años como catedráticos de dicha institución. Los maestros que durante el año 2003 cumplen 30 años de labor docente se listan a continuación. M.C. Alfonso Abelardo Aguilar M.C. Buenaventura Enrique Alonso Castillo Ing. José Guadalupe Barrios Alonso M.C Josefat Gámez Gómez M.C. Paz Vicente Cantú Gutiérrez Lic. Oscar Amel Elizondo Zambrano Ing. Luis Tulio Espinosa Jiménez Ing. Jorge Daniel Fisher González M.C. Hilario García González M.C Aníbal Garza Peña Ing. Jesús Gustavo González Garza M.C. Oscar Atilano González Sánchez M.C. Alfonso González Zambrano M.C. Heriberto Guzmán Hernández Ing. Arnoldo Lozano Garza Ing. Francisco Mares Vargas M.C. José René Medina Cantú Ing. José Antonio Medina Villanueva M.C. Daniel Ramírez Villarreal Ing. Ernesto Rodríguez Ortega Ing. Ramiro Sáenz Lozano M.C. Rafael Sanmiguel Flores El Ing. Roberto González Treviño, de la ASHRAE (centro) dirige un mensaje durante la apertura del seminario sobre sistemas hidáulicos en presencia del M.E.C. Rogelio G. González Garza, director de la FIME (derecha) y el instructor de ASHRAE; Ing. José Luis Frías Lavalle. VII. CURSO SOBRE OPERACIÓN DEL GENERADOR DE VAPOR CLAYTON El Laboratorio de Generadores de Vapor así como el gimnasio de la FIME cuentan con calderas Clayton. Por esta razón el curso organizado por el Departamento de Ingeniería Térmica en acuerdo con Clayton de México del 29 de Marzo al 2 de Abril sobre este tema atrajo el interés de profesores del área así como usuarios de la caldera. El curso contó con instructores tanto teóricos como prácticos que enriquecieron la experiencia de los asistentes. VI. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE SISTEMAS HIDRÁULICOS Del 15 al 22 de Marzo se llevó a cabo en la Sala de Tutorías de la FIME un seminario sobre diseño de sistemas hidráulicos, el cual constituye un primer esfuerzo para contar con una especialización en asociación con ASHRAE sobre calefacción, refrigeración y aire acondicionado. El curso fue impartido por el Ing. José Luis Frías Lavalle quien es un instructor certificado. Aparte del público general, asistieron también alumnos y maestros de la FIME. Se tiene planeado que la especialización esté formada por 9 módulos como éste. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 Inauguración del curso sobre generadores de vapor impartido por la empresa Clayton de México en las instalaciones de la FIME-UANL. 71 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Marzo-Mayo 2004 Jesús Gerardo Hernández Martínez, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “El análisis de la formación y capacitación con enfoque en competencia laboral”, 3 de marzo de 2004. Aída Lucina González Lara, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Intervención de desarrollo organizacional en una empresa de artículos de hierro forjado”, 3 de marzo de 2004. Teresa Ornelas Cárdenas, M.C. Administracion con especialidad en Relaciones Industriales, “Mejora continua en el proceso administrativo de instituciones públicas”, 3 de marzo de 2004. Raúl de Jesús Gómez Morales, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Nuevo principio de protección diferencial de transformadores aplicando redes neuronales de base radial (rbf)”, 5 de marzo de 2004. Valentín Zavala Bernal, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia “Reingeniería de la instalación eléctrica en la escuela superior de ingeniería”, 8 de marzo de 2004. Indira Garrí Escamilla Salazar, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Automatización, “Optimización de las variables envueltas en el maquinado en un torno de control numérico computarizado”, 8 de marzo de 2004. Roberto Penilla Leal, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “La importancia de la comunicación del sector productivo con el educativo”, 10 de marzo de 2004. Manuel Saldaña de León, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control, “Modelado y detección 72 de fallas incipientes en transformadores utilizando redundancia analítica”, 11 de marzo de 2004. Pedro López Cruz, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales “Análisis de comportamiento electro-térmico de alucina expuesta a microondas”, 15 de marzo del 2004. Paulo Aurelio Meraz López, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Cultura ecológica para el cuidado del medio ambiente en una empresa dedicada a la fabricación de enseres domésticos”, 18 de marzo de 2004. José Gaspar san Martín López, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Identificación de riesgos en plantas de polietileno de baja densidad”, 19 de marzo de 2004. Agustín Reina Mata, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Diseño de una red de telefonía celular tdma empleando el sistema cms800 Ericsson”, 22 de marzo de 2004. Bernardo González Ortiz, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Automatización, “Optimización de las variables envueltas en el maquinado en un centro de maquinado de control numérico computarizado”, 25 de marzo de 2004. Edgar Alberto Pérez Castillo, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Diseño de un telecomando utilizando s.f. para la operación de un motor de pasos”, 1 de abril de 2004. Adrián Córtez Méndez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Evaluación de resistencias a la corrosión de las aleaciones A53 y A106 grado B para oleoductos utilizando técnicas electroquímicas”, 2 de abril de 2004. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Titulados a nivel Maestría en la FIME. Marzo-Mayo 2004 Paloma Rodríguez Arizpe, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales “Determinación de las curvas de calibración mediante simulación numérica de compresión de anillos”, 3 de abril de 2004. Cristo Jesús Alanís Barrera, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Apuntes para la materia de comunicaciones impartida en el Instituto Tecnológico de Matamoros”, 21 de abril de 2004. Santos Abies Reyes Lozano, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Sistema de control de seguridad”, 3 de mayo de 2004. Jorge Eduardo Sosa Huerta, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Aplicación de técnicas de selección de personal para definir el perfil del alumno de primer ingreso a la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León”, 4 de mayo de 2004. Ricardo Alonso Flores Torres, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Diseño de Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 un controlador para la administración jerárquica de recursos en un sistema de telecomunicación con asignación de ancho de banda”, 7 de mayo de 2004. Jorge Castrita Ávila, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Nuevo algoritmo de protección de distancia basada en el reconocimiento de patrones de onda viajera”, 10 de mayo de 2004. Francisco Gerardo Barrón Marroquí, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Implementación del control estadístico de proceso (gráficas de control) en el área de corte de ensambles eléctricas”, 13 de mayo de 2004. Mario Alberto Ortiz Macias, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Integración de los centros de llamadas de una compañía de radiolocalización móvil de personas”, 20 de mayo de 2004. Rubén Salas Padilla, M.C. Administración con especialidad en Sistemas, “Las reglas de negocio enfocadas al desarrollo de aplicaciones”, 21 de mayo de 2004. 73 �Acuse de recibo Revista MODERN MACHINE SHOP Modern Machine Shop es una revista mensual enfocada a la industria de la manufactura, que publica comentarios, artículos, información técnica y novedades referentes a máquinas-herramienta, software y compañías relacionadas al campo. Debido a su formato es muy accesible para cualquier persona interesada en el área, su estructura comprende los aspectos necesarios para tener una visión sobre los temas esenciales de esta industria. En sus páginas puede encontrar secciones dedicadas a producción, máquinas de CNC (control numérico computarizado), sistemas de CAD/CAM (diseño asistido por computadora/maquinaria asistida por computadora) paquetes computacionales, así como las publicidad sobre lo último en cuanto a equipos. También hay secciones dedicadas a mostrar sugerencias, opiniones personales e información de interés a los lectores de personas con experiencia en la industria. Para mayor información puede consultar su página en internet www.mrnsonline.com (Marleth Mella Montoya) 74 Revista DEL CONSUMIDOR La procuraduría Federal del consumidor publica mensualmente la revista del consumidor (ISSN0185-8874), la cual ha mejorado notablemente a través de los años, convirtiéndose en una publicación con excelente calidad editorial, bien fundamentada, con un contenido ágil y bien balanceado que presenta desde el análisis de productos y servicios hasta estudios de los comportamientos sociales de los consumidores. Ya son clásicas las secciones de estudios comparativos de productos, y sus recetas para alimentos y productos. En su número 328 correspondiente a junio de 2004 se presenta entre otros artículos un estudio sobre “Agendas electrónicas (PDAs)”, otro sobre “Comercio electrónico seguro” y una receta de crema para rasurar. Aunque no sea su finalidad, la lectura de esta revista es muy recomendable para los estudiantes de ingeniería y para los profesionales en general. Más información en www.profeco.gob.mx/html/ revista/revista.htm (FJEG) Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Colaboradores Aguilar Garib, Maria Catalina Licenciada en Derecho por la Facultad de Jurisprudencia de la Universidad Autónoma de Coahuila en 1996. Estudios de Maestría en Derecho Internacional y Estadounidense en la Universidad de Texas en Austin, 2004. De 1997 al 1999. Fué abogada litigante en el Bufete Huereca Santos. Durante 1999 a 2000, fue Jefe del Departamento Legal del Instituto Estatal para la Construcción de Escuelas de Coahuila. Del 2000 al 2001 colaboró con el DIF del Estado de Coahuila. Actualmente se encuentra preparando su tesis de maestría. Aguilar Garib, Juan Antonio Profesor Titular del Posgrado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Es Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias graduado del Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctorado en Ingeniería de Materiales por la UANL en 1991. Recibió el Premio de Investigación UANL en 1991 y en 2001 y el Premio TECNOS al Mérito Tecnológico en 2000. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, del Cuerpo Académico Consolidado “Síntesis y caracterización de materiales” en la FIME de la UANL y de la Academia Mexicana de Ciencias. Álvarez García, José Luis Licenciatura en Física y Maestría en Ciencias por la Facultad de Ciencias de la UNAM. Es profesor del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la UNAM desde hace 28 años y actualmente es Profesor Asociado “C” Definitivo de Tiempo Completo. Sus áreas de trabajo son la historia y la filosofía de Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 la física, así como la enseñanza de la física y las matemáticas. Ha publicado más de 20 artículos en revistas con arbitraje y ha presentado más de 40 trabajos en congresos nacionales e internacionales. Ha realizado actividades administrativas así como de editoriales y de divulgación científica. Arias Marín, Eduardo Se graduó Ingeniero Químico en la Universidad Autónoma de Coahuila donde también obtuvo su maestría, posteriormente obtuvo su doctorado en Química y Fisicoquímica Molecular y Macromolecular en la Unviersité Louis Pasteur de Strasbourg, Francia. Actualmente es investigador nacional nivel I, y desde 1990 a la fecha ha trabajado en el CIQA, en Saltillo, México. Cabriales Gómez, Roberto Carlos Recibió el título de Ingeniero Mecánico Eléctricista de la FIME-UANL en el 2001, graduado con examen honorífico. Fue aceptado por el programa Doctoral de Ingeniería en Materiales de la FIMEUANL para realizar su maestría realizando sus estudios como becario de CONACYT de 2001 a 2003. Cano Robles, Israel Estudia actualmente la Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas en la División de Posgrado de la FIME-UANL. Realizó sus estudios de licenciatura en ingeniería industrial y administración en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Ha trabajado en la industria privada en la implementación de proyectos de mejora continua y calidad. 75 �Colaboradores Colás Ortiz, Rafael Cursó estudios de ingeniería metalúrgica en la Universidad Autónoma Metropolitana y la maestría y doctorado en metalúrgica en la Universidad de Sheffield, Inglaterra. Fue gerente de procesos en la empresa Hojalata y Lámina S.A. de C.V. Desde 1992 a la fecha es profesor investigador de tiempo completo en la FIME-UANL. Es investigador nacional nivel 3. Sus áreas de investigación son la metalurgia física y mecánica y la simulación de procesos de manufactura. Cruz Fierro, Carlos Augusto de la Estudió la carrera de Ingeniería en Manufactura, en el Instituto de Ingeniería y Tecnología de la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez. su proyecto de Titulación referente a análisis por elemento finito, realizado en la FIME-UANL. Actualmente se desempeña como Ingeniero de Producto para la empresa Delphi Automotive Systems. Díaz Samaniego, Luis Gerardo Ingeniero Mecánico Electricista de la FIME-UANL con mención honorífica, maestría en Ciencias de la Ing. Mecánica, especialidad en Materiales, de la FIME-UANL, actualmente se desempeña como ingeniero de diseño en LG Electronics Monterrey México, S.A. de C.V. Elizondo Villarreal, Nora Egresó de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Estudió doctorado en fisicoquímica en la Universidad estatal de Moscú, en Rusia, donde también realizó, posteriormente, una estancia postdoctoral en la misma especialidad. A partir de 1992 se incorporó a la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL. Su trabajo de investigación se centra en el estudio de las propiedades fisicoquímicas de diferentes materiales y sus aplicaciones. Es Investigadora Nacional Nivel I y pertenece a la Academia Mexicana de Ciencias. García Quiroga, Laura Ingeniero en Control y Computación por la FIMEUANL en 1984 y desde 1985 maestra de la misma institución. Maestría en la Enseñanza de las Ciencias con Especialidad en Matemáticas titulada 76 en 1999 en la UANL. Ha participado en congresos internacionales y actualmente desarrolla el proyecto “Metodología para el Desarrollo de las Habilidades del Pensamiento Lógico en Estudiantes de Cálculo Integral en Ingeniería” financiado por PROMEP. Candidato a Doctor en Pedagogía con Especialidad en Didáctica de la Matemática, en la Universidad de Camagüey, Cuba. Gómez Lomelí, Luis Felipe Ingeniero Físico (ITESM), Maestría con especialidad en uso, manejo y preservación de recursos naturales (CIBNOR), candidato a doctor en Historia y Filosofía de la Ciencia (U. Aut. de Madrid). Premio Nacional de Literatura CONACULTA/INBA (2001). Becario de la Fundación para las Letras Mexicanas. Gómez Ortega, José Luis Es Licenciado en Física egresado de la Universidad Autónoma de Nuevo León (2003). Ha participado en varios congresos internacionales y nacionales. Es miembro de la Sociedad Mexicana de Física. Actualmente colabora como maestro de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas-UANL. González González, Virgilio Químico Industrial con Maestría enQuímica Orgánica por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales otorgado por la FIME-UANL. Ha sido investigador científico en el campo de los polímeros desde 1975, tiene en su haber más de 40 publicaciones técnico-científicas y de difusión. Ha sido jefe de los departamentos de Fisicoquímica de Polímeros y Macromoléculas. Es miembro del SNI nivel I. Es profesor de tiempo completo de la FIME desde 1998. Guerrero Mata, Martha Patricia Licenciada en Ciencias Físicas de la UANL, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Materiales, por la FIME-UANL, Doctorado en Ingeniería de Materiales por la Universidad de Sheffield, Inglaterra. Desde 1997 es profesor investigador de tiempo completo en la FIME-UANL y desde 1998 miembro del Sistema Nacional de Investigadores. Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 �Colaboradores Guerrero Villa, Héctor Martín Es egresado de la Facultad de Ciencias FísicoMatemáticas de la UANL. Es Doctor en Física por la Universidad de Ohio. Ha publicado artículos internacionales y participado en congresos internacionales y nacionales. Actualmente es director de la carrera de física de la FCFM-UANL. Hinojosa Rivera, Moisés IMA (1988), Maestría (1991) y Doctorado (1996) en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL, Postdoctorado en ONERA (Chatillôn, Francia, 1997-1998), Investigador Nacional Nivel I y Miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Profesor-Investigador de la FIME-UANL desde 1998 trabajando en los campos de fractura de materiales heterogéneos y nanociencia y nanotecnología de materiales. Actualmente es Coordinador de la División de Ingeniería Mecánica de la FIME-UANL. Lizcano Zulaica, Carlos Javier Cursó estudios de Ingeniero Mecánico Electricista y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica en la FIME-UANL. En el 2000 obtuvó el grado de Doctor en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL, además cursó diplomado en Carl Duisberg Centrum becado por el DAAD en Alemania. Ha trabajado desde 1980 en HYLSA donde actualmente funge como Consultor en Acerías. Desde 1971 es catedrático en la FIME-UANL. Es autor de 25 artículos y ha asesorado diversos proyectos de tesis. Moggio, Ivana Licenciatura de Química por la Universidad de Génova, Italia, donde también obtuvo su Doctorado en Química con el trabajo: Polímeros conjugados para la optoelectrónica. Actualmente es investigadora del Centro de Investigación y Química Aplicada en Saltillo, México y docente. Ha participado en numerosas publicaciones, nacionales e internacionales. Ríos Mercado, Roger Z. Recibió sus títulos de Doctor y Maestro en Ciencias en Investigación de Operaciones e Ingeniería Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, No. 24 Industrial de la Universidad de Texas en Austin, y su título de Licenciado en Matemáticas de la UANL. Actualmente es Profesor de Tiempo Completo en la División de Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la FIME-UANL. Sus áreas de interés son investigación de operaciones, desarrollo de heurísticas y optimización estocástica, con aplicación a problemas de toma de decisiones. http://yalma. fime.uanl.mx/~roger/ Vargas Suárez, Leticia Estudia actualmente la Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas en la División de Posgrado de la FIME. Recibió su título de licenciatura en Ingeniería Biomédica en la UAM-Iztapalapa, Cd. de México. Obtuvo un grado en enseñanza por parte de la Universidad de Cambridge, Inglaterra. Tiene experiencia laboral en la industria como ingeniero de sistemas y en redes computacionales. Ha sido docente en la Universidad Iberoamericana y el ITESM. Vázquez Cedeño, Rosa Alicia Graduada de Matemática en la Universidad de la Habana, Master en Ciencias de la Educación Superior y Doctora en Ciencias Pedagógicas en la Universidad Central, Cuba. Realizó estudios de posgrado en la Universidad de Bielorrusia en Minsk. Tiene diversas publicaciones en revistas cubanas y extranjeras; es ademas coautora de dos libros de textos: Métodos Numéricos y Variable Compleja. Actualmente es directora de la Facultad 2 en la Universidad de las Ciencias Informáticas de la Habana, Cuba. Viramontes Brown, Ricardo Ingeniero Químico y Maestro en Ingeniería Química por el ITESM. Es miembro SNI nivel III y actualmente es presidente de la Asociación de Directivos de la Investigación Aplicada y el Desarrollo Tecnológico (ADIAT). Es inventor y co-inventor de 20 Patentes y actualmente es el Director de Investigación y Desarrollo de la División Tecnología de HYLSAMEX. 77 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2004 Volumen Volumen de la revista 7 Número Número de la revista 24 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2004, Vol 7, No 24, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2004 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020787 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores ABAQUS Comercio internacional Cristalográfica Dispositivos optoelectrónicos Programación lineal Sofía Kovalevskaya https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20746/Ingenierias_2004_Vol_7_No_23_Abril-Junio.pdf f4ecef30818be53cb3e2e94f5c129f13 PDF Text Text ���Editorial: Construyendo el futuro de las Américas José Antonio González Treviño Rector de la UANL rector@mail.uanl.mx Previo a la Cumbre Extraordinaria de las Américas celebrada en Monterrey Nuevo León, en el mes de Enero próximo pasado, se llevaron a cabo tres reuniones a manera de reflexión colectiva y como una contribución al análisis para la integración de las Américas, en base a tres líneas de discusión: la era del conocimiento; la competitividad de los sectores público y privado; y el desarrollo económico y social de los pueblos, más allá de los tratados de libre comercio. De estas reuniones previas a la Cumbre, con participación de relevantes académicos, políticos, empresarios y especialistas en el tema, queda claro que nos encontramos ante fenómenos nuevos que requieren ser interpretados a la luz de sus propias circunstancias en la construcción de nuevos paradigmas, fundamentales para impulsar el progreso y el desarrollo en América Latina. Partiendo de la idea de que el conocimiento es el puente más sólido hacia el futuro de las Américas y considerando las dificultades de una integración total entre la América Anglosajona y la Latina, debido a la complejidad de sus historias, después de los eventos del 11 de Septiembre de 2001, surgen nuevas oportunidades y perspectivas de acercamiento. Las dos Américas son dos ramas de la civilización occidental, que comparten valores absolutos como el respeto a la vida y a la persona humana. Con el ánimo de reiterar la convicción y el compromiso de todos los universitarios para apoyar las acciones que nos lleven a la construcción de un mejor futuro para Nuevo León, México y las Américas, me permito sintetizar y parafrasear las principales conclusiones del evento mencionado. LA ERA DEL CONOCIMIENTO “El futuro de las Américas, depende de su habilidad para adaptarse y generar el cambio”. Esto implica pasar de la manu-factura a la mente-factura, ya que el conocimiento es un factor que marca diferencia entre la pobreza y la riqueza. Por lo tanto, la habilidad para crear conocimiento, acceder a él y usarlo, es factor fundamental en la competitividad global. De aquí depende que una economía pase de basarse en la abundancia de mano de obra barata a estar fundamentada en la innovación. Por las mismas razones, las instituciones de educación superior, deberán tener un valor central en el proceso de cambio. Se requiere por lo tanto, reforzar las políticas públicas relativas a la educación, la capacitación continua y el fomento a la investigación científica y tecnológica. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 3 �Editorial / José Antonio González Treviño América Latina no ha cumplido con las metas de los últimos 20 años en materia educativa, salvo honrosas excepciones. De acuerdo con evaluaciones hechas por el Banco Mundial, Latinoamérica tiene calificaciones menores a 5, en una escala de 0 a 10 en lo que respecta a educación. Igual ocurre con otras variables relacionadas con el conocimiento, el desarrollo, el registro de patentes y otras. Se hace necesario formar centros de conocimiento, denominados clusters, para incrementar las habilidades de la fuerza laboral. También habrá que aumentar sustancialmente la inscripción en educación superior, reforzar la capacidad de investigación de las universidades y su interacción con empresas e institutos de investigación. Las universidades deberán interactuar entre sí e impartir una educación más interdisciplinaria, centrar sus modelos educativos en el aprendizaje continuo y enfocar sus actividades científicas hacia el impacto social. LA COMPETITIVIDAD DE LOS SECTORES PÚBLICOS Y PRIVADOS A partir de distintas perspectivas, se identifican cuatro elementos indispensables para crear una cultura de competitividad: conocimiento, desarrollo tecnológico, mercado libre y una sociedad con educación. Desde el punto de vista empresarial, se consideró primordial para hacer frente a economías abiertas, lograr la competitividad mediante esfuerzos coordinados. Se destacó la necesidad de proporcionar una capacitación continua al personal y buscar mayor eficiencia en los costos de producción y financiamiento, en particular para las medianas y pequeñas empresas que resienten más fuertemente el impacto de dichos factores. De igual forma, se consideró que el sector público tiene que mejorar su competitividad, reduciendo trámites burocráticos, mejorando su infraestructura, eliminando la corrupción y fortaleciendo el estado de derecho. EL DESARROLLO ECONÓMICO Y SOCIAL MÁS ALLÁ DE LOS TRATADOS DE LIBRE COMERCIO Se reconoce que el libre comercio desarrolla las fuerzas productivas, pero no necesariamente logra el desarrollo económico y social de la población, pues los acuerdos comerciales no han logrado las metas esperadas en materia de generación de empleos, reducción de la pobreza y mejoramiento de la distribución del ingreso. Algunos de los obstáculos se ubican en el proteccionismo de los países desarrollados, la falta de cooperación para el desarrollo y la debilidad de las instituciones. Aquí vale la pena volver los ojos a la experiencia europea de integración económica, en especial al apoyo brindado a los países menos desarrollados. Se sugirieron asimismo, nuevas maneras de plantear políticas públicas en materia social, como por ejemplo el contrato social para la economía abierta. Esta propuesta incluiría una política fiscal no solo competente, sino extraordinaria para generar recursos suficientes e impulsar políticas que promuevan el desarrollo de auténticas clases medias. Adicionalmente, reformas laborales fomentando la 4 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Editorial / José Antonio González Treviño dinámica de las economías abiertas, sin olvidar la dignificación de los salarios, las prestaciones y la vida de los trabajadores. Finalmente, es imperativo incluir la cooperación en materia de reducción de la pobreza, el respeto al medio ambiente, la gobernabilidad y la educación. La cultura es un activo invaluable de Latinoamérica, sobre el cual debemos seguir construyendo la integración del continente. HAGAMOS EL FUTURO En síntesis, podríamos decir que la cultura es un activo invaluable que debemos preservar a toda costa en nuestros países americanos más allá de los tratados comerciales. Y adicionalmente a la apertura de fronteras, la liberación del comercio, el desarrollo tecnológico y la competitividad, factores que indiscutiblemente pueden generar riqueza en los países, es imperativo acompañar estas acciones con otras que prevengan su concentración en unas cuantas manos y verdaderamente produzcan mayores niveles de bienestar entre la población. Si bien los acuerdos internacionales entre Norteamérica y Latinoamérica no son algo nuevo ni sus resultados han sido lo deseable, el establecer convenios es el mejor camino para construir una real comunicación intercultural entre las naciones. Aunque el llevarlos a la práctica nunca será tarea fácil, hay que reconocer que el futuro se hace a partir de acciones presentes y que la única opción viable para tener un futuro mejor es el abrirse a la comunicación, el conceptualizar lo que queremos, el comprender lo que los otros quieren, el buscar balances, el llegar a acuerdos, y sobre todo el trabajar comprometidamente por el bienestar de las siguientes generaciones. El futuro que deseamos los “americanos” hay que construirlo. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 5 �Síntesis de nanoestructuras de carbono mediante microondas Oxana Vasilievna Kharissova, Claudia L. Robledo Jiménez Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, UANL okhariss@ccr..dsi.uanl.mx Ubaldo Ortiz Méndez Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL uortiz@ccr.dsi.uanl.mx RESUMEN Se obtuvieron nanoestructuras de carbono mediante calentamiento por irradiación de microondas. La volatilización de grafito se llevó a cabo en un horno de microondas tipo doméstico con una potencia de trabajo de 800 W y frecuencia de 2.45 Ghz, variando la potencia y el tiempo de calentamiento desde 20 hasta 60 minutos. Las muestras se prepararon a partir de grafito en polvo (99%). Se utilizó cuarzo como portamuestras para la sublimación del carbono y la acumulación de las nanoestructuras, pues éste permite el calentamiento hasta 1200°C. Para optimizar la sublimación se utilizó un catalizador el cual mejoró el proceso y promovió la formación de nanotubos en menos de 30 minutos. Las muestras obtenidas se caracterizaron por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Microscopía de Fuerza Atómica (MFA). Los resultados obtenidos permiten asegurar que mediante este método es posible obtener nanoestructuras de carbono que contienen nanotubos alineados y en multicapas. PALABRAS CLAVE Nanoestructuras, Microscopia de Fuerza Atómica, morfología, microondas. ABSTRACT This work is devoted to microwave heating of graphite to study the formation of carbon nanostructures by graphite vaporization. We have applied heating by microwaves (power 800 W, frequency 2.45 GHz) in air for 20-60 min. The condensed material was collected on a quartz target. The oven temperature was approximately 1200°C. To improve the sublimation process, a catalyst was utilized which allowed to obtain nanotubes in less than 30 min. The samples were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM). As a result, the samples were found to contain nanotubes, which appeared to be highly graphitized and structurally perfect. It was observed that multiwalled nanotubes can be produced this way. KEYWORDS Nanotubes, Atomic Force Microscopy, morphology, microwave. 6 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Síntesis de nanoestructuras de carbono mediante microondas / Oxana Vasilievna Kharissova, et al INTRODUCCIÓN La búsqueda de tecnologías en el dominio de la miniaturización nos ha llevado en los últimos años a la Nano Era. La gran evolución de este periodo fue el aprendizaje de la síntesis de una sustancia original provista de cualidades físicas extraordinarias. Uno de los campos en los que esta tendencia ya empieza a dar sus resultados es la ciencia de los materiales. Los nanotubos de carbono constituyen una nueva clase de materiales con un amplio espectro de posibles aplicaciones. Desde el descubrimiento de los tubos de carbono de tamaño nanométrico por Iijima en 1991,1 muchos han sido los progresos que se han realizado tanto en su producción como en la comprensión de sus propiedades.2 Al principio, al ser parientes próximos del grafito, es de esperar, que parte de sus propiedades sean semejantes, pero en realidad no es así: son de color marrón oscuro (el grafito es negro), lo que indica que aunque absorben gran cantidad de las radiaciones del espectro visible, no absorben todas, y eso nos dice que su estructura electrónica es diferente de la del grafito. Un nanotubo ideal, sin defectos, es muy resistente y elástico, debido a la ausencia rigurosa de defectos. Es conocido en cristalografía que gran parte de las características de fragilidad de las estructuras cristalinas se deben a la mayor o menor presencia de defectos en la red cristalina. Éstos producen que el esfuerzo en cristal se concentre en un solo punto, y entonces la estructura cede. En el caso de los nanotubos, la ausencia absoluta de defectos, hace que los esfuerzos se distribuyan por igual en todo el cristal, y la cantidad de energía necesaria para romperlo sea mayor. Estas nanoestructuras grafíticas tienen alto interés tecnológico por sus posibles aplicaciones, que están relacionadas con las siguientes propiedades: • Elevada relación radio/longitud que permite un mejor control de las propiedades unidireccionales de los materiales resultantes. • Electrónicamente pueden comportarse como metálicos, semimetálicos o aislantes dependiendo de su diámetro y helicidad. • Elevada resistencia mecánica. Se ha comprobado que tienen mayor resistencia mecánica y mayor flexibilidad que las fibras de carbono por lo que Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 se podrían utilizar en materiales compuestos (Tabla I). • Sus propiedades pueden modificarse encapsulando metales o gases en su interior, llegando a obtener nanocables eléctricos o magnéticos. • Pueden utilizarse para el almacenamiento de hidrógeno o como sistema de separación de gases. • Pueden ser utilizados en pantallas planas por su buena capacidad como emisores de electrones. Como es sabido que las propiedades y en parte las dimensiones de la red de los materiales varían con el método de procesamiento, es muy interesante y útil hacer estudios sobre el arreglo estructural de los nanotubos procesados mediante microondas. Algunos investigadores en 19953 y en 1999 4 lograron sintetizar fullerenos de carbono mediante microondas. Las distintas clases de materiales absorben las microondas de manera diferente. En trabajos anteriores5,6 se demostró que el grafito es un material que absorbe las microondas sin necesidad de calentamiento previo. Esto abre la posibilidad de procesar este material por irradiación de microondas. Como la producción de nanoestructuras y nanotubos de carbono mediante microondas todavía no se ha estudiado detalladamente, es muy útil hacer el estudio de la síntesis y estudio de nanotubos procesados por este método. El objetivo de este trabajo fue la obtención de nanoestructuras de carbono mediante calentamiento por irradiación de microondas y su caracterización Tabla I. Propiedades de los materiales a base de fibras 7 �Síntesis de nanoestructuras de carbono mediante microondas / Oxana Vasilievna Kharissova, et al por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Microscopía de Fuerza Atómica (MFA) y de Microscopía de Transmisión (MET). EXPERIMENTACIÓN Las muestras se prepararon a partir de grafito en polvo (99%). Se utilizó como portamuestras vidrio de cuarzo, que permite el calentamiento hasta 1200°C para la sublimación del vapor de carbono y la acumulación de los nanotubos. Para facilitar el proceso de sublimación se utilizó como catalizador pintura de plata (Tabla II). En la figura 1 se muestra el esquema del experimento. La obtención de las nanoestructuras se llevó a cabo en un horno de microondas tipo doméstico con una potencia de trabajo de 800 W y frecuencia de 2.45 GHz. La acción de las microondas permite el calentamiento del material sin contacto directo con la fuente de energía. Se calentaron muestras con peso de 8 g de grafito por diferentes tiempos: 20, 30, 40 y 60 minutos. Las muestras se caracterizaron usando: Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Microscopía de Transmisión (MET) y Microscopía de Fuerza Atómica (MFA). Para el análisis topográfico de las superficies de nanoestructuras se utilizó un Microscopio de Fuerza Atómica que trabaja en el modo de contacto en aire. Los barridos se realizaron en bajo voltaje ya que en este modo se tiene mayor sensibilidad.7 Tabla II. Los tiempos de calentamiento de las muestras durante la experimentación. das por MEB permite constatar que el tamaño y la aparición de los nanotubos aumenta con el tiempo de calentamiento por microondas (figura 2). RESULTADOS Y DISCUSIÓN Como muestra la tabla II la sublimación hecha por la volatilización de carbono es más completa a 60 minutos. La observación de las muestras obteni- Fig. 2. Imagen de la muestra #8. Fig.1. Esquema del experimento. 8 Se obtuvieron imágenes tridimensionales por MFA que reflejan la microestructura de la superficie del vidrio recubierto antes y después del calentamiento. En la figura 3 se presentan dichas imágenes. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Síntesis de nanoestructuras de carbono mediante microondas / Oxana Vasilievna Kharissova, et al (a) 0 1 (b) Fig. 3 (a) Superficie del cuarzo antes del calentamiento por microondas. (b) La misma superficie después de volatilización del grafito calentado por 30 minutos en microondas. En la figura 4(a) se muestran las imágenes tridimensionales por MFA, que se obtuvieron donde se aprecia de manera clara y nítida la morfología superficial con formaciones alargadas. A medida que se disminuye el tamaño de barrido, se observan más detalles en la superficie en cuestión. La estructura alargada observada sugiere la presencia de nanotubos. En la figura 4(b), se puede observar que no todas las partículas son del mismo tamaño y la forma en que se realizó la estimación de las mediciones. El tamaño del diámetro de nanotubos de monocapas mencionados en la literatura es alrededor de 10 nm y 50 nm. Estas medidas están relacionadas con el método de producción y el catalizador utilizado. Fue reIngenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 Fig. 4.(a) Imagen de la superficie del sustrato después de calentamiento (barrido de 6x6 µm), (b) La partícula “0” tiene un tamaño de 172 nm, la partícula “1” tiene un tamaño de 195 nm. Fig.5. a) y b) Imagen en MET de un nanotubo de carbono de multicapa, c) Imagen en MET de un nanotubo de carbono con una partícula en su interior. 9 �Síntesis de nanoestructuras de carbono mediante microondas / Oxana Vasilievna Kharissova, et al Fig. 6. a) Imagen de la superficie con una partícula abierta, b) ampliación de la zona donde aparece la partícula abierta. Fig. 7. Imagen que muestra las mediciones de tamaños de las capas. 10 portado que si se emplea un catalizador tal como cobalto sobre un substrato de Si se logran procesar los nanotubos de diámetro hasta 0.5 µm.8 En nuestro caso la presencia de la plata como catalizador sobre la superficie permite que el diámetro aumente desde 168 nm hasta 400 nm. Como se ve el catalizador permite aumentar la cantidad de las capas de los nanotubos y esto hace que el diámetro crezca. Analizando las nanoestructuras obtenidas por Microscopía Electrónica de Transmisión (MET) (figura 5) se puede decir que ellas son nanotubos de carbono. Caracterizando las muestras por MFA se observó que por la vía de volatilización del carbón por calentamiento mediante irradiación de microondas aparecen los nanotubos de multicapa (figura 6). Se realizaron mediciones en diversas posiciones de la región mostrada en la figura 7 para determinar el tamaño de las capas. Al analizar los resultados, nos percatamos de que algunas capas van variando de tamaño conforme nos desplazamos a lo largo de la región. Para determinar cómo están alineadas las capas, se realizaron otras mediciones, midiendo capa por capa, en diferentes partes de la capa. Como se muestra en la figura 8 el tamaño de la capa más común obtenido en nanotubos formados a partir de grafito mediante calentamiento por irradiación de microondas es de 117 Å. Las capas varían de tamaño, porque van apareciendo espacios entre ellas. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Síntesis de nanoestructuras de carbono mediante microondas / Oxana Vasilievna Kharissova, et al Veces que se repite Veces que se repite Repeticion Repeticionde demedidas medidas 55 44 78.1 78.1ÅÅ 117 117ÅÅ 156 156ÅÅ 33 22 11 AGRADECIMIENTO Los autores expresan su agradecimiento al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y al programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica de la UANL por el financiamiento de este trabajo. También se desea reconocer el apoyo del Dr. Jorge Luis Hernández Piñero. 00 Superior Superior Media Media Media Media Inferior Inferior Superior Superior Inferior Inferior Posición Posición Fig. 8 Mediciones de tamaños de capas en diferentes posiciones. CONCLUSIONES El método de volatilización de carbono mediante calentamiento por irradiación de microondas permite producir nanoestructuras tales como nanotubos de carbono. El tiempo óptimo es de 60 minutos. La presencia de plata como catalizador permite disminuir el tiempo de calentamiento hasta 30 minutos. Mediante este método se lograron hacer crecer nanoestructuras de carbono alineado. El diámetro de éstas es desde 168 hasta 400 nm. Los nanotubos de carbono formados sin presencia del catalizador presentaron puntas cerradas, pero los nanotubos formados con la presencia de las partículas catalíticas tienen las puntas abiertas que en su caso permiten el crecimiento de nanotubos más largos. La presencia de las puntas abiertas provoca que las partículas catalíticas a veces se alojen dentro de un nanotubo. El tamaño de las capas es 117 Å. A diferencia de los nanotubos procesados por otros métodos, el método de irradiación del grafito por microondas produce los nanotubos alineados las cuales no requieren la purificación que utilizan los otros métodos de procesamiento. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 REFERENCIAS 1. Crandall, B. C., Nanotechnology: Molecular speculations on global abundance, 2002, 1-4. 2. Iijima, Helical microtubules of graphitic carbon. Nature, 1991, pp. 354, 56 3. Ikeda, T., Kamo,T., Danno, M., New synthesis method of fullerenes using microwaves-induced naphthalene-nitrogen plasma at atmospheric pressure. Applied physics letters, vol.67, (7), 1995, p. 900. 4. Xie, S., Huang, R., Zheng, L., Microwave synthesis of fullerenes from chloroform. Applied physics letters, 1999, vol.75, no. 18, pp. 2764 5. Kharissova, O.V., Ortiz, U., Hinojosa, M., Influence of Fe on the morphology of spinel in the system MgO-Al2O3-Fe2O3. Mat. Res. Soc., 2001, vol. 654. 6. Kharissova, O. V., Influencia del hierro en la estructura del espinel en el sistema MgOAl2O3-Fe 2O3 sinterizado en horno convencional y mediante microondas. Tesis doctorado UANL, 2001 7. Sarid, D., Scanning force microscopy, Oxford University Press, Inc. 1994. 8. Ivanov, V., Fonseca, A., Nagy, J. B., Lucas, A., Lambin, P., Bernaerts, D. and Zhang, X. B., Catalytic production and purification of nanotubes having fullerene-scale diameters, Carbon, 1995, 33, pp. 1727. 11 �Luminiscencia en polímeros semiconductores Roberto Carlos Cabriales Gómez Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales. FIME-UANL, Pedro de Alba, 66451, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México rocabriales@terra.com.mx RESUMEN La luminiscencia es una propiedad, resultado de fenómenos electroópticos, de gran importancia en el desarrollo de nuevas tecnologías. Además, hace una década se descubrió que algunos polímeros presentan esta propiedad con características de intensidad y eficiencia suficientes como para ser usados en aplicaciones tecnológicas de vanguardia, por ahora exclusivas de materiales inorgánicos. El objetivo de este artículo es describir los principios de la luminiscencia en sus diversas manifestaciones, orientándose a la electroluminiscencia en los polímeros conjugados y finalmente informar de algunos resultados de investigación en esta área, obtenidos en nuestros laboratorios. PALABRAS CLAVE Luminiscencia, polímeros conjugados, niveles de energía, electroluminiscencia, OLED. ABSTRACT Luminescence is a property, result of electro-optical phenomena, with high importance in the development of new technologies. One decade ago it was discovered that several polymers show this property with characteristics of sufficient intensity and efficiency to be used in advanced technological applications, so far exclusive of inorganic materials. The objective of this article is to describe the principles of luminescence in its diverse manifestations, the discussion of this phenomenon is oriented to electroluminiscence in conjugated polymers and finally we report some results in this area, obtained in our laboratories. KEYWORDS Luminescence, conjugated polymers, energy leves, electroluminescence, OLED. LA LUMINISCENCIA La luminiscencia se define como la des-excitación de un átomo o molécula, por emisión de fotones. Este fenómeno ocupa un rol fundamental en la vida. Procesos como la visión y logros como el secuenciamiento del genoma humano y 12 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Luminiscencia en polímeros semiconductores / Roberto Carlos Cabriales Gómez la tecnología de la información, serían imposibles de concebir sin la luminiscencia. La excitación del material luminiscente es un prerrequisito para la emisión. De acuerdo al origen de la excitación, el proceso luminiscente puede ser designado como: • Fotoluminiscencia. Cuando se utilizan fotones de baja energía para excitarlo (como puede ser luz visible o U.V.) • Electroluminiscencia. Cuando se utiliza un campo eléctrico para excitarlo. • Quimioluminiscencia. Cuando la energía se deriva de una reacción química. • Bioluminiscencia. Si la reacción química se produce en un organismo vivo. • Sonoluminiscencia. Cuando el material se excita por ultrasonido. • Incandescencia. Cuando el material se excita térmicamente. • Magnetoluminiscencia. Cuando la excitación es inducida por campos magnéticos. El fenómeno luminiscente puede también clasificarse de acuerdo con la duración de la emisión después de la excitación. Cuando la excitación se suspende, siempre existe un decaimiento exponencial de la luz emitida. El proceso luminiscente se denomina fluorescencia cuando el tiempo para que la intensidad inicial de emisión decaiga de su valor original a 1/e (donde “e” es la carga del electrón) es del orden de 10-3 s o menor. Cuando este tiempo es de segundos, o aún de horas, entonces el fenómeno luminiscente se denomina fosforescencia. La emisión luminiscente involucra transiciones entre estados electrónicos característicos de la sustancia radiante. Ésta puede observarse en todos los estados de la materia: sólidos, líquidos y gases (Xe, Kr), así como en materiales semicristalinos y en sólidos orgánicos (cristales moleculares y polímeros conjugados). ESTADOS ELECTRÓNICOS EXCITADOS1 Cuando un átomo absorbe energía, ocurre una transición electrónica desde un estado fundamental a un estado excitado, resultando en una nueva configuración electrónica, figura 1. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 Fig. 1. a) estado excitado triplete, b) estado excitado singulete. Cuando una molécula es excitada, los electrones pueden acceder a orbitales moleculares desocupados de más alta energía, y de acuerdo a las diferentes configuraciones posibles, se pueden formar diversos estados excitados. Si los electrones toman la misma orientación del spin como en el estado fundamental, el spin resultante es cero y el estado excitado es llamado singulete. Si el spin tiene un valor total igual a uno, el estado excitado se denomina triplete, figura 2. Para cada estado singulete excitado (E1, E2, E3, etc.), existe un estado triplete correspondiente (T1, T2, T3, etc.). Por lo general los estados tripletes ocasionan fosforescencia porque tardan más en llegar a su estado fundamental, y los singuletes ocasionan fluorescencia. Durante las transiciones electrónicas de los sistemas luminescentes, se crean pares de electrón-hueco, que constituyen excitaciones elementales denominadas excitones, asociadas a los estados singuletes y tripletes. Dependiendo del grado de deslocalización, los excitones son clasificados en dos tipos: excitones de Frenkel y excitones de Wannier-Mott.2 Los excitones de Frenkel corresponden a un par electrón-hueco localizado sobre una molécula orgánica simple y su radio es comparable al tamaño de la molécula, típicamente inferior a 5 Å. Estado Fundamental Estado excitado singulete Estado excitado triplete Fig. 2. Representación con flechas de la orientación de los spines de los electrones. 13 �Luminiscencia en polímeros semiconductores / Roberto Carlos Cabriales Gómez El excitón de Frenkel es considerado como una partícula neutra que puede difundir desde un sitio a otro, con capacidad de polarizar la red que lo rodea con su campo eléctrico local y generar cuasipartículas de tipo polarón (Shen y Forrest, 1997). Los excitones de Wannier-Mott son típicos en semiconductores inorgánicos, en donde la energía de ligadura coulúmbica es más fuerte, comparada a los excitones de Frenkel y el radio excitónico oscila entre 40–100 Å, dependiendo del tamaño de la red cristalina. En sólidos orgánicos con enlazamientos de Van der Waals, el acoplamiento intermolecular es débil y como consecuencia, las transiciones excitónicas son típicamente del orden de los 100 meV solamente.2 SÓLIDOS INORGÁNICOS3,4 En la mayoría de los sólidos inorgánicos la luminiscencia está asociada a impurezas y defectos estructurales que actúan como activadores, como es el caso de metales de transición, lantánidos y actínidos, cristales iónicos, semiconductores y tierras raras. Cuando se lleva a cabo la combinación de dos semiconductores, uno tipo “p” y otro tipo “n” (unión pn), figura 3, y el sistema se conecta a una fuente de voltaje (la terminal positiva al semiconductor tipo “p” y la terminal negativa al tipo “n”), los electrones de los átomos dopantes son atraídos al potencial positivo mientras que los huecos fluyen en sentido contrario dirigiéndose al potencial negativo. Este tipo de conexión se denomina diodo semiconductor. Un efecto de esta unión es que al encontrarse los electrones del material “n” con los huecos del material “p” estos se recombinan (el electrón cae en el hueco) y producen radiación electromagnética (luz). La recombinación es la reacción que produce un par electrón-hueco, como se muestra en la siguiente reacción: E Æ n + p, donde E es la energía, n el electrón de conducción y p el hueco en la banda de valencia. Ya que todos los materiales son más estables cuando reducen su energía, los pares electrón-hueco se recombinarán tarde o temprano: n + p Æ E. Entonces el excitón es convertido en un cuanto de luz (hv), LOS POLÍMEROS CONJUGADOS5,6 La estructura electrónica del carbono permite que éste presente dos tipos diferentes de “hibridación” ó formas del átomo. Una de estas formas es la hibridación sp3 que se muestra en la figura 4. Fig. 4. La hibridación sp3 del átomo de carbono tiene la forma de una pirámide tetragonal. Cuando se combinan dos átomos de carbono con hibridación sp3 se tiene un enlaces σ como se muestra en la figura 5. Electrón “extra” Impureza dopante Hueco electrónico Impureza dopante Fig. 3. Semiconductor tipo “n” (a), donde un átomo dopante se une a la estructura y dona un electrón “extra”, y un semiconductor tipo “p” (b), donde la ausencia de un electrón de valencia produce un hueco electrónico. 14 Fig. 5. Enlace σ obtenido por la combinación de dos átomos de carbono con hibridación sp3. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Luminiscencia en polímeros semiconductores / Roberto Carlos Cabriales Gómez La otra forma del carbono es la hibridación sp2, en donde el átomo tiene una forma trivalente plana. Cuando el orbital p de la hibridación sp2 está suficientemente cerca de otro orbital p de otro átomo de carbono, estos se traslapan, los electrones se aparean y forman un enlace covalente adicional que se denomina enlace π. Un enlace π y uno σ al mismo tiempo es un enlace doble, figura 6. p Enlace π sp2 Æ sp2 Enlace σ Fig. 6. Eteno a partir de dos átomos de carbono sp2, debido a que sus orbitales “p” están cerca, se traslapan 2 2 formando un enlace π, el eteno (CH =CH ) forma un doble enlace formado por un enlace “σ” y un enlace π. Los polímeros conjugados son largas cadenas de carbono que presentan enlaces simples y dobles alternados a lo largo de su columna vertebral. El polímero conjugado más simple es el poliacetileno, cuya estructura se muestra en la figura 7. Fig. 7. Estructura conjugada del poliacetileno. Una característica muy importante de los polímeros conjugados, es que son semiconductores eléctricos si estos se dopan químicamente. El descubrimiento de estas propiedades les valió el premio Nobel de Química del año 2000 a los investigadores Hegger y Shirakawa. En la figura 8 se muestra la posición en que se encuentran los polímeros conjugados en una escala que va desde los aislantes hasta los conductores. La unidad de la conductancia es el Siemens S=Ω-1. La unidad de la conductividad es S*m-1. Además se ha comprobado 7 que películas nanométricas preparadas con polímeros conjugados son excelentes materiales electroluminiscentes, lo que las hace de interés para la industria electrónica. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 Fig. 8. Espectro de conductividad que abarcan los polímeros conjugados en S/m. ¿Pero qué hace que un polímero conjugado sea conductor y además tenga la posibilidad de ser luminiscente? La respuesta es que las propiedades eléctricas de un material son determinadas por su estructura electrónica. Al igual que en los metales, los orbitales de los átomos se sobreponen con los orbitales equivalentes de sus átomos vecinos formando orbitales moleculares. A diferencia de los metales en los que los orbitales se sobreponen en todas direcciones, en los polímeros conjugados los orbitales se sobreponen de acuerdo a la estructura molecular de polímero, esto hace que en la mayoría de los casos sean semiconductores solo en la dirección de la cadena. Los polímeros conjugados son semiconductores debido a que sus electrones-π se encuentran deslocalizados a lo largo de la cadena como una nube de electrones, esta nube se presenta por el traslape de orbitales pz, figura 9. Fig. 9. El traslape de orbitales pz produce deslocalización de electrones-π, se conocen así porque resultan de enlaces π. Si en una cadena conjugada se presentan elementos aromáticos la deslocalización continúa a través de ellos, debido a que también presenta una deslocalización llamada resonancia, como se muestra en la figura 10. 15 �Luminiscencia en polímeros semiconductores / Roberto Carlos Cabriales Gómez Fig. 10. Traslape de orbitales pz en compuestos aromáticos. Los electrones-π restringen los grados de libertad de la molécula, de igual manera que lo haría un enlace π entre dos átomos de carbono con hibridación8,9 sp2 (este tipo de enlace restringe la rotación), a consecuencia de esta restricción los sistemas conjugados p resultan ser moléculas planas, figura 11 . En cuanto al fenómeno de la luminiscencia en los polímeros conjugados, en ellos, debido a la COMENTARIOS FINALES En este trabajo hemos discutido brevemente el fenómeno de luminiscencia en materiales, particularmente en polímeros. Se ha descrito también que los polímeros conjugados son buenos materiales electroluminiscentes con potencial de aplicación en películas delgadas para la industria electrónica. Actualmente trabajamos en la síntesis de estos polímeros, figura 13, vía condensación aldólica 8,9 y en un trabajo futuro se discutirán estos avances. Fig. 13. Muestras del polimero conjugado obtenido vía condensación aldólica bajo luz UV. Fig. 11. Deslocalización de electrones a través de una molécula compuesta por un elemento aromático y una pequeña conjugación de enlaces dobles y simples. deslocalización, se tienen orbitales moleculares de menor energía que están completamente ocupados por electrones apareados. Al recibir radiación (por ejemplo luz ultravioleta), ésta promueve un electrón del orbital HOMO que es el orbital más alto ocupado al orbital LUMO que es el orbital más bajo noocupado. Después de la excitación el electrón vuelve a su estado fundamental y emite luz, figura 12. Fig. 12. Fenómeno responsable de la fotoluminiscencia. 16 REFERENCIAS 1. Gilbert W. Castellan, Fisicoquímica, 2a. ed. Addison Wesley Longman, 1998. 2. Schweitzer B. y H. Bässler, 2000, Excitons in conjugated polymers, Synt. Met. 109:1-6 3. J.P. McKelvey, Física del estado sólido y semiconductores, Limusa, México, 1980. 4. Lawrence H. Van Vlack, Materiales para ingeniería, Cecsa, México, 1993. 5. Conjugated polymers, J. L. Bredas, R. 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Universidad Autónoma de Madrid, España. luipego@prodigy.net.mx La revolución la han hecho y la están haciendo las mujeres Luisa Ruiz Higueras Only if she undergoes a radical desidentification from self... Evelyn Fox Keller ¿Nihilistas en Moscú, general? Oscar Wilde, Vera o Los Nihilistas. RESUMEN Sofía Kovalevskaya, (1850-1891) perteneció al movimiento nihilista, a la generación de los 60’s del siglo XIX, a las “amazonas rusas”, a la 1ª generación de mujeres rusas que obtienen un título doctoral y que realizaron contribuciones desde la academia, institucionalmente en sus áreas de estudio. En la 1ª parte de este artículo se presentan una revisión de la situación socio-política enfocada a los aspectos de género y una breve síntesis de su vida como intelectual y activista. En la 2ª parte se describe su vida como matématica y se profundiza en las discusiones sobre género en el medio científico. PALABRAS CLAVE Sofía Kovalevskaya, nihilismo, género, ciencia, matemáticas. ABSTRACT Sofía Kovalevskaya, (1850-1891) of the 60´s generation of the 19th century, involved in the nihilist movement, she was also one of the “Russian amazons” and was part of the 1st. generation of Russian women that obtained a doctoral degree and that contributed from the academia to their scientific field. In the first part of the article a review of the socio-economic situation, focused in the gender discussion, and a synthesis of their life as intellectual and activist are presented. In the second part, her life as a mathematician is described and a deeper discussion on gender in the scientific medium is presented. KEYWORDS Sofía Kovalevskaya, nihilism, gender, science, mathematics. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 21 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte I / Luis Felipe Gómez Lomelí INTRODUCCIÓN Escribir sobre mujeres no es sólo políticamente correcto, es también un cliché. Por lo menos desde la caída del Muro de Berlín, como dijera Tom Wolfe, en los países con intelectuales que viven en sociedades holgadas -comen tres veces al día y nunca han padecido la tortura más que en las películas- al quedarse los “marxistas rococó” sin un gran ideal por qué luchar han optado por “ideales de fin de semana”,1 como si se dijera: escoja usted cualquier grupo que haya sido oprimido (homosexuales, indígenas, vegetarianos, etc.) y ya está, ahí tiene usted su nueva cruzada para desfogar su síndrome del Mesías. Por supuesto, las mujeres han sido uno de los grupos-temas más socorridos, al grado que frases como “estudio de género” parece exclusiva y sinónimo de “estudio sobre mujeres”. También se podría hablar de la cantidad de departamentos de Women’s Studies en las universidades en contraposición con el número de departamentos de estudios sobre varones, homosexuales activos, homosexuales pasivos, etcétera. Pero basten una tríada de datos para terminar el punto. De agosto de 1997 a Agosto de 2003 en la revista Nature aparecen 29 textos en cuyo título está la palabra Women, casi uno cada dos meses; y en la revista Science, 57, casi uno por mes. Salvo unos cuantos, todos se quejan de la situación de las mujeres en el quehacer científico. La búsqueda en Amazon corrobora el punto: 32,000 títulos con la palabra Women, 7,725 con Feminism, y 3,445 con Female, en comparación con los 2,992 con Male y los 20, 363 con Men (donde, huelga decir, la cantidad de libros en que se aborda explícitamente una cuestión de género es menor en los que tienen en el título la palabra Men que los que tienen la palabra Women). Dada esta situación pareciera que escribir sobre una mujer en matemáticas sea sólo por seguir la moda o por querer granjearse con colegas y estudiantes mujeres, o si no: para qué escribir sobre Sofía Kovalevskaya, cuantimás cuando se ha escrito harto acerca de ella, por socialistas y antisocialistas, feministas y antifeministas, matemáticos y literatos, historiadores, divulgadores y hasta una obra de teatro hay donde se satiriza su vida.2 ¿Porqué volver a escribir sobre un mito? 22 Originalmente concebí este trabajo como uno que pudiera hacerse, a razón intermedia, entre un ensayo sobre Ettore Majorana 3 y otro sobre Gastón Bachelard.4 Con respecto al físico italiano debido a la similitud sobre las expectativas que ambas personas despertaron en su tiempo. Fueron el “genio prometido”, el que no se dio: uno porque “desapareció” y la otra porque murió muy joven, en el posible mejor momento de su carrera, a los cuarenta y un años. De estas figuras siempre se hace una leyenda. Y con respecto al físico francés debido a que ambas trabajaron tanto en el “mundo” de las ciencias exactas como en el de la literatura y este tipo de personajes, sobre todo para aquellos que sólo laboran en uno de los dos “mundos”, siempre causan asombro si no es que morbo y, peor, a veces llegan a ser encasilladas en categorías poco gentiles de los manuales de psicología (ya veremos qué le pasará al recuerdo de Sábato cuando su cuerpo muera). En el primer caso se hablaría de sus trabajos matemáticos y, en el segundo, sobre sus motivaciones para crear en ambos “mundos”. En cualquiera de los dos casos el estudio carecería de connotaciones de “género” (pues sería interesante tanto si Kovalevskaya hubiera sido varón, mujer, trasvesti o lo que se quiera) y valdría la pena pues, aunque fuera un mito en la exUnión Soviética y se haya dicho bastante de ella, poco se ha escrito en español. No obstante al ir de los trabajos y publicaciones de Kovalevskaya a su biografía, y de las meras secuencias de datos al momento histórico en que Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte I / Luis Felipe Gómez Lomelí vivieron ella y sus amigos, así como después de comparar su vida con las de otras matemáticas anteriores, contemporáneas y posteriores a ella, se revisten de importancia cuestiones ideológicas donde, ahora sí, es necesario también hacer un “estudio de género”. Sofía Kovalevskaya perteneció al movimiento nihilista, a la generación de los 60’s del siglo XIX, a las “amazonas” rusas,5 a la primera generación de mujeres (después de las italianas del siglo XVIII) que obtuvieron títulos de doctorado y que realizaron contribuciones desde la academia, institucionalmente, a sus áreas de estudio. Las mujeres nihilistas fueron activas y se caracterizaron tanto por formar una base ideológica como por llevar a cabo sus empresas. Como escribió Ann Hibner Koblitz, “They were doers; they got results”.6 De todas ellas, a mi parecer, la más importante fue Sofía Kovalevskaya.7 En lo siguiente trataré de mostrar tanto la importancia de las nihilistas en la historia de la ciencia, en especial en la historia de las matemáticas, como la relevancia de Sofía Kovalevskaya no sólo como ejemplo de su generación sino también como de una de las personas más interesantes de la historia de la ciencia, la literatura y los movimientos pro igualdad de géneros. ÉRASE UNA VEZ QUE LOS JÓVENES... (PRIMERA PARTE) Papá, cuéntame otra vez esa historia tan bonita... Ismael Serrano cantante español El progreso se sentía al alcance de la mano. Ahora podríamos decir que sólo era la emoción de que las utopías parecían posibles pero, seguramente, en aquellos años ninguno de los jóvenes universitarios habría calificado de utópicos sus ideales. Y tenían varias razones para no hacerlo en la Rusia de los años sesenta del siglo XIX. Tres me parecen las más importantes. Primero, por varios motivos se creía inminente la caída del sistema establecido. Segundo, sus ideas eran compartidas no sólo por jóvenes sino también por la mayoría de los intelectuales de la época, incluida la inteligencia rusa. Tercero, creían que sus ideas se habían llevado a la práctica, y con éxito, en países más desarrollados que el suyo. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 Al arribar a la segunda mitad del siglo XIX la sociedad rusa se regía bajo la autocracia del zar, la economía feudal y los valores del patriarcado y la religión cristiana ortodoxa. Sin embargo entre 1848 y 1851 se suceden en casi toda Europa revueltas anti-monárquicas que, si no son suficientes para que el zar Nicolás I tome cartas en el asunto, sí sientan un precedente e inoculan la larva del miedo entre la aristocracia y los terratenientes rusos. El miedo crece cuando las cosas no van bien para Rusia en la Guerra de Crimea y se desborda cuando, en 1856, el zar Alejandro II –que sucedió a Nicolás I en 1855— firma la humillante derrota del imperio. Las protestas se multiplican, ya no son solo los campesinos los que quieren deponer al monarca y reclaman cambios sociales, también los militares e intelectuales urgen al zar para que implemente reformas pues aducen la derrota del imperio a la falta de preparación científica tanto de los militares como del equipo médico así como al desgastado sistema económico. Alejandro II decide reformar y a finales de la década de los cincuenta comienza a mandar jóvenes a universidades de Europa Occidental. También, para que la revolución la dirijan los de arriba en vez de que estalle abajo, proclama la emancipación de los siervos en marzo de 1861. Sin embargo las reformas no son suficientes y el status quo sigue sufriendo tropiezos. Los jóvenes universitarios se organizan en comunas y células revolucionarias y toman parte activa de las revueltas anti-zaristas de Varsovia y otras ciudades de la parte polaca del imperio entre 1863 y 1865. Las revueltas son sometidas con lujo de violencia y los estudiantes en San Petesburgo y Moscú, principalmente, salen a protestar a las calles por la represión. También demandan reformas estructurales del gobierno, el sistema educativo, la economía y la sociedad rusa. Iván Turguenev publicó su novela Padres e hijos en 1863. En ella hace un retrato doloroso de la juventud rusa de la época y despectivamente llama “nihilista” al personaje joven, quien estaba en contra de todo lo establecido sólo por estar en contra. Los estudiantes de la generación de los sesenta, como ellos mismos se llamaban, estaban en contra de “casi” todo lo establecido en la sociedad rusa así que gustosos tomaron el apelativo de “nihilistas” para ellos mismos. Si la sociedad rusa era patriarcal, ellos 23 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte I / Luis Felipe Gómez Lomelí estaban a favor de la igualdad de sexos. Si una de las principales instituciones era la familia, ellos estaban a favor de las comunas e inventaron los “matrimonios ficticios” (retomaré estos dos puntos más adelante). Si su sociedad creía en la verdad revelada, eclesial, ellos creían en la verdad de la ciencia. Si su sociedad creía en el orden establecido, ellos creían en el progreso y la evolución. Éste era el punto principal de la ideología nihilista: el progreso. Y éste era el motor de su movimiento así como el punto de confluencia con intelectuales y movimientos dentro y fuera de Rusia, el mismo Turguenev creía en el progreso y publicó una novela sobre lo que él creía la nueva era por venir. Varias ideas, casi todas emanadas de la ciencia, convergían para dar forma a la promesa del progreso y todas ellas (o casi, siempre hay excepciones) eran parte de la ideología nihilista. Casi todas emanaban o reflejaban algún tipo de materialismo. El materialismo histórico de Marx y Engels prometía un mundo mejor en lo económico y social, lo mismo las utopías de Fourier y otros. El mecanicismo y el atomismo prometían el dominio del hombre sobre la naturaleza, además de eliminar la “esencia” divina de las cosas y los organismos. Pasteur refuta la teoría de la generación espontánea y los descubrimientos en química y fisiología (síntesis de la urea, hallazgo de azúcar en el hígado, ciclos del carbono y el nitrógeno, etcétera) ponen en entredicho la cualidad divina de los seres vivos y del ser humano. Aunque Darwin no lo quisiera, su libro On the origin of species contribuye en 1859 –junto con los descubrimientos en paleontología y las teorías en geología—a cuestionar la idea de la creación del mundo y la vida por Dios. Por si fuera poco, las teorías psicológicas desmitificaban el concepto de “alma” para reducirlo a “respuestas a estímulos” (Sechenov, Pavlov, etcétera) u optaban por términos con menor connotación religiosa. Ahora bien, por qué todas estas ideas convergen en la noción de progreso y cómo de ésta se desarrollan las otras ideas de los nihilistas (igualdad sexual, matrimonios ficticios, etcétera). Aunque el Renacimiento italiano pretende instaurar en el centro al hombre en lugar de Dios, la Revolución Copernicana desplaza del centro del universo a la tierra, la Revolución Francesa ensalza los ideales de 24 libertad, igualdad y fraternidad, y a través del siglo XIX va adquiriendo mayor fuerza el concepto de estado-nación en lugar del concepto de monarquía por derecho divino, al entrar la segunda mitad del siglo XIX muchos conceptos de la filosofía cristiana medieval prevalecen. El principal es el concepto de estatismo y sus derivados: si el mundo ha sido creado por Dios y ha sido así desde que tenemos noticia, no hay razón para pensar que pueda ni deba cambiar (pues si es así y Dios es bueno, “éste es el mejor de los mundos posibles”). Sin embargo las teorías científicas mencionadas en el párrafo anterior atacan principalmente este punto: al ceder el mundo sus cualidades divinas (“Dios” deja de crear organismos a cada momento, hay evolución de las especies, lo vivo se compone de lo mismo que lo inerte, podemos dominar la materia, etcétera) entonces el cambio no sólo es posible, es “un hecho”. Y si el cambio es un hecho, el progreso es posible y no hay necesidad de vivir en un mundo y una sociedad con defectos y opresión. ¡Hay que hacer la revolución para vivir en un mundo mejor! Ésta fue la máxima de los nihilistas, por tanto eran fervientes partidarios de la ciencia. De la noción de cambio y progreso por medio de la revolución se desprenden fácilmente las demás ideas: si la razón de nuestras desgracias es vivir bajo las tradiciones de nuestros padres, hay que cambiar todo de raíz para acceder a la nueva era. Así que había que cambiar las relaciones entre los géneros femenino y masculino, la idea de matrimonio, de la propiedad, el sistema económico y todo lo que se pudiera. Por supuesto, no todos los que creían en el progreso en la Rusia de los años sesenta eran nihilistas o radicales (ya se mencionaba el caso de Turguenev), o ateos y comunistas.8 No, pero para cuando los jóvenes se lanzaron a las calles a protestar por lo ocurrido en Varsovia, el movimiento nihilista ya había obtenido sus primeros frutos. La fe de los nihilistas en la ciencia como fuerza liberadora favoreció e impulsó la entrada de mujeres al mundo científico, ya fuera en la universidad o por medio de lecciones privadas, también impulsó la divulgación de la ciencia y creó –al politizarse—los primeros vínculos entre el mundo académico y las clases populares. Sin embargo el zar Alejandro II no estaba tan ansioso de reformas y, como sucediera un siglo más tarde en varios países del mundo, el movimiento Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte I / Luis Felipe Gómez Lomelí estudiantil ruso de los años sesenta del siglo XIX fue reprimido violentamente. Muchos de sus integrantes fueron encarcelados, asesinados o mandados a Siberia; entre ellos algunas mujeres. SOFÍA KOVALEVSKAYA BREVE SÍNTESIS DE SU VIDA COMO INTELECTUAL Y ACTIVISTA Es imposible ser matemático sin tener alma de poeta Sofía Kovalevskaya A los cuarenta años, en 1890, Sofía Kovalevskaya era profesora de matemáticas de tiempo completo en la Universidad de Estocolmo, tenía una hija y un amante (pariente lejano de su difunto esposo), y vivía con su mejor amiga, Iulia Lermontova, junto con quien compartía la educación de la niña. Había vivido en comunas de mujeres, participado en publicaciones subversivas, escrito varias obras literarias (una de ellas prohibida en Rusia), contaba con los más altos reconocimientos de la época por sus contribuciones a las matemáticas y había conocido y/o tenido correspondencia con un gran número de intelectuales: Dostoievsky, Turguenev, Chéjov, George Eliot, Henrik Ibsen, Weierstrass, Darwin, Huxley, Chebyshev, Mittag-Leffler, Kronecker, los hermanos Kovalevsky, Pushkin, Von Helmholtz, Kirchhoff, DuBois-Reymond, Leo Königsberger y varios más. Por si fuera poco, su carrera en el mundo científico está llena de frases que empiezan con “primera mujer...”,9 de las que hablaré más adelante. Así las cosas Sofía Kovalevskaya se muestra como una personalidad prominente por derecho propio, sin ser más o menos por “cuestiones de género”, una persona que no sólo cuestionó el status quo sino que llevó a cabo sus ideas y obtuvo resultados: desde el ámbito de su vida privada hasta el rubro profesional pasando por su participación en movimientos sociales. Sofía Kovalevskaya nació el 15 de enero de 1850 en Moscú. Su padre fue Vasili Korvin-Krokovsky,10 general artillero del imperio; y su madre, de ascendencia alemana, Velizaveta Shubert. Sofía o Sonya –como también se le conoce—tuvo dos hermanos. Su hermana mayor, Anya o Anyuta (de cariño), y el menor Fedya. Sofía no creció en un medio familiar lejano al quehacer intelectual ni renuente del todo a la Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 participación femenina como algunos autores, sobre todo feministas, muestran.11 Por un lado su madre era pianista y versada en lenguas, por otro, su padre había tenido preparación y era aficionado a las matemáticas aunque, para el caso de las mujeres, es cierto que le parecía un divertimento que debía ser mesurado para que no se apartaran de sus “deberes femeninos”. Un abuelo y un bisabuelo maternos habían sido matemáticos. Su tío Pyotr Vasilevich Krokovsky era aficionado a las matemáticas e impulsaba la idea de que las mujeres debían de e s t u d i a r. Ta m b i é n S o f í a , e n s u t e m p r a n a adolescencia en Palibino, el paese de la familia Korvin-Krokovsky a donde se fueron a vivir en 1864, tuvo contacto con un vecino y amigo de la casa que era profesor de física y publicó un libro sobre óptica, el profesor Trytov. Como era costumbre de la aristocracia, así bien fueran aristócratas venidos a menos como el caso de los Korvin-Krokovsky, Sofía recibió educación a través de institutrices (la inglesa Margaret Smith) y profesores privados (Ioseph Ignatevich Melevich). Con ellos aprendió, aparte de modales y cuestiones que se consideraban “femeninas”, algunas lenguas extranjeras (inglés, francés, además del alemán y el ruso) y sus primeras lecciones de matemáticas y otras ciencias. Durante su adolescencia Sofía tiene contacto con el mundo intelectual a través del cortejo que Dostoievsky lleva con su hermana Anyuta y su conciencia política y social se despierta, por lo menos, a partir de una relación que tiene con un vecino suyo 25 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte I / Luis Felipe Gómez Lomelí que deja Palibino para ir a apoyar las revueltas de Varsovia en 1865. Se podría decir que ambas situaciones marcaron a Sofía y se tenderían tres lazos que tiraron de ella toda su vida: el gusto por el mundo académico e intelectual, el activismo político y la conciencia de pertenecer a una clase social privilegiada.12 Como en el caso de Gastón Bachelard, cuyas actividades literarias y científicas no pueden ser separadas más que de una forma artificial por parte de los historiadores pues siempre estuvieron presentes y no hubo un punto en que dejara por completo una para dedicarse a la otra, en la vida de Sofía convivieron el activismo político y el quehacer intelectual. Sofía publicó, por ejemplo, un gran número de artículos de divulgación científica y comentarios sobre obras de teatro y literatura. En ambos casos consideraba su labor como una labor revolucionaria. Como parte de la ideología nihilista, a la cual era adepta, la divulgación de la ciencia y las artes era concebida como una manera esencial de dotar de armas a las clases populares para acabar con la monarquía y hacer la revolución. Esta misma actitud se encuentra también en sus obras de teatro, poemas, ensayos y obras narrativas más extensas. Tal vez los más relevantes sean su par de novelas Nigiliska (Mujer nihilista, 1892) y Vospominani Detstva (Memorias de juventud, 1890) y un par de ensayos sobre experimentos de hipnosis en los hospitales La Charité y La Salpetriere. 13 Las novelas tienen tintes autobiográficos modificados de modo que Sofía aparezca como personaje secundario y minimizado, y ambas fueron traducidas a varios idiomas (inglés, francés, sueco, italiano, polaco y checo). Aunque las dos muestran su filosofía nihilista –y, por ende, feminista—es en Nigiliska donde la cuestión es mucho más patente pues es una epopeya sobre Vera Vorontsova (o Goncharova) —mujer nihilista, esposa de Pushkin— y su lucha por la libertad y la igualdad en la sociedad patriarcal, feudal y autocrática rusa. La novela o noveleta fue prohibida en Rusia, tal vez por la influencia que había tenido en la juventud otra novela en donde se hace una apología sobre una mujer nihilista, María Bukova-Sechenova, escrita por Nicolás Chernishevsky e intitulada ¿Qué es lo que debe hacerse?14 (1863). En el caso de sus ensayos 26 sobre sicología, Sofía, combina su talento literario con su actitud crítica respecto a la ciencia, tocando el punto del uso de la ciencia (la hipnosis) con fines de poder. Otros aspectos del activismo nihilista (aparte del estudio y la divulgación de la ciencia, así como la publicación de textos subversivos) eran los “matrimonios ficticios” y las comunas. Sofía tomó parte de ambos. En el siglo XIX las mujeres carecían de libertad de movimiento y acción fuera del ámbito doméstico. Aunque antes de las revueltas estudiantiles de los sesenta no había prohibición expresa para que las mujeres estudiaran, fuera del ámbito nihilista la prohibición era implícita. Y si bien las mujeres rusas tenían figura legal y varias prerrogativas que sus contemporáneas de otros países supuestamente más liberales, como Inglaterra, Estados Unidos o Suiza, envidiarían de haber conocido (sobre todo con respecto a lo referente a títulos de propiedad), las mujeres rusas requerían el permiso escrito de sus padres o esposos para poder trabajar, estudiar, viajar o vivir separadas de “su macho” más cercano. Así, los nihilistas, en su afán de cambiar su sociedad, inventaron los “matrimonios ficticios” (fiktivnyi brak). Mediante un “matrimonio ficticio” un nihilista se casaba con una mujer (usualmente nihilista) para liberarla del yugo familiar. En teoría el varón habría de escribirle todos los permisos que ella requiriera para estar en igualdad de oportunidades y pudiera Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte I / Luis Felipe Gómez Lomelí estudiar, trabajar, viajar, vivir en comunas y demás. En teoría, también, no habría ningún tipo de relación carnal entre ambos. Por supuesto en la práctica sucedieron muchas cosas, pero el ideal era el anterior. Sofía contrajo “matrimonio ficticio” con Vladimir Kovalevsky en 1868, afamado paleontólogo evolucionista (célebre por trazar la evolución del caballo) y con el pasaporte de él (las mujeres carecían de pasaporte) salió a estudiar a Alemania junto con su marido y Anyuta. Las fuentes difieren sobre la “necesidad” de este matrimonio, algunas dicen que estuvo “obligada” para liberarse de su padre (Stove, Wilson, Cooke y Barile, etc.), sin embargo Hibner cuestiona lo anterior haciéndolo parecer como parte de la retórica feminista y sensacionalista pues afirma que el padre de Sofía sí le habría dado permiso de estudiar en el extranjero (entre otras cosas, la afirmación se basa en el hecho de que ella siguió recibiendo dinero de su padre por varios años después de casarse). Ficticio o no el matrimonio y cualesquiera que hayan sido las causas que lo provocaron, Sofía y Vladimir viven juntos por temporadas y terminan enamorándose y teniendo una hija en 1878, sólo para volverse a separar en 1881. No volverían a estar juntos, en 1883 Vladimir se suicida por problemas económicos. Las comunas eran sociedades cooperativas que formaban parte del movimiento de la generación de los sesenta y estaban influidas por los escritos de Chernishevsky y el socialismo utópico de George Sand y Fourier. Las hubo con integrantes de uno o de dos sexos, que vivían en la misma propiedad o en varias, y tenían como idea aminorar la carga económica de sus participantes y en la mayoría de los casos generar ingresos también, además de proveer apoyo y en ocasiones servir de células revolucionarias. Entre las mujeres del movimiento fueron harto populares en Rusia (dado que los comuneros se convertían en “su nueva familia”) pero sobre todo entre las mujeres que estudiaron en el extranjero. La comuna más famosa fue la del Grupo Fritsche en Zúrich, destino principal de las amazonas rusas.15 Sofía Kovalevskaya junto con su amiga Iulia Lermontova y su hermana Anyuta formaron la Comuna de Mujeres de Heidelberg (1870-1871) cuyo principal objetivo era apoyar a otras mujeres rusas Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 que quisieran estudiar en el extranjero. Anyuta después se separaría para ir a formar parte de la Comuna de París de 1871. Debido a que las propias comunas eran consideradas en sí mismas un acto de rebelión y a causa de que el comportamiento de las nihilistas era mucho más liberal que el de las mujeres alemanas o suizas, entre otras razones, fue que las comunas fueron atacadas tanto por el gobierno ruso como por las sociedades de Europa Occidental.16 Otra de las actividades de los nihilistas era participar en revueltas populares. Las mujeres tomaron un papel preponderante, el 30% de los integrantes de los grupos radicales eran mujeres.17 Sin embargo Sofía no tomó parte de esto directamente. A diferencia de su hermana, parece que Sofía siempre se sintió culpable de su extracción aristócrata y tal vez ésa sea la causa de que minimice a su personaje en sus ficciones autobiográficas. Sin embargo siguió apoyando a las mujeres que quisieran estudiar o salir de Rusia y, una vez que su esposo se suicidara, otorgó su pasaporte para que con éste salieran otras mujeres del país. Sofía Kovalevskaya escribió durante toda su vida desde años antes de salir de Rusia. Por supuesto hubo momentos de mayor actividad, como durante la temporada que pasa en su país (cuatro años aproximadamente) con Vladimir después de que ella ha terminado su doctorado. Para cuando era profesora de matemáticas en la Universidad de Estocolmo, a los cuarenta años, combinaba a la par sus labores como docente, investigadora, escritora y madre de Fufa.18 Tenía cuarenta años, de improviso estaba a punto de morir. BIBLIOGRAFÍA • Barral, M. J., Magallón, C., Miqueo, C., Sánchez, M. D. (Eds.) (1999) Interacciones ciencia y género, Icaria Ed., España. • Bell, E. T. (1995, 2ª) Historia de las matemáticas, Fondo de Cultura Económica, México. • Cooke, R. (1984) The Mathematics of Sonya Kovalevskaya, Springer-Verlag, Nueva York. • Cruz R., M. y Ruiz H., L. (Eds.) (1999) Mujer y ciencia, U. de Jaén. España 27 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte I / Luis Felipe Gómez Lomelí • Dampier, W. C. (1972, 4ª) Historia de la ciencia y sus relaciones con la filosofía y la religión, Tecnos, España. • Feyerabend, P. (1998, 3ª ed.) La ciencia en una sociedad libre, S. XXI Editores, España. • Hibner K., A. 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Tsel’ zhizni (Sofía Kovalevskaia), de los hermanos Tur (Hibner, 2000). 3. Una lectura amena acerca de la vida de Ettore Majorana se encuentra en la novela del italiano Leonardo Sciascia, La scomparsa di Majorana, en español La desaparición de Majorana, Ed. Juventud, S.A. 4. En español y editada en México se puede encontrar buena parte de su obra editada en el Fondo de Cultura Económica. 5. Sole Romeo, 1995. 6. Hibner, 2000. 7. Marie Curie fue más de diez años más joven que Kovalevskaya, así que no se le considera parte de la generación de los sesenta. 28 8. Asimismo los movimientos de mujeres, englobados bajo el término de “feministas” –igual que los términos “jazz” o “rock”—, han tenido una enorme variedad de vertientes: tanto ha habido quienes han ligado feminismo con comunismo como quienes lo han hecho con el catolicismo y, ahora, aún con el ecologismo. 9. Este tipo de frases son muy socorridas por historiadores y biógrafos, igual que palabras como “lucha”, “triunfo”, etcétera. Normalmente se utilizan para dar elocuencia a lo escrito o para resaltar la ideología subyacente. En el presente trabajo este tipo de frases y palabras se utilizarán por economía en la redacción o bien, entrecomilladas, haciendo eco de quienes las usan. 10. En Rusia, como en gran parte del mundo, el apellido de la mujer proviene de su padre, cuando es soltera, o de su esposo, después. Además el ruso establece una terminación femenina para los apellidos. Por ejemplo, si el hombre se apellida Gorvachov, el apellido de su esposa será Gorvachova. Así Sofía Korvin-Krokovskaya (terminación femenina de Krokovsky) se convierte en Sofía Kovalevskaya al casarse con Vladimir Kovalevsky. Debido a estas variaciones y otras particularidades de la tradición rusa, además del diferente alfabeto, es que luego la misma persona aparece bajo diferentes nombres en los libros occidentales (hay una investigación-chiste bastante elocuente al respecto sobre Chebyshev y el número de nombres diferentes bajo los que aparece en la literatura científica). Otra particularidad es que el primer “apellido” de todo ruso es una variación del nombre de pila de su padre, así, dado que el padre de Kovalevskaya se llamava Vasili, ella era Sofía Vasileva KorvinKrokovskaya. 11. Esto es fácil de constatar en casi todas las notas biográficas sobre Kovalevskaya en Internet. 12. La terminación “-sky” en los apellidos rusos denota ascendencia aristócrata. Si bien su familia había venido a menos, su padre aún era terrateniente y ella de ningún modo se podía considerar campesina o proletaria. 13. En México el único libro encontrado en la Biblioteca Central de la UNAM es Kovaleuskai, Sofia Vasil’eva (1997) Memorias de juventud, Herder, Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Sofía Kovalevskaya: mujer nihilista. Parte I / Luis Felipe Gómez Lomelí Barcelona (Traducción de Annette Chereck y Arturo Parada. También se puede encontrar una tesis sobre ella en la biblioteca del ITESM, Campus Monterrey. En Amazon.com se encuentran 13 libros al respecto de Kovalevskaya, las versiones inglesas y rusas de Nigilistka y la versión inglesa de Memorias de juventud bajo el título Russian Childhood. 14. La vida de María Bokova-Sechenova (1839-1929) bien merece un estudio y divulgación. Fue pionera en la educación médica, fisióloga, oftalmóloga, traductora de artículos científicos, agrónoma y activista. Recibió dos títulos doctorales, el primero en medicina en la U. de Zúrich en 1871 y el segundo en fisiología en Viena en 1876. Amiga de Kovalevskaya, se casó primero con Pedro Bokov Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 y después con Iván Sechenov, ambos nihilistas y buenos amigos. De hecho, se dice que por varios años compartieron un feliz menage-a-trois como parte de la experimentación nihilista por romper con los patrones familiares establecidos. Asimismo el que firmara con los apellidos de sus dos esposos representaba (y en muchos lugares seguiría siéndolo) toda una provocación. 15. De 1867 a 1914 se graduaron de medicina 1,376 mujeres en Zúrich, de las que 971 eran rusas y 111 eran polacas provenientes del Imperio Ruso (Hibner, 2000). 16. Hibner, 2000. 17. Sole Romeo, 1995. 18. Apelativo cariñoso de su hija Sofía. 29 �Determinación del nivel de deterioro en líneas eléctricas utilizando lógica difusa Marina Alexandrovna Escobar, Eduardo Sierra Gil, Santiago Lajes Choy Universidad de Camagüey, Facultad de Electromecánica. Carretera Circunvalación Norte Km. 5 1/2, Camagüey, CP 74650. Cuba Tel: 53-322-61019 ext. 241, Fax: 53-322-61126, sierra@em.reduc.edu.cu RESUMEN El Mantenimiento por Diagnóstico de las redes de subtransmisión y distribución (niveles de voltaje desde 4 KV hasta 33 KV) necesita de la valoración objetiva del nivel de deterioro de las mismas, partiendo de la información cualitativa e imprecisa recogida mediante el celaje (inspección visual de la línea). Para ello la herramienta matemática idónea es la Lógica Difusa o Borrosa (Fuzzy Logic), con la ayuda de la cual se desarrolló el Método de la determinación del Índice del Deterioro de la Línea. Dicho método permite cuantificar la información y determinar analíticamente la posibilidad de que la red o uno de sus elementos necesiten mantenimiento en un período de tiempo determinado, utiliza el esquema de la Inferencia Monótona Directa con un cuerpo de doce reglas de implicación, correspondientes a los elementos básicos de la Línea, definidos por la Unión Nacional Eléctrica de Cuba. PALABRAS CLAVE Lógica difusa, Mantenimiento, Diagnóstico, Líneas Eléctricas. ABSTRACT The Maintenance by Diagnosis of the sub transmission and distribution networks (4 KV to 33 KV voltage level) needs of the objective assesment of the deterioration level; starting from the qualitative and imprecise information gathered by the inspection staff. The suitable mathematical tool for this purpose is Fuzzy Logic, with the help of which the Method for the determine in the of the Line Deterioration Index was developed. This method permits to obtain the information in quantitative form and determine if the network or one of its elements needs maintenance in a specific interval of time, using the outline of the Direct Monotonous Inference with twelve implication rules, corresponding to the basic elements of the Line, as defined by the National Electric Union of Cuba. KEYWORDS Fuzzy Logic, Maintenance, Diagnosis, Electric Lines 30 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Determinación del nivel de deterioro en líneas... / Marina Alexandrovna Escobar, et al LA LÓGICA DIFUSA COMO HERRAMIENTA PARA EXPRESAR LA INFORMACIÓN IMPRECISA EN FORMA CUANTITATIVA El deterioro de una línea eléctrica se aprecia mediante las observaciones del celador (persona designada para inspeccionar la línea, visualmente, de forma periódica), el cual detecta los defectos del tipo: • poste inclinado • cable flojo • grampa corroída • etc. Además anota la ubicación de los mismos con bastante precisión. Sin embargo muestra con mucha ambigüedad la posibilidad de dar o no mantenimiento en uno u otro periodo de tiempo. Para valorar cuantitativamente el nivel del deterioro de la línea, es menester buscar la forma numérica a la información cualitativa e imprecisa recogida por el celador. Actualmente existe la herramienta matemática especialmente apta para este fin, que es la Lógica Difusa o Borrosa (Fuzzy Logic). Se puede afirmar que cualquier valoración con el empleo de La Lógica Difusa se basa en la relación de implicación: IF (antecedente) THEN (consecuente) (1) En este caso el antecedente debe abarcar todos los defectos detectados mediante el celaje en la línea, mientras que el consecuente es el enunciado lógico “El nivel del deterioro crece”. Un enunciado lógico y un conjunto están directamente relacionados: decir “este bajante está flojo” es lo mismo que decir “este bajante pertenece al conjunto de los flojos”. Los conjuntos difusos son una generalización de los conjuntos de Cantor; en estos últimos un elemento rotundamente pertenece o no pertenece al conjunto, mientras que en los primeros el nivel de la pertenencia puede tomar cualquier valor del intervalo [0,1]. Para los enunciados lógicos difusos esto significa, que pueden no ser totalmente ciertos ni totalmente falsos, sino que su nivel de verdad puede tomar cualquier valor del mismo intervalo [0,1]. Para obtener la valoración del deterioro de la línea en su totalidad, es necesario aplicar la implicación lógica difusa (1) de tal forma, que se tenga en Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 1 Conjunto: “Nivel del deterioro crec e” (1) (2) Índice del deterioro Fig. 1 Estrategias del mantenimiento: optimista (1) y pesimista (2). cuenta, que el aporte de cada elemento deteriorado al nivel total del deterioro de la Línea es diferente. De este modo, el conjunto difuso del consecuente puede utilizarse de dos formas: para expresar la estrategia general del mantenimiento (casos 1 y 2, ejemplificados en la figura 1) y para relacionar directamente el índice del deterioro parcial con la importancia que representa el elemento en cuestión para el nivel del deterioro de la línea. En el presente trabajo se aplicó el último enfoque combinado con la forma a), mencionada anteriormente, de estructurar los conjuntos difusos del antecedente. PASOS PARA LA APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA El primer paso para la aplicación de esta metodología consiste en determinar una serie de indicadores1 necesarios para la modelación del problema de mantenimiento mediante la lógica difusa, antes de definir estos indicadores se verá a partir de que información se debe realizar la toma de decisiones para afirmar que una línea se encuentra en uno de estos estados técnicos. a) Buen estado. b) Mal estado (necesidad de mantenimiento) La información a la que nos referimos anteriormente está básicamente en el reporte de celaje o inspección de líneas en este reporte, el celador, que es la persona encargada de esta actividad, debe reflejar todos los defectos que encuentre en cada uno de los elementos que conforman la línea y que son detectados por inspección visual de la misma. Para facilitar la interpretación de estos reportes cada defecto de cada elemento se codifica con una 31 �Determinación del nivel de deterioro en líneas... / Marina Alexandrovna Escobar, et al Tabla I. Claves de clasificación de defectos en elementos de líneas de distribución eléctrica de acuerdo a la norma UNE NRIB-441. Tabla II. Ejemplo de indices evaluados en base a una encuesta a expertos. clave, un ejemplo se muestra en la tabla I, según la norma ramal de la UNE NRIB-441 de 1982 revisada en el 2002.2 Ahora se puede pasar a definir los indicadores mencionados al inicio de este epígrafe. Ki- Importancia ponderada del elemento i (ejemplo: poste, conductor, aislamiento, etc.) atendiendo a la confiabilidad de la red y la complejidad del mantenimiento. Kij- Importancia ponderada del defecto j del elemento i (ejemplo: poste: inclinado, podrido, rajado, etc.) atendiendo a la posibilidad de que la aparición del mismo provoque una falla. La determinación de estos indicadores se realizó a partir de una prueba de expertos, para ello se elaboró una encuesta que se aplicó a un grupo de ocho expertos. Las respuestas de los expertos fueron procesadas por el método de selección ponderada, un ejemplo de los resultados obtenidos se muestra en la tabla II. La competencia de los expertos encuestados fue evaluada por el sistema de autovaloración,3 que considera dos aspectos: el nivel de su competencia profesional y el grado de la argumentación del mismo. La evaluación de la competencia se expresa mediante la constante Kc, determinada a partir de la opinión del experto sobre sí mismo: se le pide que valore su competencia sobre el problema en una escala de 0 a 1. De acuerdo a su auto evaluación, el experto sitúa su competencia en algún punto de esta escala. La validez del coeficiente Kc se estima del siguiente modo: se le pide al experto que indique el grado de influencia (alto, mediano, bajo) que tienen en sus criterios profesionales cada una de las fuentes del conocimiento enumeradas más abajo: • Estudios teóricos • Experiencia profesional • Trabajos de autores nacionales • Trabajos de autores extranjeros • Sus conocimientos sobre el estado del problema a nivel internacional • Su intuición personal. Las casillas marcadas por el experto se valoran de acuerdo a la tabla III; la suma de dichas valoraciones es el coeficiente Ka. Con estos datos se determina entonces el coeficiente de la idoneidad del 32 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Determinación del nivel de deterioro en líneas... / Marina Alexandrovna Escobar, et al Tabla III. Grado de influencia de las fuentes de información en la evaluación de defectos, según encuesta a expertos. experto K como el promedio de los dos anteriores, es decir: K= Kc + Ka 2 Explicado el primer paso, pasaremos a analizar el modelo difuso en cuestión. Para esta tarea se seleccionó el método de inferencia monótona escalonada ya que permite valorar el índice de deterioro no solo de la línea en general sino de cada uno de los elementos por separado. Partimos de la suposición de que a medida que aumenta la cantidad de elementos con un mismo defecto se incrementa la posibilidad de que este elemento pertenezca al conjunto “Elementos deteriorados por este defecto”. Para determinar la pertenencia de un elemento a este conjunto se diseñó especialmente una función de membresía, que toma como modelo la función de confiabilidad, y que está dada por la siguiente expresión. µij = 1 − 1 e n ( kij ) (1) Donde: µij - Membresía del elemento i al conjunto de elementos deteriorados por el defecto j. n - Cantidad de elementos i con el defecto j. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 Una vez obtenidas las membresías µij para cada elemento i para los defectos desde j=1 hasta n se procede a determinar la membresía global del elemento i, para ello se utiliza el operador AND de Fibonacci, al que se le dedicará a continuación una atención especial. Pasando revista a algunas de normas más utilizadas al aplicar el operador AND,4 llegamos a las siguientes conclusiones. • AND del mínimo escoge el factor del antecedente que tiene la membresía mínima, despreciándose los demás factores, lo cual es inadmisible para el análisis del nivel de deterioro, ya que ofrece el criterio optimista en demasía. • AND del producto multiplica entre sí todas las membresías del antecedente, y de este modo se toman en cuanta todos los factores que influyen en el deterioro. Pero no hay que olvidar, que el producto de los números menores que 1 es menor que el menor de ellos; este hecho traería dificultades con el ajuste de la escala del consecuente, sobre todo porque no todos los factores del deterioro tendrían siempre membresías diferentes de cero. • AND de la media aritmética calcula la media aritmética de las membresías del antecedente; de esta forma, todos tienen una participación sin que se modifique la escala. Pero hay que señalar, que su uso presupone la relación lineal entre los elementos del antecedente, que en general no es cierto para los factores del deterioro de un sistema. • AND de la media geométrica calcula la raíz cuadrada del producto de las membresías µ a(x) y µ b(y) de los factores del antecedente, tomados de dos en dos. Aquí están presentes las ventajas del AND del producto, y se evitan sus deficiencias. No obstante, hay que señalar, que la media geométrica de dos números siempre es menor que la media aritmética de los mismos; esto significa un enfoque optimista no justificado en la generalización de los factores del deterioro. Para el cálculo del Indicador del Deterioro necesitamos un AND con tal fuerza de enlace entre sus entradas, que la membresía resultante fuera mayor o igual que la del AND de media aritmética, que es el único que considera todos los factores sin modificar la escala, o sea, debe ser preferentemente 33 �Determinación del nivel de deterioro en líneas... / Marina Alexandrovna Escobar, et al pesimista (sin llegar a la exageración) con el objetivo de llamar adecuadamente la atención sobre el deterioro del sistema y tener a su vez en cuenta la no linealidad de la relación entre las entradas. Con este fin se ha diseñado un operador nuevo, que utiliza el número de Fibonacci para lograr este efecto. Leonardo de Pisa (1170 – 1250) (conocido como Fibonacci, contracción de filius Bonacci, es decir el hijo de Bonacci), estuvo en contacto con la cultura árabe, interesándose especialmente por sus matemáticas. Su obra principal fue el Liber Abaci (o Libro acerca del Ábaco), una extensa obra que contiene casi todo el conocimiento algebraico y aritmético de la época. Como se sabe, el número de Fibonacci ϕ= 5 +1 es el límite del cociente de la progresión 2 Para determinar la membresía global de cada elemento i se utiliza la siguiente expresión del AND de Fiboncci. µi = ((((((µi1andµi 2 ) * (1 − ϕ ))andµi 3 ) * (1 − ϕ ))...)andµin )(1 − ϕ ) (3) Donde: µi - Membresía global del elemento i. Con esta membresía global se determina el índice de deterioro de cada tipo de elemento a través de la curva de deterioro o estrategia de mantenimiento, la cual se define mediante la expresión (4) y se representa en la figura 2. I det i = (e ( − ( Ki )(( µi +α )−100 ) 2 / 10 2 ) ) *100 (4) Donde: I det i Índice de deterioro del elemento i. geométrica del mismo nombre: Fib (n)=1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21,… y posee la propiedad siguiente: ϕ -1 = 1/ϕ = 0.6183... (Número de Oro). Para cumplir con el propósito de exagerar moderadamente la simultaneidad de los defectos, se propone el conectivo AND como la partición de la diferencia entre las entradas en la proporción de la sección de oro: AND ( µ a ( x ), µb ( y )) = (ϕ − 1)( µ a ( x) + µb ( y )) (2) Veamos un ejemplo de lo explicado anteriormente: Determinemos la pertenencia de una línea al conjunto de las líneas deterioradas, partiendo de que existen dos elementos de la misma cuyas membresía en el conjunto de los elementos deteriorados son las entradas µ1 y µ2, y el grado de deterioro de la línea está dado por la relación de las entradas a través del conectivo AND. Como se puede apreciar los resultados del AND de Fibonacci son ligeramente mayores que los del AND de la media aritmética, que es el más aceptable, de los conocidos, para este caso pero tiene el defecto de que presupone la relación lineal entre las entradas, lo cual no es cierto. El AND de Fibonacci contiene las bondades del de la media aritmética y asume la relación no lineal entre las entradas. 34 Fig. 2. a) Índice de deterioro con Ki=0.03. b) Índice de deterioro con Ki=0.13. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Determinación del nivel de deterioro en líneas... / Marina Alexandrovna Escobar, et al Esta curva se ajusta según los valores de Ki potenciando o reduciendo los índices de deterioros para el mismo valor de membresía según la importancia del elemento. Una vez determinados los índices de deterioro para cada tipo de elemento se puede determinar el deterioro promedio de la línea como la suma sopesada de los índices de cada elemento. n I prom = ∑ i =1 I det i n Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 ´´ aa ((i det a ) −100 ) 2 / 10 2 ) 1 µ p = (e ( − ( λaa )(( i det a ) − 100 2 ) / 10 2 ) 2 ( − ( λaa )(( i det a ) − 100 2 ) / 10 2 3 2 µ p = (e 3 ) (6) ) (7) ) (8) donde: λaa- Índice de averías que depende del hombre. (5) Donde: Iprom – Índice de deterioro promedio del circuito. n - Elementos que conforman la línea. Con el apoyo, nuevamente, de la norma NRIB441 se puede apreciar que se debe dar una prioridad a la ejecución del mantenimiento según la gravedad del deterioro. 1- mantenimiento urgente. 2- mantenimiento en los próximos 6 meses. 3- mantenimiento después de un año. Con ayuda de 3 funciones gausianas y a partir de los índices de deterioro de los elementos y del circuito se puede determinar la prioridad a conceder al mantenimiento como se muestra en la figura 3. La posibilidad (µp) de que el mantenimiento sea concedido en el período 1, 2 o 3 puede expresarse analíticamente como. Fig.3 Curvas de posibilidades. µ p = (e ( − (λ CONCLUSIONES 1. La información que se utiliza actualmente, a partir de la inspección visual, no permite realizar un diagnóstico general del estado de las redes de subtransmisión y distribución y por lo tanto conduce a decisiones incorrectas en la gestión del mantenimiento. 2. La lógica difusa constituye una herramienta robusta y sencilla para la modelación del problema del diagnóstico de redes de subtransmisión y distribución, permitiendo cuantificar la información cualitativa brindada por el personal de inspección de líneas. 3. La utilización de curvas gaussianas de posibilidades permite al personal técnico de gestión de mantenimiento tener un criterio cuantitativo en que basar la planificación de los mantenimientos corrientes y capitales. 4. Esta metodología tiene la ventaja de ser ajustable según la experiencia acumulada por el personal de mantenimiento (expertización), las condiciones iniciales del estudio y características particulares de la región donde se encuentra ubicada la red (condiciones ambientales, índices de averías que dependen del hombre, etc). 5. Esta metodología no tiene en cuenta la medición de parámetros eléctricos de las redes, ya que esta medición brinda una información cuantitativa y exacta del estado de los elementos sometidos a prueba (existen métodos para la evaluación del deterioro de elementos a partir de la medición de varios de sus parámetros5), lo que no ocurre en el caso de los parámetros mecánicos que son evaluados a partir de observaciones visuales externas. 35 �Determinación del nivel de deterioro en líneas... / Marina Alexandrovna Escobar, et al BIBLIOGRAFÍA 1. Hernández, E. y Navarrete, E. 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PALABRAS CLAVE Microondas, ondas milimétricas, líneas de transmisión, micro-fabricación, micro-maquinado. ABSTRACT This paper discusses the main considerations involved with the design of millimeter wave transmission lines, namely: losses and dispersion. A method for extracting the losses of microwave transmission lines directly from experimental results is presented, as well as an analytical loss comparison of ideal millimeter wave transmission lines. It also contains a discussion of different transmission line architectures made with different materials, using micro-machining or micro-fabrication techniques, and ends with the presentation of several software tools for the modern microwave designer. KEYWORDS Microwaves, milimeter wave, transmission lines, micro-fabrication, micromachining. INTRODUCCIÓN El término microondas se usa para describir ondas electromagnéticas en el intervalo de frecuencias de 300 MHz a 300 GHz, las cuales corresponden a longitudes de onda en espacio libre de 1 metro a 1 milímetro. El término ondas milimétricas es comúnmente usado para las frecuencias en el intervalo de frecuencias de 30 GHz a 300 GHz, porque su longitud de onda va de 10 mm a 1 mm. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 37 �Líneas de transmisión para microondas en comunicaciones inalámbricas / Ignacio Llamas Garro Las líneas de transmisión a frecuencias milimétricas requieren bajas pérdidas y baja dispersión. Las pérdidas dependen de los materiales usados en su fabricación y se refieren a: la conductividad [σ] de los metales, la tangente de pérdida [tan δ] de los dieléctricos y la resistividad [ρ] de los semiconductores. Las pérdidas dependerán de las propiedades mencionadas y de la distribución del campo electromagnético dentro de la línea de transmisión. La mayoría de los sistemas de comunicación llevan información en grupos de frecuencias, en banda base o radio frecuencia, por lo que es de suma importancia que todas las frecuencias en el punto de recepción sean una versión retardada de las frecuencias transmitidas, lo cual implica que todas las componentes del espectro de la señal sean transmitidas con la misma velocidad de fase.1 Este no siempre es el caso; así, cuando la velocidad de fase es función de la frecuencia, entonces se dice que la línea de transmisión es dispersiva, debido a que la señal en el punto de recepción será una versión dispersa en el tiempo de la versión transmitida. Las líneas de transmisión de al menos dos conductores tienden a ser las que tienen menor dispersión, debido a que propagan un modo transversal electromagnético [TEM o quasiTEM]2; sin embargo, la propagación electromagnética a través de varios materiales dieléctricos con distintas constantes dieléctricas, εr, también tiende a hacer a la línea de transmisión dispersiva. Las guías de onda ilustradas en la figura 1, consisten en tubos de metal hueco, las cuales han sido usadas extensivamente en los comienzos de la ingeniería de microondas y tienen claras desventajas; que son: peso, costo, tamaño, un ancho de banda limitado y son dispersivas, ya que consisten de un solo conductor. Las guías de onda siguen siendo importantes en sistemas que requieren de alta potencia. En los últimos diez años la tecnología de líneas de transmisión a frecuencias milimétricas, ha sido enfocada a diseños de bajo costo y tamaño reducido. Ejemplos de líneas de transmisión propuestas con aplicaciones en comunicaciones inalámbricas, a frecuencias milimétricas, serán ilustrados posteriormente en este artículo. 38 (a) (b) Fig. 1. Guías de onda. (a) Circular, (b) Rectangular MÉTODO PARA DETERMINAR LAS PÉRDIDAS, DIRECTO DE MEDICIONES EXPERIMENTALES En esta sección se presenta un método para calcular las pérdidas en líneas de transmisión, resonadores o cavidades de microondas.3 Este método es general, las pérdidas se calculan a partir de los parametros de transmisión y reflexión en circuitos de microondas, conocidos como “parámetros S”2, los que pueden medirse con cualquier analizador de redes de microondas. El método consiste en encontrar el factor de calidad, no cargado Qo, de un resonador (ver figura 2). Un resonador típico es una sección de línea de transmisión o cavidad de longitud λ/2, en donde λ es la longitud de onda de la microonda, de acuerdo a la línea de transmisión. En este método, las pérdidas se calculan a partir de la medición del factor de calidad cargado, Ql, el cual se obtiene directamente por el equipo de medición. Qo es una medida de las pérdidas de la cavidad o resonador de microondas y es definido de la siguiente manera. QO = ωo energía almacenada en el resonador pérdidas del resonador (1) Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Líneas de transmisión para microondas en comunicaciones inalámbricas / Ignacio Llamas Garro Los tres factores de calidad definidos anteriormente están relacionados de la siguiente manera: 1 1 1 = + Ql Qe QO Las pérdidas en el circuito resonante pueden ser: pérdidas por conductor Qc, pérdidas por dieléctricos Q d , pérdidas por radiación Q r, o pérdidas por dieléctricos con resistividad finita, como es el caso de los semiconductores Qk. Entonces Qo para el circuito resonante es el resultado de sumar todas las pérdidas presentes, resultando en la siguiente expresión. (a) 1 1 1 1 1 = + + + QO Qc Qd Qr Qk (b) Fig. 2. Resonadores de microondas (a) Cavidad resonante, (b) Resonador en microcinta. En donde la expresión es evaluada a la frecuencia resonante ω o. El factor de calidad externo, Qe, se relaciona con la intensidad de acoplamiento entre la cavidad o resonador y el circuito externo, que sirve para alimentar el circuito, (ver figura 2a). El circuito externo en la figura 2b está representado por las líneas de transmisión que alimentan el circuito directamente de los puertos en donde se conectará el analizador de redes de microondas. Qe se define de la siguiente manera. energía almacenada en el resonador pérdidas en el circuito externo (5) Una medición típica, medida con un analizador de redes de microondas, por ejemplo, para el resonador de la figura 2b, en donde se ha medido el parámetro S de transmisión,2 o S21, se ilustra en la figura 3, en la cual, IL es la pérdida de inserción y BW3dB es el ancho de banda tomado a 3 decibeles. Directamente de la medición, el factor de calidad cargado se calcula de la siguiente manera: Ql = Qe = ωo (4) fo fo = BW3dB f 2 − f1 (6) (2) A su vez, el factor de calidad cargado, Ql es definido como. Ql = ωo energía almacenada en el resonador pérdidas totales Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 (3) Fig. 3. Respuesta típica en frecuencia de un resonador de microondas. 39 �Líneas de transmisión para microondas en comunicaciones inalámbricas / Ignacio Llamas Garro Ahora el factor de calidad no cargado Qo, se extracta con la siguiente expresión. Qo = Ql 1 − S 21 (7) En donde |S21| es el valor absoluto de la magnitud de S21 a la frecuencia resonante fo (ver figura 3), y está dado por: S 21 = 10 IL 20 Área = πb 2 (a) Área = b 2 (b) (8) De esta manera, Qo indica el grado de pérdidas en el resonador y sirve para extraer una medida del desempeño de los materiales usados y el diseño de una línea de transmisión. Cuando se diseña el resonador, es deseado que IL > -20 dB, de manera que Qo ≈ Ql. COMPARACIÓN ANALÍTICA DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN IDEALES PARA ONDAS MILIMÉTRICAS Idealmente, una línea de transmisión de baja pérdida y baja dispersión para ondas milimétricas es una línea de transmisión que tiene aire como medio de propagación, para evitar pérdidas por dieléctricos, además de tener un medio uniforme de propagación para evitar la dispersión. Esta línea de transmisión ideal, también será totalmente encerrada por un conductor, para evitar las pérdidas por radiación. A continuación, se muestra una comparación analítica de cuatro líneas de transmisión de muy buen desempeño a frecuencias milimétricas. Consideremos las cuatro líneas de transmisión de la figura 4. La impedancia característica de las líneas de transmisión de la figura 4 dependerá de las dimensiones finales y de la separación entre los conductores. La expresión para calcular la impedancia, para cada caso, se podrá encontrar en las referencias proporcionadas para el cálculo de la constante de atenuación por conductor, αc, en nepers por unidad de longitud, dadas en el resto de esta sección. La constante de atenuación por pérdidas de conductor para el coaxial redondo de la figura 4a, puede calcularse con la siguiente expresión:4 40 Área = 2d (w + 2 nd ) Área = b (2nb + w ) En donde n=2,3,5 En donde n=2,3,5 (c) (d) Fig. 4. Sección transversal de líneas de transmisión a frecuencias milimétricas (a) Coaxial redondo, (b) Coaxial cuadrado, (c) Microcinta, (d) Lineastrip. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Líneas de transmisión para microondas en comunicaciones inalámbricas / Ignacio Llamas Garro en donde, ⎛ b⎞ ε r ⎜1 + ⎟ ⎝ a⎠ α c = 1.5657 b σRs λob ln a (9) En donde Rs es la resistencia de superficie6,7 del conductor, λo es la longitud de onda a la frecuencia de operación, εr es la permitividad relativa del medio de propagación, y σ es la conductividad del conductor. La constante de atenuación por pérdidas de conductor del coaxial cuadrado de la figura 4b, puede calcularse con las siguientes expresiónes:5 αc = 47.09 Rs ⎛ b ⎞ w ⎜1 + ⎟ η o Zo ⎝ w ⎠ (0.2794b + 0.7206w)2 cuando αc = b 0.414t 1 ⎛ 4πW ⎛ ⎞⎛ B = 1+ ⎜ + ln⎜ ⎟⎜ 0.5 + W 2π ⎝ t ⎝ 0.5W + 0.7t ⎠⎝ (16) ⎞⎞ ⎟⎟ ⎠⎠ (17) Para comparar el desempeño de las líneas de transmisión de la figura 4, se ha comparado la constante de atenuación contra el área de las distintas líneas de transmisión (ver figura 5a); el área considerada es la encerrada por la línea negra en la figura 4. Todos los puntos obtenidos en la figura 5 son considerando líneas de transmisión de 50 Ohm, comparadas a 50 GHz. (10) 2.5 ≤ b/w ≤ 4 (11) 59.96 Rs ⎛ b ⎞ 1 ⎜1 + ⎟ η o Zo ⎝ w ⎠ b cuando b/w > 4 (12) En donde ηo es la impedancia de espacio libre y ZO es la impedancia característica de la línea de transmisión. Para la microcinta en la figura 4c, αc puede ser calculado con la siguiente fórmula:2 αc = 2W 1 ⎛ b + t ⎞ ⎛ 2b − t ⎞ + ⎜ ⎟ ln⎜ ⎟ b−t π ⎝b −t ⎠ ⎝ t ⎠ 59.37 Rs ⎛ b ⎞ 1 ⎜1 + ⎟ ηo Zo ⎝ w ⎠ b cuando αc = b/w < 2.5 A = 1+ Rs wZo (a) (13) Finalmente, para la línea stripline de la figura 4d, αc puede ser calculado con las siguientes fórmulas:2 αc = 2.7 x10-3 Rs ε r Zo A 30π (b − t ) para Zo ε r < 120 αc = 0.16 Rs B bZo para Zo ε r > 120 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 (14) (15) (b) Fig. 5. Comparación de diversas líneas de transmisión de 50 Ohm a 50 GHz. (a) Constante de atenuación, α vs área. (b) Qo vs área. 41 �Líneas de transmisión para microondas en comunicaciones inalámbricas / Ignacio Llamas Garro El factor de calidad no cargado, Qo, definido en la sección anterior para un resonador de λ/2, puede ser obtenido mediante la siguiente expresión:2 QO = β 2α (18) En donde β es la constante de propagación,1 y es definida como β=2π/ λ. En la figura 5b se muestran los resultados para Qo en relación con el área de las líneas de transmisión. Los resultados de la figura 5 indican que las líneas de transmisión con menos pérdidas por área considerada son las líneas coaxiales. La línea coaxial redonda tiene menos pérdidas que el coaxial cuadrado porque tiene una distribución de corriente más uniforme en los conductores a comparación de la línea coaxial cuadrada.3 Sin embargo, la línea coaxial cuadrada presenta la oportunidad de ser fabricada en capas, facilitando su construcción. En la siguiente sección se ilustra un coaxial cuadrado fabricado en 5 capas. TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN Y ESTRUCTURAS DE LÍNEAS DE TRANSMISION PARA FRECUENCIAS MILIMÉTRICAS Conforme se incremente la frecuencia de diseño en circuitos de microondas, las dimensiones del circuito se reducen de manera inversamente proporcional a la frecuencia; también, la resistencia de superficie del conductor, aumenta en forma aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia. A frecuencias milimétricas, las tolerancias alcanzables en métodos de fabricación son de suma importancia. Se usa la tecnología de micro-maquinado o microtecnología, en la cual se emplean materiales con propiedades mecánicas adecuadas para la microfabricación. A continuación, se muestran distintas líneas de transmisión propuestas, así como una breve descripción del desempeño, dimensiones y de los materiales usados en cada una. Las pérdidas, en los siguientes ejemplos, serán dadas como el factor de calidad no cargado de un resonador de λ/2 a la frecuencia indicada para cada caso, excepto la estructura de la figura 12, la cual será considerada de manera distinta debido a su naturaleza física. El silicio es un material que presenta propiedades mecánicas muy adecuadas para el micro-maquinado, 42 y ha sido ampliamente explotado en líneas de transmisión de bajas pérdidas (ver figuras 6, 7 y 8). Aquí es muy importante la resistividad del silicio cuando se lo involucra como medio de propagación; el silicio de baja resistividad, (por ejemplo de 10 Ohm x cm) tiene muchas pérdidas y aún no se ha podido utilizar de manera efectiva en circuitos de microondas; sin embargo, el silicio de alta resistividad (por ejemplo de 1000 Ohm x cm) presenta bajas pérdidas pero un alto costo del material. Fig. 6. Microcinta invertida. Fig. 7. Microcinta sobre membrana. Fig. 8. Línea de transmisión coplanar. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Líneas de transmisión para microondas en comunicaciones inalámbricas / Ignacio Llamas Garro En la figura 6 se muestra una línea de transmisión hecha en silicio.8 Esta línea es llamada microcinta invertida debido a que tiene como medio de propagación principal el aire que está entre el dieléctrico y el conductor de tierra. El dieléctrico usado es BCB (Benzocyclobuteno), el cual sirve para reducir las pérdidas en la línea de transmisión, al evitar el contacto directo del conductor central con el silicio. Esta línea de transmisión presentó un factor de calidad no-cargado de Qo= 60, para el caso 1, en el cual hay una capa de silicio debajo del BCB, y un Qo= 110 cuando sólo se usó el BCB de dieléctrico, ambas líneas consideradas a 40 GHz. La estructura9 de la figura 7 ha sido ampliamente usada y ha mostrado un muy buen desempeño a frecuencias milimétricas; esto es porque el medio de propagación empleado es aire, evitándose así pérdidas por dieléctricos. Además la estructura está totalmente encerrada, evitando pérdidas por radiación. El silicio que está en contacto con la microonda es de alta resistividad, manteniendo pérdidas al mínimo en esa región; de acuerdo al diseño, el campo electromagnético está menos concentrado en esta región. Esta estructura presenta un Qo= 450, a 60 GHz. El conductor del centro está suspendido en una membrana. Las líneas coplanares tienen el campo electromagnético fuertemente concentrado entre los conductores; en la figura 8 se muestra una línea coplanar micro-maquinada,10 de manera que el material entre los conductores es removido, para reducir la dispersión y para minimizar las pérdidas por el semiconductor. Como resultado, la línea presenta menores pérdidas por conductor y dieléctrico, y tiene un Qo= 47. La misma línea de transmisión, sin el micro-maquinado, tiene un Qo= 33; ambas consideradas a 60 GHz. La estructura de la figura 9 tiene forma similar a la de la figura 7, pero aquí se ha usado una resina foto- sensitiva, SU-8, en lugar del silicio,11 la cual tiene menor costo; además, se emplean métodos de fabricación más sencillos que los usados con el silicio. Esta línea de transmisión tiene un Qo= 130 a 29 GHz. En la figura 10 la línea coplanar mostrada está hecha sobre una membrana de SU-8.12 Aquí se emplea vidrio como substrato para su fabricación y luego se remueve. Esta línea tiene un Qo= 120 cuando la estructura está totalmente encerrada por un conductor, y un Qo= 60 cuando está sin encerrar; ambas líneas son consideradas en la banda W (aproximadamente de 75-110 GHz). Fig. 10. Línea de transmisión coplanar sobre membrana. La línea de transmisión coplanar de la figura 11 usa la tecnología de micro-maquinado para elevar el conductor central de la línea,13 y así reducir las pérdidas por conductor y dieléctrico; asimismo, presenta un Qo= 36 a 50 GHz. Fig. 11. Línea de transmisión coplanar. Fig. 9. Microcinta sobre membrana. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 La estructura propuesta en la figura 12 es un coaxial suspendido en aire. Para poder suspender el centro del coaxial, en el diseño de la línea de transmisión, o circuito de microondas, se incluyen secciones de línea de transmisión en corto circuito desde el 43 �Líneas de transmisión para microondas en comunicaciones inalámbricas / Ignacio Llamas Garro Fig. 12. Línea coaxial suspendida. conductor interno del cable coaxial hacia el externo. Esta estructura ha sido propuesta y estudiada intensivamente en Llamas (Agosto-2003),3 en donde se han diseñado y fabricado líneas de transmisión suspendidas y filtros de microondas de esta estructura coaxial, maquinados con láser a altas frecuencias y maquinado convencional a bajas frecuencias. Esta línea de transmisión presenta un Qo= 750, calculado a partir de un resonador de un cuarto de longitud de onda en corto a 29.75 GHz. Una manera de fabricar esta línea14 consiste en usar SU-8 para hacer un molde removible y después, con tecnología de electro-formado, producir las capas de conductor que forman el coaxial; además, este método de fabricación presenta la oportunidad de usar metales de mayor conductividad que el oro, como son el cobre y la plata. El uso de SU-8 permite la fabricación de estructuras más complejas a comparación de las realizables en silicio. SOFTWARE EN EL DISEÑO DE CIRCUITOS DE MICROONDAS Las herramientas de software son sumamente importantes en el diseño de circuitos de microondas pues proporcionan al diseñador los medios para crear prototipos, los cuales posteriormente pueden ser fabricados y medidos en el laboratorio. Estas herramientas pueden ser desde el software para matemáticas común, como el Mathcad o Matlab hasta el software de dibujo, como el Autocad, Solidworks o 3D studio max. Para diseñar prototipos de circuitos de microondas existen simuladores electromagnéticos comercial- 44 mente disponibles. Estos simuladores se dividen en dos categorías. En primer lugar, los que sirven para hacer simulaciones planas; esto es, simulaciones de circuitos de microondas que se componen de capas planas encimadas, como es la microcinta o la línea coplanar. Ejemplos de estos son: 1) Sonnet software, 2) HP-EEsof, Momentum, 3) Applied wave research, Microwave Office, 4) Jansen Microwave, Unisym/ Sfpmic, 5) Ansoft, Ensemble. En segundo lugar, el otro tipo de simulador electromagnético comprende los que sirven para simular circuitos en 3D, como pueden ser las guías de onda o cables coaxiales, los que también sirven para simular circuitos planos. Ejemplos de estos simuladores son: 1) Ansoft, HFSS, 2) Zeland Software, IE3D, 3) QWED s.c., Quick Wave 3D, 4) CST Microwave studio. CONCLUSIÓN Las líneas de transmisión a frecuencias milimétricas requieren de métodos de fabricación que satisfagan las tolerancias necesarias a estas frecuencias. Estos métodos consisten en la micro-fabricación o el micro-maquinado. Las consideraciones en el diseño incluyen el tener bajas pérdidas y baja dispersión, para lo cual es ideal tener un medio de propagación en aire y una estructura totalmente encerrada. El diseñador de circuitos de microondas dispone de herramientas de software que permiten crear prototipos, incluyendo la simulación electromagnética, el cálculo matemático y los planos del diseño. AGRADECIMIENTOS Al Profesor Michael J. Lancaster en la Universidad de Birmingham, en el Reino Unido, quien fue el supervisor de tesis doctoral del autor. REFERENCIAS 1. C. W. Davidson, “Transmission lines for communications”, MacMillan Education Ltd, 1992. 2. D. M. Pozar, “Microwave engineering”, John Wiley and Sons Inc., 1998. 3. I. Llamas-Garro, “Micromachined microwave filters” Ph. D. Thesis, The University of Birmingham, UK. August 2003. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Líneas de transmisión de microondas en comunicaciones inalámbricas / Ignacio Llamas Garro 4. P. A. Rizzi, “Microwave engineering passive circuits”, Prentice Hall Inc. 1988. 5. K. H. Lau, “Loss calculations for rectangular coaxial lines” IEE proceedings, Vol. 135, pt. H, No. 3, pp. 207-209, June 1988. 6. S. Ramo, J. R. Whinnery and T. Van Duzer, “Fields and waves in communication electronics”, John Wiley and Sons Inc, 1984. 7. C. R. Paul, K. W. Whites and S. A. Nasar, “Introduction to electromagnetic fields”, McGraw Hill Co. 1998. 8. Kazuaki Takahashi, Ushio Sangawa, Suguru Fujita, Michiaki Matsuo, Takeharu Urabe, Hiroshi Ogura and Hiroyuki Yabuki, “Packaging using microelectromechanical technologies and planar components” IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 49, No. 11, pp. 20992104, November 2001. 9. Pierre Blondy, Andrew R. Brown, Dominique Cross and Gabriel M. Rebeiz, “Low loss micromachined filters for millimetre-wave telecommunication systems” IEEE MTT-S Digest, pp. 1181-1184, 1998. 10. Katherine Juliet Herrick, Thomas A. Schwartz and Linda P. B. Katehi, “Si-micromachined co- Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 planar waveguides for use in high-frequency circuits” IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 46, No. 6, pp 762-768, June 1998. 11. J. E. Harriss, L. W. Pearson, X. Wang, C. H. Barron and A. V. Pham, “Membrane-supported Ka band resonator employing organic micromachined packaging” IEEE MTT-S Digest, pp. 1225-1228, 2000. 12. Wai Y. Liu, D. Paul Steenson and Michael B. Steer, “Membrane-supported CPW with mounted active devices” IEEE Microwave and wireless components letters, Vol. 11, No. 4, April 2001. 13. Jae-Hyoung Park, Chang-Wook Baek, Sanghwa Jung, Hong-Teuk Kim, Youngwoo Kwon and Yong-Kweon Kim, “Novel micromachined coplanar waveguide transmission lines for application in millimetre-wave circuits” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39, Part 1, No. 12B, pp. 7120-7124, December 2000. 14. I. Llamas-Garro, K. Jiang, P. Jin, and M. J. Lancaster, “SU-8 microfabrication for a Ka band filter” 4th Workshop on MEMS for millimiterwave communications, LAAS-CNRS, Toulouse, France, pp. F55-F58, 2nd – 4th of July 2003. 45 �Remoción de metales pesados en aguas residuales mediante agentes químicos Eduardo Soto Regalado, Tomás Lozano Ramírez, Juan Manuel Barbarín Castillo, Mónica Alcalá Rodríguez Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Ciencias Químicas, UANL Teléfono: (81) 83 29 40 10, extensión 6280, fax extensión 6282 edsoto1962@yahoo.com.mx RESUMEN En este trabajo se presenta una alternativa para remover metales pesados de aguas residuales que genera la industria galvánica de la Cd. de Monterrey. De acuerdo a los análisis el agua contiene Cr +3, Fe +3, Zn +2 y Ni+2 , en cantidades que rebasan la norma mexicana. La experimentación se realizó utilizando un equipo de prueba de jarras. Se utilizaron cuatro coagulantes: Al2(SO4)3, FeSO4, Fe2(SO4)3 y FeCl3. Éste último mostró el mejor nivel de remoción de los metales estudiados así como una velocidad de sedimentación más rápida. También se encontró una relación entre el nivel de remoción con el tamaño de los flóculos. PALABRAS CLAVE Coagulante, flóculos, sedimentación, precipitación, remoción, rompimiento. ABSTRACT In this investigation we present an alternative for removal of heavy metals from wastewaters of a galvanic industry in Monterrey, Mexico. The analysis reveals that the wastewater contains Cr+3, Fe+3, Zn+2 and Ni+2, above the Mexican environmental standard. Four coagulants were used: Al2(SO4)3, FeSO4, Fe2(SO4)3 and FeCl3. FeCl3 showed the best removal capacity of the metals involved and the fastest sedimentation speed. We also found a relationship between removal level and the floc size distribution. KEYWORDS Coagulant, flocs, sedimentation, precipitation, removal, break-up. INTRODUCCIÓN Trazas de algunos metales tales como arsénico, cobalto, germanio, níquel, rubidio y vanadio juegan un importante papel en la vida de muchos organismos, no obstante que algunos metales son esenciales para la vida, un exceso de éstos pueden ser una amenaza para la salud humana y para el medio ambiente. El problema de la escasez de agua en cantidad y calidad es una preocupación mundial. Alrededor de 1,200 millones de personas todavía no tienen acceso al agua potable y 2,400 millones no tienen servicios sanitarios adecuados. Cada año 46 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Remoción de metales pesados en aguas residuales mediante agentes químicos / Eduardo Soto Regalado, et al mueren cerca de 2 millones de niños a causa de enfermedades ocasionadas por el agua. En los países más pobres, uno de cada cinco niños muere antes de los cinco años de edad, principalmente por enfermedades infecciosas relacionadas con el agua, producidas como consecuencia de la insuficiencia de ésta, tanto en cantidad como en calidad. En los últimos 10 años, las enfermedades diarréicas, que son el resultado de la falta de servicios adecuados de agua y saneamiento, han causado la muerte a un número de niños mayor que el total de las personas que han muerto como consecuencia de conflictos armados después de la Segunda Guerra Mundial. Un porcentaje de las industrias que actualmente se instalan en los países en vías de desarrollo no cumplen con las normas de vertimiento de los países de origen, las cuales son más rigurosas en general que las nuestras. Se sabe que estas tecnologías son contaminantes y requieren por lo tanto una vigilancia mayor de sus vertimientos y el control adecuado de sus plantas de tratamiento, ya que de otra forma crearían graves daños al entorno.1 Algunas industrias no tienen plantas de tratamiento, de esta forma el desastre es manifiesto. Cuando la industria posee tratamiento pero no funciona adecuadamente o no se tiene un control de sus vertimientos ocurren importantes afectaciones sobre las plantas municipales de tratamiento de residuales albañales. En este trabajo se presenta una alternativa para remover los metales pesados de las aguas residuales que genera la industria galvánica de la Cd. de Monterrey. De acuerdo a los análisis practicados el agua contiene Cromo, Zinc, Níquel y Fierro, en cantidades que rebasan por mucho la norma mexicana. Esta investigación representa una parte de un proyecto mayor, el cual consiste en la selección del mejor coagulante inorgánico para remover dichos metales pesados en un equipo de prueba de jarras así como el tiempo óptimo de agitación. Este trabajo difiere a los otros en que cuatro metales son utilizados al mismo tiempo en las disoluciones a tratar, la mayoría de los trabajos reportados en la literatura consideran uno o dos metales para sus respectivas remociones.2-5 El proceso de remoción se desarrolla mediante la insolubilización de los hidróxidos de los metales Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 citados, posteriormente se procede a la coagulación a fin de lograr una mejor separación de las fases sólidas y líquidas. Los criterios de selección del mejor coagulante son: el nivel de remoción de los metales y la mejor curva de sedimentación del precipitado generado. PARTE EXPERIMENTAL En la experimentación se utilizó un equipo de prueba de jarras, el cual cuenta con paletas de agitación y donde pueden colocarse los vasos de precipitados que contienen la muestra para el tratamiento, el equipo puede controlar de manera muy precisa las velocidades y tiempos de agitación (ver figura 1a). Se prepararon las disoluciones a tratar utilizando para esto cloruro de zinc, cloruro de níquel, cloruro férrico y cloruro de cromo (III) en agua desmineralizada y destilada; la composición química del agua fue 447 ppm de Cr+3, 200 ppm de Fe+3, 27 ppm de Ni+2 y 750 ppm de Zn+2 a un valor de pH=2.0, ya que este es el pH y la composición química del agua residual generada en la industria galvánica. Se utilizó una disolución madre concentrada a fin de (a) (b) Fig. 1. a) Equipo de jarras, b) Muestra de sedimentación. 47 �Remoción de metales pesados en aguas residuales mediante agentes químicos / Eduardo Soto Regalado, et al preparar las disoluciones con la concentración deseada, las corridas experimentales iniciaron con la adición de hidróxido de sodio para aumentar el pH de la disolución de trabajo hasta lograr un pH =10 mientras que se agitaba vigorosamente a 150 rpm, posteriormente se adicionó la sustancia coagulante: Sulfato de Aluminio, Cloruro Férrico, Sulfato Férrico y Sulfato Ferroso, los cuales se probaron cada uno por separado. En seguida se redujo la velocidad de agitación hasta 20 rpm y finalmente se neutralizó la disolución de nuevo hasta alcanzar un pH=10; la agitación lenta se realizó durante 10 minutos, se dejó sedimentar por espacio de 45 minutos y finalmente se separó el líquido de la fase sólida. El agua tratada se analizó utilizando el equipo de absorción atómica y las curvas de sedimentación se determinaron utilizando una escala métrica graduada en centímetros y milímetros (ver figura 1b), observando la altura de la separación de fases sólida y líquida en el tiempo. Las mediciones se realizaron durante 45 minutos totales hasta llegar a la etapa de compresión, sin embargo a partir de 10 minutos la fase sólida ya no disminuyó sustancialmente su altura, las mediciones se realizaron midiendo la interfase sólido-líquido desde el fondo del vaso. Se realizó además un análisis de los sedimentos generados mediante microscopía óptica a fin de estudiar la cinética de la floculación. Se tomaron 15 micrografías (fotografías) a bajos aumentos (40x) para cada diferente prueba en el equipo de jarras. Las 15 micrografías permitieron analizar al menos 1000 partículas para cada diferente muestra. El tamaño de los flóculos fue obtenido por análisis de imágenes en modo semi-automático. de pH óptimo para la remoción de metales tales como Zn, Cd, Mn, y Mg de aguas residuales utilizando la precipitación y coagulación.2 Los resultados del análisis del agua tratada obtenidos por medio de absorción atómica se presentan en la tabla I. Como puede verse el coagulante cloruro férrico muestran el mejor nivel de remoción de los metales estudiados. Tal como se ha mencionado en la parte experimental, la concentración de los iones Cr+3, Fe+3, Zn+2 y Ni+2 en el agua sin tratar fueron 447, 200, 750 y 27 ppm respectivamente. Después del tratamiento utilizando FeCl3 como coagulante, la concentración de estos iones llega a ser 0.25 ppm para el Cr+3, 0.37 ppm para el Fe+3, 0.80 para Zn+2 y menos de 0.20 ppm para el Ni+2. En general, la concentración en partes por millón (ppm) de los metales en el agua tratada fueron menores utilizando cloruro férrico y sulfato férrico. En esta investigación se hizo un estudio cuantitativo sobre el tamaño de los flóculos (coágulos) generados una vez terminada la agitación lenta para los diferentes coagulantes utilizados y se observó que para el caso del FeCl3 (el coagulante que mostró los mejores niveles de remoción de metales pesados del agua a tratar) que este daba una curva de distribución de tamaño de partícula más grande (coágulos más Tabla I. Resultados del análisis químico de las aguas tratadas realizado mediante absorción atómica. RESULTADOS Y DISCUSIÓN De acuerdo a la bibliografía consultada, la precipitación química asistida por sustancias coagulantes es ampliamente utilizada en Estados Unidos de América, las ventajas que se citan son: el equipamiento requerido no es sofisticado, los reactivos químicos utilizados son económicos y de fácil acceso, además no se requiere un operario con alto nivel de entrenamiento.6 En este tratamiento se utilizó la información sobre la solubilidad de los hidróxidos metálicos que se forman, ya que como es bien conocido, la solubilidad de éstos se ve afectada por el pH de la disolución.7 Se ha reportado el valor 48 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �(a) Remoción de metales pesados en aguas residuales mediante agentes químicos / Eduardo Soto Regalado, et al 12 grandes) en el sedimento. Con estos resultados se concluye que la remoción química de los metales pesados utilizados en este trabajo depende del tamaño de los flóculos formados. En la figura 2 se presentan muestras representativas de los precipitados para diferentes coagulantes utilizados (10 minutos de agitación en el equipo de pruebas de jarras). 11 h1=sulfatoferroso h2=sulfato férrico h3=cloruro férrico 10 h4=sulfato de aluminio 9 h1(cm) 8 h2(cm) h3(cm) 7 h4(cm) 6 (b) 5 4 3 0 5 10 15 20 25 30 t(min) Fig. 3. Curvas de sedimentación para las diferentes sustancias coagulantes. (a) (b) Fig. 2. Flóculos formados utilizando como coagulante: a) sulfato ferroso, b) cloruro férrico En la figura 3 se muestran las curvas de sedimentación, la cual muestra las distancias de la fase sólida a partir del fondo del recipiente en función del tiempo. A partir de estos resultados puede observarse que el sulfato de aluminio muestra una curva poco aceptable de sedimentación (sedimentación muy lenta del precipitado), para este coagulante la fase sólida está más alejada del fondo del vaso, lo cual no es aplicable a nivel industrial; las curvas de sedimentación del sulfato férrico y la del cloruro férrico son las que muestran un mejor comportamiento (sedimentación más rápida). Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 Las curvas de la rapidez con que la interfase sólida desciende, figura 3, se derivaron con respecto al tiempo una vez y se evaluó la velocidad de sedimentación en cada minuto. Mediante una técnica de análisis gráfico y un cambio a escala logarítmica en el tiempo, se determinó el punto de la curva de sedimentación en dónde la curva empieza a convertirse asintótica, a este punto se le denomina velocidad crítica de sedimentación.8 Con base en estos resultados obtenidos se determinó la velocidad inicial de sedimentación, y la velocidad crítica de sedimentación. Nuevamente el cloruro férrico muestra la más grande velocidad inicial de sedimentación y la más grande velocidad crítica de sedimentación. Esta última se alcanza en 8 minutos, es decir, en menor tiempo que para los otros tres coagulantes probados. En este trabajo también se estudió la cinética de floculación, para esto en el equipo de pruebas de jarras se tomó una muestra representativa del precipitado a cada minuto de agitación (tiempo de agitación total 10 minutos) para el análisis microscópico. En esta parte del estudio se utilizó solamente FeCl 3 como coagulante. La figura 4 presenta muestras representativas de los precipitados para los tiempos de agitación de 1, 3, 5, 7 y 10 minutos respectivamente. Para tiempos de 1 hasta 7 minutos de agitación se puede observar el crecimiento de los flóculos, sin embargo comparando micrografías entre 7 y 10 minutos de agitación se observa que a 10 minutos los flóculos son más pequeños que a 7 49 �Remoción de metales pesados en aguas residuales mediante agentes químicos / Eduardo Soto Regalado, et al a) d) b) e) Fig. 4. Micrografías representativas de los flóculos utilizando FeCl 3 como coagulante, a) 1 minuto de agitación, b) 3 minutos de agitación, c) 5 minutos de agitación, d) 7 minutos de agitación, e) 10 minutos de agitación. c) Tabla II. Resultados del análisis químico de las aguas tratadas realizado mediante absorción atómica utilizando FeCl3 como coagulante. FeC l3 co mo co agulante (7 mi nuto s) FeC l3 co mo co agulante (10 mi nuto s) Io n metáli co C i ni ci al (ppm) C fi nal (ppm) Io n metáli co C i ni ci al (ppm) C fi nal (ppm) C r+3 447 <0.20 C r+3 447 0.25 Fe+3 200 <0.20 Fe+3 200 0.37 Zn+2 750 0.25 Zn+2 750 0.80 Ni +2 27 <0.20 Ni +2 27 <0.20 50 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Remoción de metales pesados en aguas residuales mediante agentes químicos / Eduardo Soto Regalado, et al minutos de agitación, esto significa que probablemente un excesivo tiempo de agitación conduce a un rompimiento de los flóculos. El análisis químico de las aguas tratadas a 7 y 10 minutos de agitación es presentado en la tabla II. Los resultados muestran que a 7 minutos de agitación la remoción de los metales es ligeramente mejor que a 10 minutos, esto es, nuevamente que la remoción depende del tamaño de los flóculos en este estudio realizado. Con estos resultados previamente presentados se concluye que el tiempo óptimo de agitación es de 7 minutos utilizando FeCl 3 como coagulante. Con las condiciones de operación especificadas en la parte experimental en el equipo de jarras y un tiempo de agitación de 7 minutos se consiguió el mejor nivel de remoción de los metales estudiados. CONCLUSIÓN Los coagulantes cloruro férrico, sulfato férrico, sulfato ferroso y sulfato de aluminio fueron utilizados para la separación de metales pesados de aguas residuales. El coagulante cloruro férrico (FeCl3) mostró mejores resultados en cuanto a la remoción de iones Cr+3, Fe+3, Zn+2 y Ni+2 de aguas residuales, además da mejores resultados para la sedimentación de los precipitados, por lo cual sería un buen candidato para remover metales pesados de aguas residuales de la industria galvánica. Se encontró una relación entre el tamaño de los flóculos y el nivel de remoción de metales pesados. De acuerdo a los resultados de esta investigación el FeCl3 mostró los mejores resultados de remoción, además por microscopia óptica se observó que los flóculos (precipitados) fueron más grandes utilizando FeCl3 comparados éstos con los generados con sulfato férrico, sulfato ferroso y sulfato de aluminio. Igualmente, estudiando la cinética de floculación en el equipo de pruebas de jarras, se Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 encontró una relación entre el tamaño de los flóculos y nivel de remoción para FeCl 3 utilizado como coagulante y se determina que el tiempo óptimo de agitación deberá ser de 7 minutos para obtener los flóculos más grandes y el mejor nivel de remoción de los metales pesados. REFERENCIAS 1. Cumbre Mundial Sobre el Desarrollo Sostenible, Johannesburgo, Sudáfrica, 2002. 2. Charerntanyarak, Lertchai., Heavy metals removal by chemical coagulation and precipitation, Water Science and Technology 39 (10-11) 135–138, 1999. 3. Guillard Damien and Alison E. Lewis, Nickel Carbonate Precipitation in a Fluidized-Bed Reactor, Ing. Eng. Chem. Res. 40, 5564-5569, 2001. 4. Guillard Damien and Alison E. Lewis, Optimization of Nickel Hydroxycarbonate Precipitation Using a Laboratory Pellet Reactor, Ind. Eng. Chem. 41, 3110-3114, 2002. 5. Matlock Matthew M., Brock S. Howerton, and David A. Atwood, Chemical Precipitation of Lead from Lead Battery Recycling Plant Wastewater, Ind. Eng. Chem. 41, 1579-1582, 2002. 6. EPA, United States Environmental Protection Agency. Wastewater Technology Fact Sheet Chemical Precipitation, EPA 832-F-00-018, 2000. 7. Baltpurvins Karlis A., Robert C. Burns, and Geoffrey A. Lawrance. Use of the Solubility Domain Approach for the Modeling of Hydroxide Precipitation of Heavy Metals from Wastewater, Environ. Sci. Technol. 30, 1493-1499, (1996). 8. Foust A. S, L. A. Wenzel, C. W. Clump, L. Maus, L. B. Andersen. Principios de Operaciones Unitarias, Cía. Editorial Continental, Mexico, 1985. 51 �Minimización heurística del número de tareas tardías al secuenciar líneas de flujo María Angélica Salazar Aguilar, Roger Z. Ríos Mercado División de Posgrado en Ingeniería de Sistemas, FIME, UANL. angy@yalma.fime.uanl.mx roger@uanl.mx RESUMEN En este artículo se presenta una heurística (método de aproximación) que permite encontrar una secuencia de «n» tareas en un ambiente de líneas de flujo de «m» máquinas para el problema de minimizar el número de tareas que se entregan con retraso. Este procedimiento, basado en el algoritmo de Moore para problemas de una máquina, se evalúa y se compara computacionalmente contra un método que genera secuencias, sin tomar en cuenta la estructura del problema, en una variedad de problemas bajo dos escenarios distintos: fechas de entrega estrictas y no estrictas. Se observa que el procedimiento propuesto brinda mejores resultados en cuanto a la calidad de la solución encontrada. PALABRAS CLAVE Investigación de operaciones, problema de secuenciamiento, línea de flujo, tiempos de entrega, tareas tardías, heurística. ABSTRACT In this paper a heuristic for minimizing the number of late jobs in a flow shop environment is presented. The proposed procedure, based on Moore’s algorithm for single-machine problems, is implemented and empirically evaluated on a variety of problem instances under two different scenarios: tight and loose due dates. The heuristic was observed to deliver good-quality sequences. KEYWORDS Operations research, scheduling problem, flow shop, due dates, late jobs, heuristic. INTRODUCCIÓN La ciencia de la toma de decisiones o investigación de operaciones (IO) está presente en todos los niveles y en todo tipo de industrias. La IO permite llevar a cabo la toma de decisiones a través del análisis de la operación de cualquier sistema, la formulación y uso de modelos que permiten lograr los objetivos y metas propuestos, con un adecuado aprovechamiento de los recursos disponibles. Su ámbito de aplicación es muy amplio, aplicándose a problemas de fabricación, transporte, construcción, telecomunicaciones, planificación y gestión financiera, ciencias de la salud, servicio, etc. En general, puede aplicarse en todos los problemas relacionados a la gestión, planificación y diseño.1 52 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Minimización heurística del número de tareas... / María Angélica Salazar Aguilar, et al Un problema muy frecuente en sistemas de fabricación es el de secuenciamiento de tareas en líneas de flujo. Lo que se busca es secuenciar las tareas de tal forma que se aprovechen los recursos lo mejor posible y se cumpla con los objetivos propios del sistema. Existen diversos objetivos que pueden ser optimizados utilizando una secuencia óptima, como por ejemplo: • Cumplir con las fechas de entrega. • Minimizar la tardanza de los trabajos. • Minimizar el tiempo de respuesta. • Minimizar el tiempo en el sistema. • Minimizar horas extra. • Maximizar la utilización de máquinas y mano de obra. • Minimizar tiempo ocioso. • Minimizar inventario de trabajo en proceso. La investigación en el campo de secuenciamiento y programación de tareas (sequencing and scheduling) ha sido muy amplia. Un panorama excelente en el tema, incluyendo resultados de complejidad computacional, esquemas de optimización exacta y algoritmos de aproximación puede encontrarse en el trabajo de Lawler et al.2 Una adecuada programación de tareas permite el buen funcionamiento de cualquier sistema manteniendo la eficiencia y el control de las operaciones.3 En este trabajo se plantea el problema de encontrar una secuencia de n tareas en un ambiente de línea de flujo (flow shop) de m máquinas tal que minimice el número de tareas que se entregan tarde, denotado por ∑U j . Matemáticamente, el problema consiste en encontrar una permutación de las tareas que permita entregar el menor número de tareas tarde, el cual es un problema típico de secuenciamiento de tareas. Es importante que las tareas cumplan con los tiempos de entrega especificados, porque en la mayoría de los casos, la violación de estos tiempos implica una penalización (Uj). Para dar solución a este problema se realizó una modificación al algoritmo de Moore, el cual genera secuencias óptimas para problemas de n tareas en una máquina. El método fue implementado y evaluado computacionalmente en un amplio conjunto de instancias del problema. La experimentación computacional arrojó resultados que demuestran que este método es bueno, dado que los valores que adquiere la función objetivo (en la mayoría de los casos) son de mejor calidad que cuando se utiliza un método que ignora completamente la estructura del problema. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA En un ambiente de línea de flujo, se tiene un conjunto de n tareas que deben ser procesadas en un conjunto de m máquinas cada una. Cada tarea tiene el mismo orden de ruteo tecnológico a través de las máquinas, es decir, cada una de las tareas debe ser procesada primero en la máquina 1, luego en la máquina 2, y así sucesivamente hasta llegar a la máquina m. Se supone que cada tarea está disponible inicialmente y tiene asignada una fecha de entrega, además, la secuencia de tareas en cada máquina es la misma y cada máquina puede procesar una sola tarea a la vez. 4 Las secuencias se denominan técnicamente secuencias de permutación. El tiempo de procesamiento de la tarea j en la máquina i se denota por pij. El tiempo de entrega de la tarea j se denota por dj. El tiempo en que una tarea existe en el sistema (es decir, el tiempo de terminación de la tarea en la última máquina en la cual requiere ser procesada) es una variable que se denota por Cj. La unidad de penalización (variable) de la tarea j se define como: ⎧1 si C j > d j Uj =⎨ ⎩0 si C j ≤ d j Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 53 �Minimización heurística del número de tareas... / María Angélica Salazar Aguilar, et al tarea sea entregada a tiempo. Si excede, entonces se considera la penalidad (Uj). En este ejemplo, los valores que toma la variable Cj son: C = (28,35,25,21). Comparando Cj con dj la función objetivo obtiene el siguiente valor: Las restricciones tecnológicas del sistema consisten en que una máquina no puede procesar más de una tarea a la vez. El objetivo es encontrar una secuencia de n tareas que permita minimizar el número de tareas que se entregan tarde. La función que se desea minimizar se conoce como función objetivo. Entonces, la función objetivo se representa como 4 ∑U j =1 n min∑U j Una forma de representar los problemas de secuenciamiento es un diagrama de Gantt, el cual muestra las actividades planeadas y completadas contra la escala de tiempo. Ejemplo: Un sistema de 3x4, 3 máquinas y 4 trabajos. Los tiempos de procesamiento (pij) son los siguientes: MÉTODO DE SOLUCIÓN Para dar solución al problema planteado se realizó una modificación al algoritmo de Moore,5 el cual genera secuencias óptimas pero sólo se aplica a problemas de n tareas en una máquina. La modificación que se realizó permite encontrar una secuencia de n tareas que deben ser procesadas en m máquinas de tal forma que reduce el número de tareas tardías. Sea J el conjunto de tareas que cumplen con los tiempos de entrega. Sea Jd el conjunto de tareas que no cumplen con las fechas de entrega. Sea Jc el conjunto de las tareas que no se han secuenciado en la programación de tareas. Los tiempos de entrega son: d = (25,40,20,21). Considere la secuencia: S = (T4,T3,T1,T2). La figura 1, muestra la representación del problema utilizando un diagrama de Gantt. Como puede observarse, el procesamiento de las tareas respeta la secuencia dada con sus respectivos tiempos de procesamiento. Lo que se busca es encontrar una secuencia que permita entregar a tiempo el mayor número de tareas. Es decir, que Cj no exceda a dj, para que la T3 T4 M2 T1 Algoritmo de Moore Modificado (AMM) Paso 1: J=∅, Jd =∅, Jc={1, 2, 3, …, n} T2 T4 T3 7 12 16 T2 T1 T4 M3 t=0 =2 El valor de la función objetivo indica que se entregan dos tareas tarde, en este caso las tareas 2 y 3. Para minimizar este número, habría que encontrar una secuencia que permita optimizar esta función objetivo (es decir, entregar el menor número de tareas tarde). j =1 M1 j 18 19 21 T3 T1 25 T2 28 32 35 Cj Fig. 1. Diagrama de Gantt. 54 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Minimización heurística del número de tareas... / María Angélica Salazar Aguilar, et al Paso 2: j* es el índice de la tarea jÎ Jc que satisface dj* = min{dj : jÎ Jc } Agregar j* a J Eliminar j* de Jc Paso 3: Si Cj* ≤ dj* entonces, Ir al Paso 4. Si no Eliminar j* de J Agregar j* a Jd Paso 4: Si Jd=∅ entonces terminar. Si no Ir al Paso 2. ≤ Al final la secuencia obtenida está formada por J y Jd. Las primeras en ser procesadas son las de J, después las de Jd. En la ejecución del algoritmo, nótese lo siguiente. Al seleccionar la tarea j* en el paso 2, el cálculo de Cj* se efectúa de forma recursiva calculando parcialmente Cij (tiempo de terminación de la tarea j* en la máquina i) para i=1, 2, ..., m. Este último valor Cmj* es precisamente Cj*, el cual representa tentativamente la terminación de la tarea j*. En el paso 3 se verifica la condición de permanencia (Cj* ≤ dj*), si la cumple, la tarea se queda, en caso contrario, se “desprograma” y la secuencia parcial queda tal y como estaba hasta antes de probar esta tarea j*. Este método es una buena alternativa para encontrar secuencias aceptables, sobre todo en problemas de dimensiones relativamente pequeñas. Recordemos que el algoritmo que Moore planteó genera secuencias óptimas para problemas de n tareas en una máquina. Naturalmente, este método no garantiza soluciones óptimas al problema de líneas de flujo en m máquinas; sin embargo intenta aprovechar la idea de Moore para generar secuencias de buena calidad. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 EXPERIMENTACIÓN COMPUTACIONAL El propósito del experimento es el de evaluar la efectividad del AMM. Los resultados obtenidos se comparan con los que se obtienen al considerar una secuencia generada por un método aleatorio (MA). El AMM se programó en lenguaje C usando el compilador gcc bajo el sistema operativo Solaris 7 en una estación de trabajo Sun Ultra 10. Para llevar a cabo el experimento computacional, se consideraron dos escenarios del problema: un escenario estricto (con tiempos de entrega menores) y uno menos estricto (con tiempos de entrega mayores), con el fin de tener diversos puntos de comparación. Además se generaron 10 diferentes instancias para cada uno de éstos. Las instancias en el escenario estricto se generaron aleatoriamente de acuerdo a lo siguiente: pij∈[1,30], por lo que pmax=30, dj∈[1,1.2d], donde d=0.5pmax(m+n-1). Las instancias en el escenario menos estricto se generaron aleatoriamente considerando lo siguiente: pij∈[1,30], por lo que pmax=30, dj∈[1,1.7d], donde d=0.5pmax(m+n-1). Las tablas I y II muestran los resultados que se obtuvieron al probar computacionalmente el AMM con 10 instancias del problema con cada una de las dimensiones que se indican en la primera columna. La segunda columna (MA) indica cuántas veces de 10 la secuencia aleatoria arrojó mejores resultados que la secuencia generada por el AMM. La tercer columna (Empate) indica el número de veces que el MA y el AMM arrojaron los mismos resultados, es decir, la función objetivo tomó el mismo valor sin importar el método utilizado. La cuarta columna (AMM), indica cuántas veces de 10 la secuencia generada por el AMM arrojó mejores resultados que la secuencia generada por el MA. La quinta y sexta columna indican el número de veces que cada método encontró una mejor solución usando como función objetivo el tiempo de terminación de la última tarea procesada en el sistema Cmax (makespan). Esto es desde luego un objetivo diferente y se llevó a cabo para ilustrar que el método de solución debe tomar en cuenta el objetivo del problema. Las gráficas, con los resultados de cada experimento de forma detallada se encuentran disponibles por parte de los autores. Como puede observarse, en la mayoría de los resultados obtenidos, 55 �Minimización heurística del número de tareas... / María Angélica Salazar Aguilar, et al Tabla I. Resultados obtenidos al probar el AMM bajo las condiciones de un escenario estricto. ΣUi ΣU i el AMM arroja mejores valores para la función objetivo que los que se producen con la secuencia generada de forma aleatoria, el cual asemeja una práctica común en la industria, ya que se secuencian tareas sin tener un conocimiento de la estructura del problema. En el escenario menos estricto, la diferencia es más notoria. Esto se debe a que los tiempos de entrega asociados a las tareas son mayores, por lo que la probabilidad de que las tareas cumplan con sus tiempos de entrega es mayor. En el escenario estricto se puede apreciar que la mejora se presenta en los problemas que utilizan un número menor de máquinas, esto se debe a que el AMM se basa en un método que se aplica sólo a problemas de una máquina. Las limitaciones que presenta el AMM se deben a que este algoritmo realiza cambios en la programación de tareas considerando sólo la última tarea seleccionada, es decir, no considera las tareas que fueron tomadas en cuenta con anterioridad en la programación de tareas, algo que el algoritmo de Moore si hace en el caso de una máquina. Es por eso que la secuencia generada no es una secuencia óptima. Si para generar la secuencia se tomara en cuenta las tareas ya consideradas en la programación de tareas, el tiempo de utilización de CPU sería mayor, ya que se requeriría de un número mayor de operacio- 56 Tabla II. Resultados obtenidos al probar el AMM bajo las condiciones de un escenario menos estricto. ΣU ΣUi i nes para reprogramar las tareas. Sin embargo, puede valer la pena si la mejora en el objetivo resultara significativa. Nótese que, si bien es cierto que el AMM genera secuencias que reducen el número de tareas tardías, esto no implica que la secuencia minimice el tiempo de terminación de la última tarea (Cmax). Lo anterior demuestra que el objetivo que se desea optimizar en cualquier sistema debe ser planteado de forma precisa, para que los resultados obtenidos impacten en el rendimiento del mismo, mejorando la medida de desempeño que se desee optimizar. Las figuras 2 y 3 muestran el número promedio de tareas tardías que se generó al experimentar computacionalmente con el AMM y el MA. El eje x corresponde a las dimensiones del problema. Recuérdese que se analizaron 10 para cada una de éstas. Los resultados de la figura 1 corresponden a las instancias que se generaron bajo las condiciones de un escenario estricto. Los resultados de la figura 2 corresponden a las instancias que se generaron bajo las condiciones de un escenario menos estricto. CONCLUSIONES En este trabajo se ha presentado el AMM para el problema de minimización del número de tareas tardías Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Minimización heurística del número de tareas... / María Angélica Salazar Aguilar, et al 60 MA 40 AMM 20 0 2x 50 2x 10 0 2x 50 0 10 x5 0 10 x1 0 10 0 x5 00 20 x5 20 0 x1 0 20 0 x5 00 Promedio Tareas Tardías Escenario Menos Estricto 80 Problemas Fig. 2. Número promedio de tareas tardías, en un escenario estricto. Promedio Tareas Tardías Escenario Estricto 400 300 200 100 0 MA AMM 2x50 2x100 2x500 10x50 10x100 10x500 20x50 20x100 20x500 tiempos de entrega establecidos, esto no implica que el valor de la función objetivo se minimice, simplemente se reduce el tiempo de retraso. Las limitaciones que presenta el AMM se deben a que este algoritmo realiza cambios en la programación de tareas considerando sólo la ultima tarea seleccionada, es decir, no considera las tareas que fueron tomadas en cuenta con anterioridad en la programación de tareas, algo que el algoritmo de Moore sí hace para el caso de una máquina. Por lo anterior, la secuencia generada no es una secuencia óptima. Si para generar la secuencia se tomaran en cuenta las tareas ya consideradas en la programación de tareas, el tiempo de utilización de CPU sería mayor, ya que se requeriría de un número mayor de operaciones para reprogramar las tareas. Sin embargo, puede valer la pena si la mejora en el objetivo resultara significativa. Problemas Fig. 3. Número de promedio de tareas tardías, en un escenario menos estricto. en un problema de secuenciamiento de líneas de flujo. Este método pretende encontrar secuencias aceptables que permitan encontrar una solución de mejor calidad que la que se encontraría utilizando una secuencia aleatoria. El estudio computacional reveló que: • La calidad de los resultados obtenidos con el AMM es bastante buena, lo cual se puede ver reflejado en los valores obtenidos en la función objetivo. • Los resultados obtenidos dependen de la medida de desempeño que se desee optimizar. Se pudo observar que al minimizar el número de tareas tardías no necesariamente se obtiene un valor mínimo en el tiempo de terminación de la última tarea. • Este procedimiento arroja buenos resultados, aunque requiere mayor tiempo de utilización de CPU que cuando se genera una secuencia aleatoria. Una posible mejora sería ordenar las tareas que se entregan tarde en orden ascendente, para que los tiempos de terminación no difieran tanto de los Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue apoyado por una beca otorgada por la Academia Mexicana de Ciencias, dentro del XIII Verano de Investigación Científica. REFERENCIAS 1. F. Hillier y G. J. Lieberman. Introducción a la Investigación de Operaciones. 3ra. Edición, Mc Graw Hill, México, 1982. 2. E. L. Lawler, J. K. Lenstra, A. H. G. Rinnooy Kan y D. Shmoys. Sequencing and scheduling: Algorithms and complexity. En S. S. Graves, A. H. G. Rinnooy Kan y P. Zipkin, editores, Handbook in Operations Research and Management Science, Vol. 4: Logistics of Production and Inventory, 445-522. NorthHolland, New York, EUA, 1993. 3. M. Pinedo. Scheduling: Theory, Algorithms, and Systems. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, EUA, 1995. 4. R. Z. Ríos y J. F. Bard. Heurísticas para secuenciamiento de tareas en líneas de flujo. Ciencia UANL, 4(1):48-54, 2001. 5. J. M. Moore. An n job, one machine sequencing algorithm for minimizing the number of late jobs. Management Science, 5:102-109, 1968. 57 �¿Qué sabían de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte II D.M.K. de Grinberg Sección de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, UNAM krasnop@servidor.unam.mx krasno@att.net mx En el número 22 de INGENIERÍAS se publicó la Parte I de este artículo. 58 ELABORACIÓN DE OBJETOS POR FORMADO CON ALGÚN MÉTODO MECÁNICO La propiedad más llamativa de los metales y que más ha contribuido al desarrollo de la humanidad, es que se les puede dar forma por alguno de los procedimientos mecánicos de uso frecuente. Esta propiedad se denomina ductilidad. Parece que el martillado, por ser una técnica de la edad de piedra, fue utilizada antes que la fundición. Sin embargo, los objetos que se pueden hacer por martillado no son variados. Por él se puede convertir una pepita de oro o un trozo de cobre nativo en una lámina. El oro tiene la característica de no requerir fundir varias pepitas juntas para fabricar una lámina grande, sino que basta con martillarlas juntas para que se “suelden”. Esto también sucede con el platino, pero no con la plata y el cobre. Pensamos que ésta fue una de las razones por las que el oro fue el primer metal trabajado por el hombre. Existen varios procedimientos distintos para dar forma a los metales: Un metal puede ser extrudado si se lo introduce dentro de un tubo y se le aplica una presión que lo haga pasar a través de un agujero de salida que le da forma determinada, de manera similar a como se fabrican los churros. Sin embargo, pese a lo simple del método, no hay pruebas de que existiera la extrusión, y esta es una técnica mucho más moderna, debido posiblemente a la dificultad de aplicar grandes presiones. Existe otra manera de cambiar la forma de un metal y es hacerlo pasar a través de agujeros. Los agujeros individuales, de diámetro cada vez menor, son horadados sobre una placa. Así, tanto cada agujero como la placa recibe el nombre de trefila. Para trefilar se parte de una barra que tenga un diámetro próximo al tamaño del agujero más grande, se la afina en un extremo, se pasa dicho extremo a través del agujero más grande y se jala por el otro lado, de manera de obligar al metal a pasar por él y reducir su diámetro. Como el volumen se mantiene constante, dicha disminución de sección irá acompañada por un aumento de longitud. Esto nos permite convertir la barra en un alambre. Si bien es posible obtener alambre por martillado, golpeando el metal con un mazo y girándolo después de varios golpes, si el alambre es largo no es fácil que la sección se mantenga constante. La fabricación de alambres metálicos que Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �¿Qué sabían de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte II / D.M.K. de Grinberg tengan sección uniforme se obtiene más fácilmente empleando trefilas. Pese a que no está confirmada la existencias de trefilas en Mesoamérica, creemos que una vez adquiridas las técnicas de horadar y afilar piedras, en el período lítico, no debe haber sido difícil para aquellos hombres perforar una piedra dura, formando una trefila. Quizás algunas de las cuentas de piedra horadadas que se encuentran en los museos podrían haber sido empleadas para fabricar alambres. Nuestros estudios de alambres de Ag-Cu provenientes de Tzin-Tzun-Tzan21 prueban que estos fueron fabricados por martillado. Desde luego, disponiendo de alambres obtenidos por martillado o por trefilación, el aborigen de América pudo fabricar anzuelos, alfileres, agujas, etc. Otra propiedad importante que tienen los metales y que fue utilizada desde el comienzo de la metalurgia es que los metales endurecen por martillado en frío. Si en la elaboración de un hacha partimos de una barra rectangular obtenida por fundición y se le martilla un extremo para producir el filo, se puede comprobar que el metal, en particular si es cobre, endurece. Esto produce un filo agudo y resistente al desgaste. En cambio, si tratamos de aplicar el mismo procedimiento al oro, veremos que este metal no endurece por martillado en frío. Esta puede ser la razón de que los indígenas colombianos agregaban cobre al oro, cuando fabricaban sus armas y herramientas, como fue descrito ampliamente por los conquistadores.22 El endurecimiento del metal por martillado puede ser eliminado por un calentamiento a bajas temperaturas que recibe el nombre de recocido. En la figura 2 se ve que sobre el horno de reducción se han colocado varias herramientas a recocer. Es importante señalar que cuando se martilla un metal en frío, este se vuelve más duro hasta que suceden dos cosas: 1) La fuerza del orfebre que martilla en frío no es suficiente para seguir deformando la lámina. 2) La lámina comienza a romperse, formando fisuras a partir de los bordes. Cualquiera de estas circunstancias es un problema que, sin embargo, tiene varias soluciones: a) En lugar de martillar el metal en frío es conveniente calentarlo y comenzarlo a golpear hasta Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 que se vuelve a enfriar y sea necesario calentarlo nuevamente. Este proceso, llamado de deformación en caliente, es empleado en la industria moderna y fue conocido por los antiguos aborígenes de Mesoamérica, como hemos probado en varios alambres tarascos que estudiamos.19 b) Se puede martillar en frío y, antes de que se formen las fisuras en los bordes, se calienta el metal. Luego se puede seguir martillando en frío otro poco y cuando el metal endurezca, volverlo a calentar. Este procedimiento, llamado recocido intermedio, también es utilizado en la metalurgia moderna cuando se trefila alambre. Hemos comprobado que los tarascos lo utilizaban también en la fabricación de alambres.14 Debemos hacer la aclaración de que el oro también endurece un poco por martillado pero su temperatura de recocido se encuentra en la proximidad de la temperatura ambiente y, tan pronto como endurece, se recuece espontáneamente. Por martillado también es posible obtener recipientes, tales como vasos o vasijas cóncavas. Para ello, se martilla con un mazo la lámina sobre un soporte que puede ser un tronco duro, de superficie muy lisa, hasta que la lámina, luego de golpearla y rotarla repetidas veces, va tomando la forma que se desee. Cuando los españoles llegaron a Tenochtitlan les llamó la atención que Moctezuma usara vasos, platos y cajetes de oro,15 lo que los llevó a una idea equivocada de la cantidad de oro que había en México. Si hubieran sabido metalurgia, se habrían dado cuenta que los vasos los hacían de oro porque éste es muy fácil de deformar y no requiere recocidos intermedios de ablandamiento para seguir deformándolo hasta convertirlo en un vaso. Si hubieran querido hacerlo con cobre, éste necesitaría de infinidad de recocidos intermedios y, como el cobre se oxida durante el calentamiento al aire, el resultado final sería desastroso: los vasos se destruirían durante la fabricación. Hemos estudiado algunas pequeñas 59 �¿Qué sabían de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte II / D.M.K. de Grinberg vasijas de cobre y anillos sencillos planos, provenientes de Toniná, Chiapas23 que están fabricados no por la técnica de martillado como sería de esperar debido a lo simple de las formas, sino por fundición. Lo anterior nos hace pensar que no todas las culturas de Mesoamérica dominaban el martillado de los metales con recocidos intermedios. Las láminas, especialmente las de oro, fueron empleadas en Mesoamérica como recubrimiento en objetos de madera y de cerámica,24 con una técnica muy similar a la que emplearon los egipcios: para ello adelgazaban las láminas de oro hasta convertirlas en hojas y aplicaban un pegamento sobre la superficie a recubrir, ya que disponían de numerosos tipos de pegamentos vegetales25, por último extendían con cuidado la lámina sobre el objeto. La observación de una mascarilla ritual de madera con recubrimiento de lámina de oro, existente en el Field Museum of Natural History de Chicago, y adjudicada a la cultura mixteca (Ada Turnbull Hertle Fund 1965.782, c. 1300-1400 a.D.) muestra que la lámina de oro fue pegada sobre la madera con chapopote. Sahagún describe,26 con todo detalle cómo estaba organizado un taller metalúrgico en la zona de Azcapotzalco, en donde vivían los fundidores y batihojas de Moctezuma, y cómo estaba distribuido el trabajo. Luego de obtenidas, las láminas eran recortadas, aparentemente con buriles de piedra en la primeras etapas del desarrollo tecnológico, para darles la forma deseada. En la etapa posterior, en la Edad del Bronce, se desarrollaron buriles o cortadores de este metal, de lo que hay pruebas en todas las colecciones americanas. Luego de recortada se procedía a decorar la pieza en bajo relieve o simplemente siguiendo un dibujo hecho sobre la lámina por medio de un instrumento cortante, generalmente de piedra. Por los relatos de los comentaristas que llegaron a Mesoamerica, en el caso particular de México, los artistas que se dedicaban al arte plumario, tan apreciados por los aztecas, estaban en íntima relación con los orfebres y, según Sahagún,27 eran ellos los que diseñaban los dibujos para las joyas que luego los orfebres grabarían. Esta relación entre los orfebres 60 Fig. 7. Lámina 53 del Códice Florentino. y los trabajadores de la pluma es referida por Sahagún de la siguiente manera: “32. Antaño los batihojas solamente se dedicaban a batir el metal fino; lo hacían maleable, lo adelgazaban muy bien y lo pintaban con rayas negras” (Figura 7). “33. En primer lugar, les escribían (el objeto) los trabajadores de pluma, luego ellos lo dibujaban con un pedernal; iban siguiendo el contorno de la línea negra, de modo que quedara escrito y dibujado con el pedernal; le hacen realces para que quede tal como es el modelo”. “34. Ahora, en donde se necesita su obra, ya sea de pintura de plumas, ya sea de artefacto de plumas, se requiere que se les asocien y se les enseñe a los aurífices los artistas de la pluma. De esta manera labran todo lo que quieren unidos a los de arte plumaria. (Figura 8) El operario que se dedicaba al martilleo de los metales recibía el nombre nahuatl de cequin moteneua tlalzolzonque equivalente al nombre en castellano de amajador o batihojas, mientras que el grabador era llamado tlacuiloua y el engarzador tlatlanime. Esto hace pensar que, dada la diferenciación del trabajo, debía existir toda una organización en los talleres metalúrgicos. Desgraciadamente, no ha alcanzado la luz, hasta ahora, ningún taller metalúrgico prehispánico, aunque sabemos por fuentes históri- Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �¿Qué sabían de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte II / D.M.K. de Grinberg “3 - Y otros se llaman ajustadores. Estos precisamente se llaman artistas.” Fig. 8. Lámina 54 del Códice Florentino. cas,28 que los orfebres del rey vivían en Azcapotzalco. Por Sahagún sabemos cómo se distribuía el trabajo: “1. En este capítulo se comienza a tratar de los oficiales que labran oro y plata: los oficiales que labran oro son de dos maneras, unos de ellos se llaman martilladores amajadores, porque éstos labran oro de martillo, majando el oro con piedras o martillos, para hacerlo delgado como papel; otros se llaman tlalianime, que quiere decir, que asientan el oro en alguna cosa o en la plata; estos son verdaderos oficiales que por nombre se llaman tolteca; pero están divididos en dos partes, porque labran el oro cada uno a su manera”. En las adiciones al libro nono29 continua Sahagún con el tema: “Aquí se divulga la relación de cuantos artífices: los que se llaman toltecas (labradores), amanteca (plumarios), tecuitlahuaque (gente que trata los metales finos de oro y plata), tlateque (cortadores de piedras en general) y chalchiuhtlateque (gematista).” “1 - Los primeramente mencionados son los que tienen que ver con el oro fino, los fundidores de él. Y de los labradores de oro y plata son diversos los oficios y se dividen y reparten sus artes y hechuras.” “2 - Unos se nombran batihojas. Estos no tienen más oficio para con él, que batir el metal fino, adelgazarlo, con piedras extenderlo donde sea necesario, y laminarlos y adelgazarlos.” Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 LA ELABORACIÓN DE OBJETOS METÁLICOS POR FUSIÓN Y COLADO (FUNDICIÓN) Hasta aquí la metalurgia emplea los instrumentos de la lítica. La fundición en cambio tiene su raíz en la cerámica. Si el metal se calienta en el interior de un recipiente, muy parecido a un vaso, llamado crisol, al alcanzar una cierta temperatura, que es diferente según el metal en cuestión, éste se licúa. La temperatura a la que esto sucede se llama temperatura de fusión del metal. En los procesos de fundición se requiere otro tipo de herramientas que las empleadas en la deformación. Para fundir es indispensable disponer de un crisol en cuyo interior se coloque el metal a fundir, sea este metal nativo u obtenido por reducción de los minerales o varios metales juntos. En Mesoamérica se empleaban crisoles fabricados con troncos de carbón de leña horadados, y ésta podría ser la razón por la que no han aparecido crisoles durante las excavaciones: los crisoles se irían destruyendo durante repetidos usos. En Sudamérica, en cambio, los crisoles eran de cerámica y su forma era tronco-cónica. Una vez que se tenía fundido el metal era necesario colarlo (verterlo) en un molde. Esto fue, sin lugar a dudas, un problema para los fundidores. Sería necesario encontrar la manera de inclinar el crisol o de cogerlo para verter su contenido. Es evidente que no podrían tomarlo con las manos y no hay evidencia que se utilizaran pinzas de metal, como se hacía en Egipto y Grecia,30 y se hace actualmente. Las distintas civilizaciones metalúrgicas del mundo emplearon en sus inicios distintos procedimientos, fruto de su ingenio: los egipcios cogían el crisol, que tenía forma de una vasija cóncava, entre dos fundidores por medio de dos ramas verdes, una por encima y otra por debajo, y de esta manera lo transportaban por encima de los moldes y vertían el metal fundido inclinándolo sobre ellos. En otras regiones de Asia, el crisol tenía un tipo de manguillo agujereado que permitía introducir en él un palo y moverlo de la misma manera que se hace con una sartén. Otra 61 �¿Qué sabían de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte II / D.M.K. de Grinberg demostración del ingenio europeo fue hacer los crisoles con su base esférica de manera que, empleando un palo en forma de mango de paraguas, se inclinara el crisol para verter el contenido. La mayoría de los crisoles sudamericanos son tronco-cónicos31 pero no se han encontrado dibujos ni descripciones coloniales de cómo los manejaban. En el caso de Mesoamérica pensamos que es posible que los crisoles tuvieran un mango como los sahumerios, aunque no se han reconocido ejemplos durante las excavaciones y estamos esperando que los arqueólogos nos den respuestas a estas incógnitas. La ausencia de herramientas de fundición hace pensar que se emplearía un procedimiento similar al que utilizaban los egipcios. Si vertemos el metal líquido o fundido en un molde, dicho metal tiene la propiedad de llenar el molde y tomar como forma exterior, la forma interior del molde. En definitiva, un molde no es otra cosa que un recipiente fabricado de un material que no sea fácilmente destruido por el calor. En algunos lugares de Sudamérica se encontraron moldes de cerámica separables en varias partes, mientras que en Mesoamérica no han aparecido moldes ni fragmentos de ellos. Esto se explica con base en lo que dice Sahagún. Sahagún en las adiciones al libro nono,31 hace una cuidadosa descripción de las técnicas de fabricación de los moldes y de la colada del metal, empleadas por los aztecas. Transcribimos su descripción: ”De la manera de labrar de los plateros” “1 - Aquí se declara en qué manera hacían algo los fundidores de metales preciosos”. “2 - Con carbón, con cera diseñaban, dibujaban algo, con lo que fundían metal precioso, sea amarillo, sea blanco”. “3 - Con esto daban principio a su arte. Primeramente el que presidía les repartía carbón. Primero lo muelen bien, lo hacen polvo, se lo reduce a menudo polvo”. Figura 9. “4 - Y ya que lo han molido, luego lo juntan, lo mezclan con un poco de lodo de ollero, el que es pegajoso, con el que hacen las ollas. Con esto desaparece, desbasta, hace pegajoso al carbón, con esto se endurece, se adelgaza”. 62 Fig. 9. Lámina 41 del Códice Florentino. “5 - Y cuando lo han acabado, de igual manera hacen laminillas, las tienden al sol, y otras laminillas hacen de semejante manera que ponen al sol”. “6 - En dos días se secan, se resecan, se enjutan, se endurecen. Cuando se ha secado bien, que se ha endurecido, luego se graba, se moldea el carbón con una navajita de metal”. Figura10. “7 – Si se comienza la figura de un ser vivo, de un animal, se graba, no más se sigue la semejanza, se imita lo vivo, para que de ello salga lo que se quiere hacer” “8 – Supóngase que es un huasteco, un vecino, tiene su nariguera, su nariz perforada, su flecha en la cara, su cuerpo pintado con navajitas de obsidiana (tatuado); enteramente así se dispone el carbón al irse raspando, al irlo labrando cuidadosamente”. “9 - Se toma cualquier cosa que se trata de ejecutar: como es su natural y su apariencia se dispondrá”. Fig. 10. Lámina 42 del Códice Florentino. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �¿Qué sabían de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte II / D.M.K. de Grinberg “10 – Sea (verbigracia) una tortuga: exactamente así se dispone el carbón: su caparazón con que se irá moviendo, su cabeza que sale de dentro de él, que se mueve, su pescuezo y sus manos, como las está extendiendo”. “11 – O sea un pájaro el que va a salir del oro; enteramente así se tallará, así se raspará el carbón: de modo que adquiera sus plumas, sus alas, su cola, sus patas”. “12 – O sea un pescado que se va a hacer: enteramente así se raspará el carbón: adquiere sus escamas, sus aletas, así se acaban. Y así está parada su cola bifurcada”. “13 – O bien, se ha de hacer una langosta acuática, o una lagartija, se le ponen las manos, sus patas (en esta forma) se labra el carbón. Cualquier cosa que se ensaye hacer, un animalito o un collar de oro que se ha de producir, con cuentas como semillas, con campanitas al borde, cosa de artificio, engalanada de flores”. Figura 11. Fig. 12 – Lámina 46 del Códice Florentino. “15 – Y cuando ya está lista la cera, luego en una laja se adelgaza, se hace lámina con un rodillo de madera. Esa piedra laja es muy lisa, sumamente lisa en la cual se adelgaza y lamina (la cera)”. Figura 13. “16 – Y cuando se ha adelgazado bien, como una telaraña, que ya no tiene grumos ni bolillas en parte alguna, luego se pone en el carbón, se extiende sobre la superficie; pero no se pone sin cuidado, sino Fig. 11 - Lámina 45, del Códice Florentino. “14 – Cuando se acaba de grabar el carbón, cuando se ha esculpido, luego se hierve la cera, mézclase con incienso blanco de la tierra (copal), con lo cual endurece bien. En seguida se purifica, se tamiza, para que con esto caiga la suciedad, su tierra, su lodo de la cera”. Figura 12. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 Fig. 13 – Lámina 47 del Códice Florentino. 63 �¿Qué sabían de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte II / D.M.K. de Grinberg que con tino poco a poquito se va cortando, se va despedazando, de modo que entre en los huecos, se pone en las estrías, en las cavidades y entradas, se embute donde se ha labrado el carbón; con un palito se va pegando”. “17 – Y cuando se ha acabado de poner por todas partes la cera, luego se tiende polvo de carbón en agua sobre la superficie de la cera. Se muele bien se pulveriza el carbón; un poco grueso se extiende en la superficie de la cera”. “18 – Y una vez que se ha hecho esto, otra vez se le pone una capa con que se reviste por completo y se cubre enteramente, con lo cual ya es el momento de dejar la obra con que se ha de fundir el oro”. “19 – Esta capa es puramente carbón, mezclada con barro pegajoso, no muy molido, sino basto”. “20 – Cuando se ha cubierto y revestido lo que se moldea, por dos días aún se seca, y luego se le pone el tubo para el oro. También hecho de cera; ese es el tubo que se hace al oro”. “21 – Por allí ha de entrar cuando es derretido y otra vez con él se conecta. Se dispone el crisol, también de carbón, de hechura ahuecada”. “22 – Luego así se toma el carbón; allí es cuando se funde y liquida el oro, con el cual luego entra el tubo de comunicación, con esto se entuba por allí y corre. Se pone en el suelo”. “23 – Cuando se ha fundido el artefacto, el collar, que se intentó, o cualquiera de las cosas mencionadas, se pule con un pedruzco, y cuando ya se ha pulido, es cuando se le da un baño de alumbre”. Figura14. Un cascabel proveniente del sitio Tamtok, Monte Tamuin, en el Estado de San Luis Potosí. fue encontrado entre los depósitos de tierra de la parte sud (cuarto sudoeste) del montículo de La Laguna por los arqueólogos franceses M. y Mme. Stresser-Pean, quienes gentilmente lo enviaron a nuestro laboratorio para su estudio. Dicho cascabel conserva el recubrimiento exterior de carbón y la capa envolvente de barro que corresponde fielmente a la descripción de Sahagún de los apartados 17 y 18. Parecería, por el relato de Sahagún, que los crisoles empleados eran de carbón, lo que permitiría explicar por qué no se han encontrado en ninguna excavación. Estos crisoles se autodestruirían durante su uso. 64 Fig. 14. Lámina 51 del Códice Florentino. Ramírez et al, de la Facultad de Química de la UNAM,32 estudiaron el efecto del copal molido agregado a la cera de abeja fundida y encontraron que en ciertas proporciones mejora la tersura de la cera y facilita su trabajo. Parece que con la conquista española los orfebres comenzaron a emplear moldes de arena, como lo describe Sahagún:33 “35 – Ahora, al hacer alguna cosa los aurífices, necesitan arena fina. Después que la han conseguido, la muelen, la remuelen, y también la mezclan con pegamento”. “36 – Luego la extienden en la misma forma que extienden el lodo, para que en ella salga, en ella se imprima cualquier cosa que han de hacer”. “37 – En dos días se seca; cuando se ha secado bien, con un fragmento de tiesto se raya, se raspa, se restrega; con ello queda lista la superficie. En seguida se traza el grabado con un punzón de metal, como en otro lugar se ha declarado”. “38 - Como en dos o tres días queda acabado, compuesto y perfeccionado el artefacto. Cuando se ha terminado, se pone encima polvo de carbón en agua, y con pegamento se fija el carbón a la superficie”. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �¿Qué sabían de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte II / D.M.K. de Grinberg “39 – Tras eso, luego se hierve la cera, se le mezcla incienso blanco de la tierra (e.d. copal), como se declaró”. “40 – Cuando se ha enfriado y está purificada, luego se adelgaza en una laja con un rodillo de palo, que se hace rodar sobre ella. En seguida se le aplica encima una capa de lodo, con la cuál se moldea el oro (al fundirse), en figura de cualquier objeto que se ha de hacerse, sea un jarro o un sahumerio, que se llama “perfumador”. “41 – Al pintar y disponer una buena pintura principalmente es muy apta la cera; esto principalmente lo hace el pintor artístico, con esto se hace la obra de arte, pues principalmente primero se hace el molde de cera”. Figura 15. Fig. 16 – Lámina 56 del Códice Florentino. Fig. 15. Lámina 55 del Códice Florentino. “42 – Cuando se ha preparado todo, en ella se aprieta el molde, pues en él se halla la impresión de cualquier artificio vgr, un ala, una cola de pájaro, o una flor, o una rama de planta, o cualquier cosa de hermoso aspecto”. Figura 16. “43 – Se va apretando, se va pegando con un palito que llaman punzón de palo”. “44 – Como en dos días se ajusta, se compone. Cuando se ha ajustado, por todas partes se le pega cera, para extender luego en la superficie polvo de carbón en agua”. “45 – Cuando se ha secado, es precisamente cuando se pone las tapas, de puro carbón basto, con Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 lo cual se reviste totalmente el molde. Como en dos días se seca”. “46 – Luego se pone en la cera el llamado tubo de contacto, es cilíndrico, primeramente se redondea: este es el contacto por donde ha de entrar el oro”. “47 – Puesto el tubo, se van poniendo los crisoles en que se ha de derretir el oro”. “48 – Cuando todo está listo, como va dicho, luego se pone al fuego, se calienta totalmente: allí sale, arde la cera que se halla adentro, la que se había puesto. “49 – Cuando se fue la cera, cuando ardíó, luego se enfría: es entonces cuando se coloca en la arena burda”. “50 – Es cuando al fin, se funde, entra al crisol, se pone en el carbón, y el oro que allí entra por otro lado en un cucharón se derrite. Allí acaba todo esto, con esto queda hecha la obra”. Posiblemente sólo en los libros especializados en fundición podemos encontrar explicación más clara de la manera de fabricar el molde y de hacer el vaciado de la pieza. La explicación de Sahagún, tan prolija, se debe a que si en alguna técnica los indios mesoamericanos fueron maestros, fue en esta técnica de fundición a la cera perdida. No hay ninguna duda de que este procedimiento fue empleado para hacer la mayoría de las piezas de 65 �¿Qué sabían de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte II / D.M.K. de Grinberg oro, plata y cobre. En los cascabeles rescatados del Cenote Sagrado de Chichén Itzá, que conserva el Museo Nacional de Antropología e Historia de la ciudad de México, hay alrededor de 100 de ellos que conservan todavía el núcleo de carbón de fundición. Entre dichos cascabeles, hay uno que tiene como golpeador (clapper) otro cascabel más pequeño (34). La única manera en que este cascabel más pequeño pudo ser introducido en el mayor sin deformar este último es habiéndolo encerrado en el núcleo sobre el que se talló el cascabel más grande. De más de 200 cascabeles provenientes del Cenote Sagrado que conservan sus núcleos en forma completa o parcial, no hemos encontrado ninguno con núcleo de arena, sino que todos tienen núcleo de carbón. Ha sido sugerido por varios autores que para fijar el núcleo sería necesario haber puesto separadores. Desde el punto de vista metalúrgico esto no es necesario, y si se hubiera hecho se vería sobre la superficie de las piezas el sitio en que pusieron los separadores. A pesar de que hemos estudiado los defectos de fundición de todos los Cascabeles del Cenote, los cuales mantienen la superficie de fundición original, no hemos podido detectar el empleo de tal técnica. Muchas de las piezas que parecen haber sido elaboradas por la técnica de la filigrana fueron hechas, en realidad, con la técnica de la cera perdida RECAPITULANDO Tal vez valga la pena recapitular las técnicas metalúrgicas que son propias de las culturas del Nuevo Mundo y en particular, en Mesoamérica. 66 1) Los mesoamericanos no sólo fundían y martillaban los metales nativos, sino que sabían obtener metales a partir de sus minerales. 2) Estos minerales no se recogían al azar, sino que los indios tenían sus propias minas que trabajaban a tajo abierto o en galerías. 3) Los metales que sabían obtener era oro, plata, cobre, estaño y plomo. Además en Colombia se utilizaba el platino, metal desconocido por los europeos hasta mediados del siglo XIX. 4) Las aleaciones binarias que sabían elaborar fueron bronces al estaño (Cu-Sn) bronces al arsénico (Cu-As), bronces al antimonio (Cu-Sb), bronces de plata (Cu-Ag), cobres al plomo (CuPb) y latones (Cu-Zn), mientras que las aleaciones ternarias que elaboraban eran tumbagas (AuAg-Cu), bronces complejos (Cu-Sn-As) y (Cu-AgPb). 5) Algunas de las aleaciones anteriores, tales como los bronces al arsénico, indican que no sólo reducían carbonatos, sino que también sabían reducir los sulfuros. 6) Algunas de las aleaciones anteriores se conocieron y utilizaron ampliamente en América Prehispánica, mucho más que en otros continentes. 7) También la técnica de coloración de las tumbagas, que es distinta en Sudamérica y en Mesoamérica fueron descubrimientos, aparentemente independientes, de los indios americanos. 8) Si bien la técnica de fundición a la cera perdida no es una técnica puramente americana, la elaboración del molde que describimos aquí se puede considerar un desarrollo autóctono. 9) Una extensión de esta técnica fue la elaboración de la pseudo filigrana. 10) La soldadura también es una técnica autóctona, similar a la técnica moderna del “furnace brazing”. 11) La técnica de martillado, recorte y posterior decoración fue muy popular entre las culturas metalúrgicas que florecieron en el Occidente de México y en el Perú, mientras que las culturas del oriente de México y en Colombia la mayoría de las piezas son fabricadas por fundición. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �¿Qué sabían de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte II / D.M.K. de Grinberg REFERENCIAS 21. D.M.K. de Grinberg (1987). “Metalurgia Prehispánica Tarasca. II – Tipos de Aleaciones y Técnicas de Elaboración”. Memoirs of the IX Inter-American Conference on Materials Technology, Santiago de Chile, Oct. (1987), pp. 57 22. Walter Raleigh (1595), “The discovery of the large, rich and beautiful empire of Guiana, with a relation of the great and golden city of Manoa (which the Spaniards call El Dorado) performed in the year 1595”. Ed. Sir Robert Schomburgh, Hakluyt Soc. Serie I, 3 , Londres, Inglaterra, (1848) 23. D.M.K. de Grinberg y F. Franco (1990). “TonináTemporada 1979-1980: Objetos de Metal”. En: Bequelin y Baudez, “Toniná. Une cité maya de Chiapas”.4 pp. 1828 y 2031. Ed. Mission Arqueologique et Ethnologique Française au Méxique, México, (1990) 24. G. Fernández de Oviedo y Valdéz (1535), “Historia General y Natural de las Indias, Islas y Tierrafirme del Mar Océano”. Ed. Imprenta de la Real Academia de la Historia, Madrid, (1851), Libro XVII, Cap. 11, pp 516. Cap. 12, pp 520 25. F. Martínez Cortés (1974), “Pegamentos, gomas y resinas en el México Prehispánico”. Ed. SepSetentas, Nº 124, Secretaría de Educación Pública, México, (1974) 26. B. de Sahagún (1570-1582), “Historia General de las Cosas de la Nueva España”. Ed. Porrúa,. 3 , Cap. XV,(1969) pp 70 27. B. de Sahagún (1570-1582), Op. Cit. 3 , Cap. XV, pp 70 parágrafo 32) a 34) 28. B. de Sahagún (1570-1582), Op. Cit. 3 , pp 69, parágrafo 21) 29. B. de Sahagún (1570-1582), Op. Cit. Vol. 3, pp 67-69, parágrafos 1) a 21) Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 30. R.F. Tylecote (1979), “A History of Metallurgy”. Ed. The Metals Society, Londres, Inglaterra, (1979) 31. P.Rivet y H. Arsandaux (1946), “La métallurgie en Amerique précolombienne”. Travaux et Memoirs del Institute d’Ethnologie, XXXIX, Paris, pp. 37 32. J. Ramírez, G. Salas, M.E. Noguez y T. Robert (1992), “El método de cera perdida usado por los mesoamericanos”. Presentado al 27º Congreso Mexicano de Química Pura y Aplicada. Pto. Vallarta, Jalisco, 9-13 de Noviembre de (1992) 33. B. de Sahagún (1570-1582), Op. Cit. 3 , pp. 70 34. Andrea Grinberg (1975), Comunicación personal, México, (1975) 67 �Eventos y reconocimientos I. DR. RAYMUNDO RIVERA VILLARREAL Q.E.P.D. La Ingeniería de la UANL se encuentra de luto por la pérdida de uno de sus más activos investigadores, el Dr. Raymundo Rivera, quien falleciera el 27 de diciembre de 2003. Nacido el 20 de febrero de 1929 en Monterrey, México, estudió Ingeniería Civil (1957) en la Universidad Autónoma de Nuevo León donde también obtuvo su Maestría con Especialidad en Ingeniería Estructural en 1983. En 1984 la UANL le otorgó el grado de Doctor en Ingeniería Honoris Causa y en 1997 la UANL lo nombró Profesor Emérito. Su área principal de estudio, investigación y cátedra fue la de tecnología del concreto. El Dr. Rivera participó en centenares de conferencias, seminarios, mesas redondas, talleres y congresos en México y 27 diferentes países. Fue miembro de sociedades académicas y de investigación, tales como: el Instituto Americano del Concreto (ACI), la Reunión Internacional de Laboratorios de Ensayes y Materiales (RILEM), la Unión de Asociaciones Técnicas Internacionales (UITA), la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM), el Instituto del Concreto Presforzado, el Colegio de Ingenieros Civiles de Nuevo León, la Sociedad de Ingenieros y Técnicos de Monterrey, y la Academia Mexicana de Ingeniería. Perteneció al Sistema Nacional de Investigadores (SNI) en la categoría de Ciencias Aplicadas Nivel 2 desde 1991. El Dr. Rivera fue un gran promotor deportivo, lo que le valió que un estadio fuera bautizado con su nombre. 68 Dr. Raymundo Rivera Villarreal (1929-2003). Fue profesor de la Facultad de Ingeniería Civil (FIC) de la Universidad Autónoma de Nuevo León, desde 1949 hasta su muerte, ocupando diferentes puestos administrativos en la misma. Tambien colaboró con otras escuelas e instituciones en México y el extranjero, participando en más de 250 exámenes profesionales para el grado de ingeniero y en 4 de doctorado Participó y organizó simposios, seminarios y conferencias nacionales e internacionales, editando en 11 de ellos las memorias. Participó en un gran número de comites nacionales e internacionales. Recibió un gran número de reconocimientos por su incansable labor, entre ellos: el Reconocimiento por su Destacada Labor en el Desarrollo Tecnológico del País otorgado por la Sociedad de Ingenieros y Técnicos de Monterrey (1984); el Premio Ing. Manuel Martínez Carranza por su fecunda labor docente y de investigación, entregado por la FECIC (1984); Premio Anual al Ingeniero Civil Distinguido Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Eventos y reconocimientos en el área de investigación y/o docencia por el Colegio de Ingenieros Civiles de Nuevo León, A.C. (1991); Mención Honorífica por el sobresaliente trabajo “El concreto estructural hace 1000 años en la ciudad prehispánica de El Tajín”, en el IV Concurso Anual de Obras Cementos Monterrey (1995), Premio a la Investigación en el V Concurso Anual de Obras de Cementos Monterrey (1996); Primer Premio Anual de la Fundación ICA a la Docencia (1996); Reconocimiento del Canada Center of Mineral and Energy Technology (CANMET) y del ACI por sus más de 30 años de labor en el impulso de la Tecnología del Concreto en México (1997); Ganador del Premio CEMEX 1997 en el VII Concurso Anual de Obras Cementos Monterrey (1998); Ganador del Premio UANL a la Investigación 2002 (2003); por citar sólo algunos de los más importantes. (F.J.E.G.) II. FIRMA UANL CONVENIO DE CAPACITACIÓN CON TELMEX Y CFE Las autoridades de la FIME-UANL, en el contexto de sus programas de vinculación y educación continua, establecieron convenios de capacitación de personal con las empresas Teléfonos de México y Comisión Federal de Electricidad. Con la empresa de telecomunicaciones, en ceremonia efectuada en las instalaciones de la FIME, se firmó un convenio en el cual la FIME se compromete a ofrecer cursos para los trabajadores del Sindicato de Telefonistas de la República Mexicana tanto presenciales, en las instalaciones de la Institución, Presidium durante la ceremonia de firma del convenio entre la Universidad Autónoma de Nuevo León y la empresa Teléfonos de México el 12 de febrero de 2004. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 como en línea. Por otro lado Telmex ofrece acceso a sus tecnologías con el fin de que los maestros y alumnos de la FIME se mantengan actualizados. “Es un convenio de ganar-ganar, por un lado nosotros capacitamos a sus trabajadores en todos sus niveles, pues además de un centro de educación continua y un centro de educación técnica también tenemos licenciaturas, maestrías y doctorados, y nuestros laboratorios están bien equipados, lo que permite a los estudiantes combinar los conocimientos teóricos con los prácticos en el área de electrónica y TELMEX nos permiten aprender de su tecnología en telecomunicaciones”, expresó Rogelio G. Garza Rivera, director de FIME. Por otro lado, el 27 de febrero de 2004 en la Subdirección de Vinculación de la FIME-UANL se realizó la ceremonia de arranque del Primer Programa Nacional de Especialización en Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia, el cual fuera organizado gracias al acuerdo de colaboración que firmaron las autoridades de la Comisión Federal de Electricidad y de la UANL. El programa, el cual aunque tendrá una duración de un año, cuenta con una gran flexibilidad para adaptarse a las necesidades de los trabajadores de la empresa. Las cátedras, tanto teóricas como prácticas, estarán a cargo de docentes de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, así como de personal de la CFE. Un grupo de ingenieros de las áreas de distribución y subestaciones de transmisión de la Comisión Federal de Electricidad en la inauguración de los cursos del Primer Programa Nacional de Especialización en Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia en las instalaciones de la FIME-UANL. 69 �Eventos y reconocimientos “Es un programa de especialización que se proyectó desde el año pasado, único en México como especialización en el cual gracias a la CFE, le hicimos una nueva oferta educativa (...), de tal manera que diseñamos una especialización a la medida en el área de protecciones eléctrica, el cual fue aprobado por el Consejo Universitario de la UANL en agosto del 2003”, informó Rogelio G. Garza Rivera. (M.H.R.) III. FORO PREVIO A LA CUMBRE EXTRAORDINARIA DE LAS AMERICAS EN MONTERREY, MÉXICO El pasado 9 y 10 de Enero de 2004, previamente a la celebración de la Cumbre Extraordinaria de las Américas, la Universidad Autónoma de Nuevo León, el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey y la Universidad de Monterrey, en colaboración con el Gobierno del Estado de Nuevo León organizaron un foro denominado “El Futuro de las Américas”. La idea principal fue formular propuestas concretas para contribuir a definir una visión sobre el futuro de las Américas. La inauguración estuvo a cargo del Gobernador de Nuevo León, José Natividad González Parás. La conferencia inaugural fue dictada por Enrique Krauze, Director General de Clío, quien manifestó que el único puente sólido para construir la convivencia entre Angloamérica e Iberoamérica y hacer frente a los retos que se esperan es el conocimiento mutuo. “La integración de las Américas y la era del conocimiento” fue la mesa coordinada por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, y moderada por su rector, Rafael Rangel Sostmann. Los panelistas llegaron a la conclusión de que se requiere transformar el modelo educativo actual en un sistema capaz de promover un desarrollo sustentable a partir de principios que replanteen la relación entre producción y consumo. La mesa “La integración de las Américas y la competitividad del sector público y privado” fue 70 El Lic. José Natividad González Parás, Gobernandor del Estado de Nuevo León, inaugurando el foro “El Futuro de las Américas”. En el presidium el rector del ITESM, Dr. Rafael Rangel Sostmann, y el rector de la UANL, M.C. José Antonio González Treviño. coordinada por la Universidad Autónoma de Nuevo León y moderada por su rector, José Antonio González Treviño. Los participantes comentaron, a manera de conclusión, que en la medida en que los sectores público y privado respeten la diversidad, promuevan alianzas para impulsar la educación y fomenten la creatividad, se logrará superar el reto de la competitividad en las Américas. Una última mesa coordinada por la Universidad de Monterrey, y moderada por su rector Francisco Azcúnaga, se tituló “La integración de las Américas y el desarrollo económico más allá de los tratados de libre comercio”. Los panelistas sugirieron nuevas maneras de plantear políticas públicas en materia social, considerando una política fiscal extraordinaria, para generar recursos suficientes. Por último, en su conferencia magistral, Enrique Iglesias, Presidente del Banco Interamericano de Desarrollo indicó que los países Latinoamericanos tendrán que tomar decisiones fundamentales sobre negociación más allá del comercio. El evento concluyó con un mensaje del Gobernador de Nuevo León, José Natividad González Parás. (J.A.A.G.) Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Noviembre 2003-Febrero 2004 Epigmenio Guzmán Martínez, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Método de implementación de un sistema de mejora continua basado en un sistema de producción de Toyota”, 05 de noviembre de 2003. Samuel Agustín Rivera Salazar, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Problemáticas en redes de área local (caso práctico: red de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica)”, 06 de noviembre de 2003. Marco Antonio Castillo Velásquez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Parámetros autoafines en la propagación de grietas en papel”, 10 de noviembre de 2003. María Concepción Valdez, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Estandarización del sistema de mejora continua de proyectos de sigma en Magnetek México”, 10 de noviembre de 2003. Gloria Imelda Salazar Medrano, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Mejora en la calidad de laminillas para transformadores”, 10 de noviembre de 2003. Lourdes Rufina Millán Pliego, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Identificación de las principales variables de ausentismo en obreros generales de Magnetek componentes”, 10 de noviembre de 2003. Ana María Eslava Martínez, M.C. Administración con especialidad en Sistemas, “Análisis comparativo de la red LAN contra redes inalámbricas”, 11 de noviembre de 2003. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 Ezequiel Salas Zamarripa, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en materiales “Simulación del proceso de forja de codos sin costura y evaluación de la herramienta de formado por el método de elementos finitos”, 14 de noviembre de 2003. Pedro Martín Rubio Orozco, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Análisis en estado estable de interconexiones síncronas y asíncronas operando en paralelo”, 14 de noviembre de 2003. Giovanni de Jesús Marín Ávalos, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Manejo de la congestión de sistemas eléctricos de potencia en esquemas desregulados”, 19 de noviembre del 2003. Jaime Francisco Javier Carreón Flores, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Análisis financiero y determinación de los costos de la ingeniería, para la construcción y reparación general de tanques de almacenamiento de hidrocarburos de 30,000 barriles”, 24 de noviembre de 2003. Humberto Jorge Orozco Barrión, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Diseño de una red en OSPF”, 27 de noviembre de 2003. Mario Sergio Lerín Cruz, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad “Modificación al método de ensamble de check link, bajo metodología qc-story”, 28 de noviembre de 2003. Laura Espinosa Camacho, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Compresión de voz para su transmisión en redes de datos”, 28 de noviembre de 2003. 71 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Angélica Hernández Vargas, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Filosofía de calidad 5´s aplicada al departamento de compras de la refinería Ing. Héctor R. Lara Sosa, Petróleos Mexicanos”, 01 de diciembre de 2003. Juan José Rodríguez Ríos, M.C. Administración con especialidad en producción y Calidad “Implicaciones del comportamiento de los colaboradores de la Comisión Federal de Electricidad zona de distribución Montemorelos– Linares en los resultados obtenidos en los objetivos de calidad e indicadores de gestión”, 04 de diciembre de 2003. Nicolás González Morales, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia “Generación de energía eléctrica utilizando la energía del viento como recurso energético”, 08 de diciembre de 2003. Magdalena Loredo Gómez, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Desarrollo sustentado, una visión para el diseñador industrial”, 09 de diciembre de 2003. Sandra Jeannette Rocha del Real, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Proyecto de electrificación de comunidades rurales por medio de fuentes alternas de energía”, 09 de diciembre de 2003. Víctor Hugo Álvarez Vargas, Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Reestructuración del programa de tutoría de la preparatoria 16”, 11 de diciembre de 2003. Luis Gerardo Díaz Samaniego, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Simulación del proceso de laminado en frío de aceros al carbón por el método de elemento finito usando Abaqus MR“, 11 de diciembre del 2003. Diana Cobos Zaleta, M.C. Ingeniería en Sistemas, “Modelos de optimización entera mixta no lineal en sistemas de transportes de gas natural”, 15 de diciembre de 2003. Roberto Carlos Cabriales Gómez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Nuevos materiales orgánicos luminiscentes vía condensación aldólica”, 15 de diciembre de 2003. 72 Arturo Caballero Cavazos, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Factores que influyen como motivantes para un buen desempeño laboral en los docentes de una escuela del nivel medio superior”, 16 de diciembre de 2003. Jesús Tobías Guzmán Lowenberg, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Implementación de un sistema de calidad bajo la norma ISO 9001-2000”, 17 de diciembre de 2003. José Rolando Puente Zeferino, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Implementación de un sistema de calidad bajo la norma ISO 9001-2000 en el departamento de servicios generales de una institución educativa”, 17 de diciembre de 2003. Arnulfo Treviño Cubero, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Pronósticos y balanceo de líneas de producción”, 19 de diciembre de 2003. Romualdo Vega Cepeda, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Metodología en el proceso de auditores internos”, 19 de diciembre de 2003. Verónica Garcés Rodríguez, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Calidad en la enseñanza y mejora continua en la materia de programacion de base de datos”, 20 de enero de 2004. Federico Montero Jarero, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia “Determinación de márgenes de estado estable para la estabilidad de voltaje en sistemas eléctricos de potencia”, 30 de enero de 2004. Uvence Guerra Flores, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Programa de retención de personal para el puesto de vendedor al detalle de una empresa del ramo alimenticio”, 02 de febrero de 2004. Alfredo Olachea Aguayo, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Aplicación de la técnica de algoritmos genéticos al problema de despacho económico”, 04 de febrero de 2004. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Plinio de León Cantón, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control, “Detección de falla en la unidad de separación con fluido catalítico (fluid catalytic cracking unit Fccu)mediante métodos basados en observadores”, 16 de febrero de 2004. Alejandro Rodríguez Solís, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control, “Observadores Takagi-Sugeno con entradas desconocidas”, 20 de febrero de 2004. Álvaro Rodríguez Ramos, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Influencia de la composición química en las propiedades mecánicas de aceros de bajo carbono”, 27 de febrero de 2004. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA LABORATORIO DE VIBRACIONES MECÁNICAS Y ACÚSTICA m δ 2 &x& δ&x& +c + kx = F (t ) δ t2 δt x/dst ∞ 5 4 3 2 1 ω/ωn 0 0.5 1 1.5 2 2.5 El Laboratorio de Vibraciones Mecánicas y Acústica cuenta con personal con amplia experiencia en la medición de las vibraciones mecánicas y el ruido que ha desarrollando proyectos de ingeniería en el noreste del país desde 1970. RANGO dB(A) 120 117 114 111 108 105 102 99 96 93 90 87 84 81 78 75 72 69 66 63 60 57 54 51 48 45 42 39 36 33 30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0 TMPE (Hr) TMPE (min) 118-120 0,01 0,47 115-117 0,02 112-114 0,03 109-111 0,06 1,88 3,75 0,13 7,50 0,25 15,00 100-102 0,50 30,00 97-99 1,00 60,00 94-96 2,00 120,00 91-93 4,00 240,00 88-90 85-87 82-84 8,00 480,00 16,00 960,00 32,00 1920,00 79-81 64,00 3840,00 76-78 128,00 7680,00 73-75 256,00 15360,00 70-72 512,00 30720,00 67-69 1024,00 61440,00 62-66 2048,00 122880,00 61-63 4096,00 245760,00 El Laboratorio de Vibraciones ofrece servicios de: El Laboratorio de Acústica ofrece servicios de: • Monitoreo y análisis de maquinaria rotativa • Estudios de Ruido Perimetral según la para programas de mantenimiento. • Diagnóstico de fallas de maquinaria rotativa. • Verificación de exposición a las vibraciones en el ambiente laboral según la NOM-024-STPS-1993. • Rediseño de montajes de maquinaria rotativa y de impacto. • Análisis modal de estructuras. 0,94 106-108 101-105 NOM-081-ECOL-1994. • Estudios de Ruido Laboral según la • • • • NOM-011-STPS-2001. Análisis acústico de recintos. Análisis de frecuencias de sonido. Diseño de aislamientos acústicos. Cursos de capacitación. Laboratorios de Vibraciones Mecánicas y Acústica FIME-UANL, Edificio 7, Primer Piso, Ala Norte Tel: 01-818-329-4020, Ext 5762 y 5830 PO BOX No. 28, sucursal F, Cd. Universitaria, San Nicolás, 66420, N.L., México http://www.fime-dim.tk/ Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 73 �Acuse de recibo Revista CIENCIA Ciencia es una revista de divulgación publicada trimestralmente por la Academia Mexicana de Ciencias, A.C. (ISSN.1405-6550). El objetivo de la revista Ciencia es presentar artículos científicos de interés general escritos por reconocidos investigadores nacionales e internacionales. Esta revista refleja su calidad en el contenido y presentación de cada uno de los artículos, haciendo de éstos una lectura atractiva para todo tipo de lectores. En el número Enero-Marzo de 2004, Vol. 55, Num. 1, se aborda como tema central “Los mitos y leyendas sobre los fósiles”, y se incluyen varios artículos de actualidad en la sección de comunicaciones libres. Además se publican notas cortas en los apartados de noticias y comentarios, lo nuestro, debate, foro y correspondencia. Para más información dirigirse a Academia Mexicana de Ciencias: Casa Tlalpan, Km. 23.5 de la Carretera Federal México-Cuernavaca, Col. San Andrés Totoltepec, México 14400, D.F o al teléfono: 5849 4903, fax: 5849 5108. Su dirección electrónica: http://www.amc.unam.mx. (Yuriria Silva Velázquez) 74 Revista METALMECÁNICA La revista Metalmecánica presenta información técnica y de negocios dirigida al lector interesado en el campo de la manufactura de productos con máquinas-herramientas. Al mismo tiempo es un catálogo de proveedores de productos y servicios tales como instrumentos de medición, sistemas de control de calidad por computadora, partes electrónicas, máquinas-herramientas y todo tipo de novedades tecnológicas en el mercado. En cada número se destina espacio para las técnicas de tratamiento de datos, información de sistemas CAD/ CAM, CAE, FEM, prototipos rápidos, fabricación de moldes entre otros. La revista ofrece información de eventos como congresos, seminarios y las ferias tecnológicas auspiciados por las cámaras industriales de países latinoamericanos, norteamericanos, europeos y asiáticos. La suscripción es gratuita para los industriales. Para más información y suscripciones puede contactarse a tgomez@metalmecanica.com o en la página www.metalmecanica.com (F.E.L.G.) Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Colaboradores Alcalá Rodríguez, Mónica Ma. Ingeniera Química egresada de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Actualmente realiza trabajo doctoral en Procesos sustentables, es profesora en la Facultad de Ciencias Químicas desde 1995. Alexandrovna Escobar, Marina Ingeniera en Control de Procesos Térmicos y Eléctricos y Master en Ingeniería Eléctrica, inició su vínculo con la Educación Superior en 1974 en el Centro Universitario de Camagüey donde actualmente es Profesora Titular. Ha publicado numerosos artículos relacionados con aplicaciones de la lógica difusa. Barbarín Castillo, Juan Manuel Ingeniero Químico egresado de la Facultad de Ciencias Quimicas de la UANL, realizó los estudios de Maestría en Ciencias en la misma Institución. Obtuvo su doctorado en la Universidad de Sheffield Inglaterra. Investigador y subdirector de posgrado de la FCQ, miembro del SNI, nivel 1. Cabriales Gómez, Roberto Carlos Recibió el título de Ingeniero Mecánico Eléctricista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) en la UANL en el 2001, graduado con examen honorífico por haber tenido un desempeño admirable durante su carrera. Fue aceptado por el programa Doctoral de Ingeniería en Materiales para realizar su maestría donde realizó sus estudios como becario de CONACYT de 2001 a 2003. Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 Gómez Lomelí, Luis Felipe Ingeniero Físico (ITESM), Maestría con especialidad en uso, manejo y preservación de recursos naturales (CIBNOR), candidato a doctor en Historia y Filosofía de la Ciencia (U. Aut. de Madrid). Premio Nacional de Literatura CONACULTA/INBA (2001). Becario de la Fundación para las Letras Mexicanas. González Treviño, José Antonio Ingeniero Mecánico Administrador y Maestro en Ciencias de la Administración egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Es maestro de la misma desde 1973 donde fue Secretario Administrativo (1978-1990) y Director (1990-1996). En la UANL ha sido miembro de la Comisión Académica del Consejo Universitario (1990-1996), Secretario Académico (1996-2000), Secretario General (2000 -2003) y actualmente Rector de la UANL. K. de Grinberg, Dora M. Licenciatura y doctorado en físico-química, 1953 y 1965, en la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires, Argentina. Maestría en Metalurgia en la Universidad de Sheffield en 1960. Ha trabajado en el IPN, en el Centro de Materiales y en el Posgrado de Ingeniería Mecánica de la UNAM donde ha permanecido desde 1983. Ha recibido el Premio Dr. Enrique Beltrán (1992) y Premio de la American Society for Materials International (1996). Es Miembro del Sistema Nacional de Investigadores. 75 �Colaboradores Kharissova, Oxana Vasilievna Graduada como Geoquímica con especialidad en cristalografía en la Universidad Estatal de Moscú, donde realizó su maestría en la misma especialidad. Realizó su doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Desde Agosto de 2001 es investigadora de la FCFM de la UANL. Ganadora del Premio de Investigación UANL 2001. Lajes Choy, Santiago Ingeniero Electricista, Doctor en Ciencias Técnicas y Profesor Titular de la Cátedra de Sistemas Eléctricos del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Camagüey, Cuba. Ha desarrollado un amplio trabajo investigativo y de tutoreo alrededor de la gestión de mantenimiento en redes eléctricas. Es miembro del Tribunal Nacional de Grado Científico de Cuba en la Rama Electroenergética. Actualmente es Vicerrector de Universalización en la Universidad de Camagüey. Lozano Ramírez, Tomás Ingeniero químico egresado del Instituto Tecnológico de Cd. Madero, Tamaulipas. Obtuvo el grado de maestro en ciencias de la UANL y el de doctor en ingeniería química de l’École Polytéchnique de Montreal, Canadá. Actualmente es profesor investigador en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Llamas Garro, Ignacio Obtuvo el título de Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones, de la UANL en Agosto de 1998, y el de Doctor en Ingeniería Electrónica en Agosto de 2003, de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido. Sus áreas de interés son: sistemas de transmisión de microondas, micro-fabricación, micro-maquinado y sistemas micro-electromecánicos. Ortiz Méndez, Ubaldo Egresado de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencias de Materiales en la Universidad Claude Bernard de Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de la FIME-UANL, y miembro del SNI nivel I. Actualmente es Secretario Académico de la UANL. 76 Ríos Mercado, Roger Z. Licenciado en Matemáticas por la UANL. Doctor y Maestro en Ciencias en Investigación de Operaciones e Ingeniería Industrial la Universidad de Texas en Austin. Profesor de Tiempo Completo y Exclusivo del Programa de Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la FIME, UANL. Sus áreas de interés son investigación de operaciones, desarrollo de heurísticas y optimización estocástica, con aplicación a problemas de toma de decisiones. Robledo Jiménez, Claudia L. Estudiante de la Licenciatura en Física de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas , UANL. Su área de interés es la nanotecnología, ciencia de materiales y diversos tópicos de física en general. Rojas Garcidueñas, Manuel Biólogo egresado de la UNAM. MSc por la University of Minnesota; profesor emérito del ITESM. Ha sido profesor de fisiología vegetal. Autor de varios libros de su especialidad, de una historia de la ciencia y un pequeño libro de difusión, “De la vida de las plantas y de los hombres”, y más de 30 artículos de investigación y académicos. Su “Fisiología vegetal aplicada” se ha convertido en libro de texto en varias universidades latinoamericanas. Ha sido profesor en la Facultad de Biología de la UANL. Pertenece a la Academia Mexicana de Ciencias. Salazar Aguilar, María Angélica Cursa actualmente el primer semestre de la Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, en la División de Posgrado de Ingeniería de Sistemas de la FIME, UANL. Es egresada de la carrera de Ing. en Sistemas Computacionales con especialidad en Redes y Sistemas Distribuidos del el Instituto Tecnológico de Querétaro. Sierra Gil, Eduardo Ingeniero Electricista por la Universidad de Camagüey en 1997, y Master en Ciencias en el 2001 en este mismo centro. Actualmente es profesor asistente y jefe del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Electromecánica de la Universidad de Camagüey. Ha prestado asesoría técnica a empresas en temas relacionados con la Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 �Colaboradores eficiencia energética de los Sistemas Eléctricos. Es miembro de la Unión Nacional de Arquitectos e Ingenieros de la Construcción de Cuba. Soto Regalado, Eduardo Ingeniero Químico egresado de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL, realizó los estudios de Maestría en Ciencias en la misma Institución. Durante 14 años ha impartido cursos en la carrera de Ingeniero Químico de la UANL, desde 1996 se desempeña como Jefe de la carrera. Sus líneas de investigación son: Termodinámica de Fluidos Densos y la de Procesos Sustentables. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA CONGRESO DE INGENIERÍA MECÁNICA FIME-UANL 2004 11, 12 Y 13 DE MAYO DE 2004 La División de Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL le invita a su Congreso de Ingenieria Mecánica que se llevará a cabo en las instalaciones de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL los días 11, 12 y 13 de marzo de 2004. • Simposium A: Materiales y Diseño, 11 de marzo 2004. • Simposium B: Manufactura y Máquinas Herramienta, 12 de marzo 2004. • Simposium C: Ingeniería Térmica e Hidráulica, 13 de marzo 2004. • Tutoriales: Laminación, Ingeniería de Polímeros, CAD, Solid Works, Scaner 3 D y Robótica. • Conferencias y Páneles. • Concurso de creatividad. • Exposiciones Tecnológicas. PARA MAYOR INFORMACIÓN División de Ingeniería Mecánica FIME-UANL http://dim.fime.uanl.mx hinojosa@gama.fime.uanl.mx pzambran@gama.fime.uanl.mx Tel. 8329-4020 extensión 5850 Fax. 8332-0904 Ingenierías, Abril-Junio 2004, Vol. VII, No. 23 77 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2004 Volumen Volumen de la revista 7 Número Número de la revista 23 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2004, Vol 7, No 23, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2004 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020786 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Comunicaciones inalámbricas Lógica difusa Mesoamérica Nanoestructuras de carbono Polímeros semiconductores Sofía Kovalevskaya https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20745/Ingenierias_2004_Vol_7_No_22_Enero-Marzo.pdf d9cd634d94b6d7a77537c566d4999bc0 PDF Text Text ���Editorial: Las universidades y el desarrollo Juan Jorge Martínez Vega Profesor de la Université Paul Sabatier, Toulouse, Francia. juan.martinez@lget.ups-tlse.fr En el actual contexto de globalización y de competencia tecnológica, el conjunto interrelacionado “educación–investigación–desarrollo” constituye hoy en día la base esencial del desarrollo de un país o de una región. Bajo esta óptica, la definición y la puesta en práctica de una política regional puede representar una muy fructífera inversión socio-económica a mediano y a largo plazo. Los resultados de esta inversión deben permitir la creación de un círculo dinámico y animado basado en criterios de normalización y de excelencia. El objetivo de este mecanismo político sería crear las condiciones necesarias para introducir de una manera cíclica medios humanos y económicos que solidifiquen, desarrollen y diversifiquen dicha base esencial, quienes a su vez participarían en la creación de riqueza intelectual y económica. La necesidad de personal preparado de alto nivel (doctores, ingenieros y técnicos superiores) en el seno de la pequeña y mediana industria es cada día mas imperiosa. En este contexto la universidad puede y debe jugar el papel que le corresponde. La región de Nuevo León y sus alrededores, por ejemplo, se caracteriza por un fuerte potencial humano, económico y tecnológico, en la cual una política de este tipo puede “fácilmente” ser desarrollada. Los actores esenciales evidentemente serían: los gobiernos federal y estatal, el medio universitario y el Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 3 �Editorial / Juan Jorge Martínez Vega medio socio económico e industrial. Esta política “regional” puede basarse en tres grandes ejes fundamentales: 1. Reforzar los dominios de excelencia ya establecidos en investigación alrededor de polos de competencias específicas y evidentemente crear nuevos ejes estratégicos. Algunos de estos nuevos ejes estratégicos deben de estar en fase con las necesidades socio-económicas e industriales actuales de la región. Otros ejes deben de responder a proyectos ambiciosos que permitan a más largo plazo el desarrollo de nuevas competencias tecnológicas regionales. La diversidad tecnológica optimizada de una región (o bien a nivel del país) es un elemento esencial para obtener un desarrollo socio económico armónico y durable. 2. Apoyar la investigación útil para la industria regional y facilitar la transferencia de tecnología para las mismas. Una buena política de investigación y desarrollo necesita cuadros y estructuras con excelentes bases científicas y tecnológicas. Una parte importante de estas bases son generadas gracias a una investigación fundamental de alto nivel. Los equipos de investigación fundamental deben sistemáticamente cohabitar en términos de estructura con equipos orientados hacia una investigación aplicada. En muchos casos la frontera entre la investigación fundamental y la aplicada es muy amplia y los puntos de intersección son múltiples. Este tipo de cohabitación permite la formación de cuadros con la doble percepción. Estos cuadros son necesarios para optimizar la transferencia de tecnología que a su vez exigirá un compromiso adicional para generar más investigación fundamental y/o aplicada. 3. Mantener, reforzar y desarrollar las colaboraciones universidad–industria de tal forma que se asegure una formación adaptada a la demanda regional. Esta sinergia universidad-industria en términos de formación es muy importante. Es evidente que los objetivos de una universidad no son únicamente regionales, pero la universidad debe y puede responder a su entorno socio-económico. El diálogo debe ser permanente y sobre todo objetivo, porque la experiencia muestra que las prioridades en términos de formación del “lunes ” no son necesariamente las mismas el “viernes”. La visión del egresado como producto final “en venta ” es necesaria para sensibilizar las estructuras y mejorar la integración profesional en cada una de las formaciones universitarias. Esta visión puede en un momento dado formar parte de los criterios de selección para acordar o no ayudas específicas a las estructuras de formación. Privilegiar particularmente los sectores de innovación permite al entorno socio-económico el acceso a las nuevas tecnologías desarrolladas y/o utilizadas en investigación. 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Editorial / Juan Jorge Martínez Vega El esfuerzo de ayuda hacia la investigación fundamental y aplicada, así como hacia la diversidad en la formación a todos los niveles debe de acompañarse igualmente de un fuerte apoyo a las estructuras de transferencia de tecnología adaptadas a la red económica e industrial. La coordinación de los sectores de investigación con los departamentos logísticos de la industria para las transferencias de nuevas tecnologías hará sin duda más fáciles y rentables éstas, pues podrán decidir con más oportunidad las mejores alternativas tecnológicas en términos de entrenamiento, mantenimiento, productividad y amortización de la inversión. Es así como una acción de concertación regional puede orientarse hacia el fortalecimiento de un polo de competencias de investigación aplicada y apoyar fuertemente la transferencia de técnicas de innovación en los diferentes sectores económicos tradicionales o en proceso de cambio. Esto debe permitir un incremento de la competitividad tan necesaria actualmente en un contexto de globalización. Hoy más que nunca, la demanda hacia los sectores de investigación y desarrollo es de proponer nuevos procesos y/o nuevos productos para detectar vías de aplicación originales y explotables económicamente y socialmente hablando. Estos esfuerzos considerables de investigación, desarrollo e industrialización deben imperativamente ser acompañados de una logística analítica de alto nivel científico, técnico y económico. La época actual de globalización implica la instalación de un gran mercado mundial donde, para enfrentar la competencia del mismo y eventualmente ganar, es necesario desarrollar un proceso activo en términos de calidad y de normalización. En este contexto la logística analítica debe ser utilizada como una herramienta de estrategia industria-universitaria, la cual evidentemente depende de los hombres partícipes y de las estructuras implicadas. La innovación es una preocupación permanente de todos los que tienen la responsabilidad de una estructura pública o privada, en los dos casos el objetivo esencial es el de producir de manera rentable. En el campo de la ciencia e ingeniería de materiales, esta afirmación se aplica tanto al productor como al universitario responsable de laboratorio de investigación quien produce conocimiento y forma hombres y mujeres para responder a las necesidades de la economía nacional. Esta innovación, deseada por todos y cada uno, se vuelve más accesible si los hombres y mujeres encargados de realizarla reciben una formación adecuada, que les permita innovar para resolver los problemas técnicos y científicos que encuentran en sus estructuras. Esto no significa que la experiencia profesional adquirida sin haber tenido necesariamente una formación adecuada sea incapaz de generar innovación. Lo que se quiere resaltar es que la optimización de un efecto de sinergia de Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 5 �Editorial / Juan Jorge Martínez Vega una buena formación asociada a una gran experiencia puede en un momento dado producir “milagros” tecnológicos. La creación y el desarrollo de doctorados en la UANL permite y permitirá la irrigación a nivel regional y nacional de un flujo importante de jóvenes investigadores quienes a mediano plazo, potencialmente hablando, demostrarán sus capacidades de innovación en la industria. Evidentemente esto no se hace de un día para otro, la implicación y sobre todo la ambición de nuestros industriales debe poder crear las condiciones de recepción y gestación de esos jóvenes investigadores y no razonar en función de beneficios a corto plazo. Es un proceso largo, pero si se comienza dentro de un año el proceso será obviamente más largo aún. Otro punto importante es la movilidad de los estudiantes e investigadores en un contexto internacional. Este punto es uno de los más importantes factores de desarrollo de la universidad del siglo XXI en el mundo. México en general y Nuevo León en particular debe prepararse a responder a este desafío a través de una armonización normativa de sus diplomas y títulos, evidentemente con criterios de excelencia bien definidos. Las universidades mexicanas en general deben implementar políticas de educación-investigación-formación atractivas y buscar un equilibrio entre el flujo de estudiantes e investigadores mexicanos enviados al extranjero y la recepción de estudiantes e investigadores extranjeros. Puede definirse una política de comunicación constante en concertación con las instancias mexicanas en el extranjero (embajadas, consulados, etcétera). Las estadísticas muestran que en cada universidad que cuenta con cuadros mexicanos formados en el extranjero, estos profesores-investigadores son núcleos potenciales de desarrollo y de exportación de la imagen de nuestras universidades. Tesis doctorales en co-tutela (doble diploma), proyectos de investigación bilaterales o multilaterales financiados por industriales mexicanos o extranjeros, cursos de formación comunes con universidades extranjeras utilizando las nuevas tecnologías de la comunicación y de la información, son posibilidades que pueden ser implementadas o reforzadas si ya existen y que pueden llevar a nuestras universidades a ocupar un lugar de excelencia en el escenario internacional. 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Uso de fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en concreto César A. Juárez Alvarado, Patricia Rodríguez López Doctorado en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL. cjuarez@ccr.dsi.uanl.mx Raymundo Rivera Villarreal Departamento de Tecnología del Concreto, Instituto de Ingeniería Civil-UANL. tecconcr@mail.sci.net.mx Ma. de los Ángeles Rechy de Von Roth Departamento de Tecnología de la Madera, FCF-UANL. RESUMEN Esta investigación pretende encontrar materiales de construcción que sean económicos y durables. Las fibras de acero, de vidrio o poliméricas, son alternativas viables pero costosas. Las fibras naturales pueden ser una posibilidad real para los países en desarrollo, ya que están disponibles en grandes cantidades y representan una fuente renovable continua. La fibra es afectada principalmente por la alcalinidad de la matriz de concreto. La durabilidad del compuesto dependerá entonces de la protección que tenga la fibra y de las características de impermeabilidad propias de la matriz. PALABRAS CLAVE Concreto, refuerzo, fibra natural, resistencia a la flexión, curado, colado, reacción de hidratación, durabilidad. Proyecto galardonado con el Premio de Investigación UANL 2002, en la categoría de Ingeniería y Tecnología, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL el 11 de Septiembre de 2003. ABSTRACT This research aims to find construction materials which are inexpensive and durable. Steel, glass and polymer fibers are feasible, but expensive alternatives. Natural fibers can be a real possibility for developing countries, due to the fact that these kinds of fibers are available in great quantities and that the source where they are obtained is renewable. The fiber is affected mainly by the alkalinity of the concrete matrix. The composite’s durability will depend on the protection the fiber has, and on the impermeability features of the matrix. KEYWORD Concrete, reinforced, natural fiber, bending strength, curing, casting, hydration reaction, durability. A partir de que las fibras de asbesto fueron relacionadas con potenciales peligros para la salud1 se inició la búsqueda de posibles sustitutos que le proporcionaran al concreto las propiedades tan favorables que el asbesto le daba, Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 7 �Uso de fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en concreto / César A. Juárez Alvarado, et al además de ser competitivos en calidad y precio. Las fibras de acero, de vidrio y más recientemente las de polipropileno, son alternativas viables para reforzar al concreto. Sin embargo, otro grupo de fibras llamadas naturales o vegetales han sido motivo de varios estudios para su posible aplicación como refuerzo del concreto. Materiales reforzados con fibras naturales se pueden obtener a un bajo costo usando la mano de obra disponible en la localidad y las técnicas adecuadas para su obtención. Estas fibras son llamadas típicamente fibras naturales no procesadas. Sin embargo, las fibras naturales pueden ser procesadas químicamente para mejorar sus propiedades. Estas fibras son generalmente derivadas de la madera. Estos procesos son altamente industrializados y no se dispone en los países en desarrollo. A tales fibras se les conoce como fibras naturales procesadas.2 Aunque históricamente muchas fibras han sido usadas para reforzar varios materiales de construcción, ha sido hasta años recientes que los científicos se han dedicado a estudiar a las fibras naturales como refuerzo, ya que anteriormente su uso se limitaba exclusivamente a la producción de ropa, colchones y cobijas. Las fibras naturales están disponibles razonablemente en grandes cantidades en muchos países en desarrollo y representan una fuente renovable continua.3 México es un país que posee abundante producción de fibras naturales sobre todo las de la familia del agave.4 De esta familia la más conocida es el “sisal” que puede ser obtenida en la península de Yucatán; otras especies de la misma familia son el “maguey” y la “lechuguilla”. El primero crece principalmente en el Valle del Mezquital ubicado en el estado de Hidalgo, mientras que la lechuguilla normalmente se desarrolla en la zona noreste de México. Es esta última fibra natural el motivo del presente estudio. En la figura 1 se puede observar la planta de lechuguilla. La región ixtlera del noreste del país que comprende los estados de Coahuila, Zacatecas, Nuevo León, San Luis Potosí y Tamaulipas tiene graves carencias en vivienda.5 Algunas alternativas para disminuir esta problemática bien pueden ser: 8 Fig. 1. Planta de lechuguilla (Agave lechuguilla).7 • La autoconstrucción de la vivienda realizada por los mismos campesinos y, • Aplicar la tecnología adecuada que les permita utilizar fibras naturales para reducir los costos de construcción, sobre todo si se utiliza como refuerzo en el concreto. 6 A finales de los años 60s, se llevó a cabo en otros países una evaluación sistemática de las propiedades de ingeniería de las fibras naturales y de los compuestos formados por estas fibras con el cemento. Los resultados de las investigaciones indican que las fibras pueden ser usadas con éxito para fabricar materiales de construcción. Posteriormente se desarrollaron procesos de manufactura apropiados para la producción comercial en varios países de América Central, África y Asia. Los productos hechos con cemento portland y fibras naturales no procesadas tal como el sisal, coco, caña de azúcar, bambú, yute, madera etc., se han probado para determinar sus propiedades de ingeniería y su posible uso en la construcción en al menos 40 diferentes países. 8 Aunque los resultados fueron alentadores, se encontraron algunas deficiencias respecto a su durabilidad. Estas deficiencias al parecer son resultado de la reacción entre la alcalinidad de la pasta de cemento y las fibras, además de la susceptibilidad al ataque de microorganismos en presencia de la humedad. 9 Esta investigación pretende encontrar tratamientos adecuados en la fibra, que permitan aumentar la durabilidad del compuesto reduciendo el Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Uso de fibras naturales de lechugilla como refuerzo en concreto / César Juárez Alvarado, et al deterioro que sufre la misma en el medio alcalino propio del concreto. DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA EXPERIMENTAL El programa consistió en pruebas a las fibras y ensayes en los especímenes de concreto reforzado con fibras naturales (CRFN). Para la caracterización de las fibras se obtuvo su diámetro, longitud promedio, % de absorción de agua, densidad absoluta y porosidad. También, se observó su morfología con micrografías de la sección transversal de la fibra. Las propiedades mecánicas obtenidas fueron el esfuerzo último a la tensión y la elongación a la ruptura. Para minimizar el deterioro de las fibras se propuso impregnarlas con seis diferentes sustancias repelentes al agua que fueran económicas y no dañaran al concreto. Para una impregnación más eficiente se estudió la variación de la tensión superficial y la altura de capilaridad con relación a la temperatura de estas sustancias. De los resultados obtenidos se seleccionaron las posibles sustancias protectoras. Posteriormente se impregnaron con estas sustancias lotes de 120 fibras cada uno, los cuales fueron sometidos a un medio alcalino (pH = 12.5) producido por una solución de hidróxido de calcio y agua. Se ensayaron a tensión a los 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9 y 12 meses de exposición al medio alcalino. Además, se determinó el porcentaje de absorción de agua en fibras previamente impregnadas con las sustancias protectoras. Los especímenes de CRFN se fabricaron con agregados de caliza propios de Nuevo León, México. La granulometría de los agregados finos fue la siguiente: Porcentajes parciales de 2.5, 7.5, 22.5, 25, 22.5, 14 y 6 % retenidos en las mallas # 4, 8, 16, 30, 50, 100 y material que pasa la malla 100 respectivamente. Con esta granulometría al concreto se le conoce comúnmente como mortero. Se utilizaron dos relaciones Agua/Cemento (A/ C): 0.65 y 0.35 con un consumo de cemento de 381 kg/m3 y 707 kg/m3 respectivamente, con el fin de estudiar el comportamiento con matrices permeables (A/C = 0.65) y matrices densas (A/C = 0.35). Los especímenes de concreto fueron reforzados con fibra sin tratamiento y con fibra impregnada con las Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 sustancias, al 1 % del volumen total de la mezcla (13.8 kg/m3 ) y con una longitud de la fibra de 20 a 30 mm, en forma preliminar para definir a la mejor sustancia protectora. Se fabricaron por triplicado para todas las condiciones y las dos relaciones A/C, especímenes de 75 x 75 x 280 mm para la resistencia a flexión o módulo de ruptura de acuerdo a la norma ASTM C 78-94. Una primera serie de 15 especímenes se ensayaron a los 14 días con curado estándar hasta el momento del ensaye. Otra segunda serie de igual número se mantuvo en el cuarto de curado durante 10 meses, posteriormente fue sometida a 10 ciclos de humedecimiento y secado antes de ensayarse. Cada ciclo consistió en 12 h en un horno a 70ºC en ambiente húmedo y 12 h en un horno a 70ºC en ambiente seco. Adicionalmente, se fabricaron especímenes para flexión sin ningún contenido de fibra para las dos relaciones A/C. Fueron curados y ensayados de igual manera que los especímenes con fibra de la primera serie. Una vez que fue seleccionada la sustancia protectora para la fibra, se procedió a tratar de determinar el volumen de fibra en la mezcla y la longitud de la misma que proporcionara la mayor resistencia a flexión o módulo de ruptura según se indica en la norma ASTM C 78-94. Se investigaron fibras cortas y largas aleatoriamente distribuidas, para lo cual se usaron fibras tratadas y cortadas a las siguientes longitudes: 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 y 300 mm. Así también, la cantidad de fibra se investigó probando los siguientes porcentajes del volumen total de la mezcla: 0.5, 1, 1.5 y 2%. Todos los especímenes se ensayaron a los 14 días. RESULTADOS EXPERIMENTALES Y DISCUSIÓN Propiedades físico-mecánicas de la fibra Las fibras de lechuguilla fueron compradas en una compañía ixtlera de la ciudad de Santa Catarina N.L., México. Esta empresa las comercializa en el extranjero principalmente como materia prima. Todas las fibras que fueron utilizadas en esta investigación se lavaron con agua potable para eliminar la presencia de carbohidratos libres, posteriormente fueron secadas al sol. Todas las pruebas realizadas a las fibras fueron hechas en el laboratorio a una 9 �Uso de fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en concreto / César A. Juárez Alvarado, et al temperatura de 23ºC. El diámetro de la fibra fue medido en ambos extremos con un vernier digital de 0.01 mm de precisión, el diámetro mayor corresponde al extremo anexo al tallo y disminuye gradualmente hasta la punta (ver tabla I). La longitud total es también variable con un promedio de 451 mm, lo que resulta menor a las longitudes reportadas para el sisal y el maguey. 10 Tabla II. Porciento de absorción de agua en las fibras. Muestra W seco g 1 5 0.95 1.71 0.76 80 2 15 0.99 1.77 0.78 79 3 30 0.99 1.83 0.84 85 4 60 0.95 1.85 0.90 95 5 1440 (24 h) 0.95 1.88 0.93 98 Tabla I. Valores típicos de diámetro y longitud de la fibra. Cantidad de fibras Diámetro máximo mm Diámetro mínimo mm W Saturado superficial- W del agua mente seco absorbida g Tiempo de saturación min Longitud total mm Absorción relativa al W seco % Promedio 100 0.26 0.16 451 Desviación estándar 100 0.07 0.05 58 Las fibras están formadas por microceldas individuales unidas entre sí por medio de la hemicelulosa y la lignina.11 En la micrografía de la figura 2 se pueden observar las microfibras integradas entre sí las cuales forman la morfología general de la fibra. Esta microestructura origina que la fibra posea una alta permeabilidad. Al saturarse absorben una cantidad de agua de casi el 100 % de su peso seco. En el caso de fibras sin ningún tratamiento previo absorberán agua durante el mezclado, la cual deberá adicionarse para evitar la pérdida de trabajabilidad de la mezcla. Además, el agua que absorben las fibras origina una inestabilidad en su volumen que propicia la pérdida de adherencia con la matriz de concreto. En la tabla II se puede observar que el agua se absorbe rápidamente con poco tiempo de saturación, esto puede deberse a la acción capilar de las microceldas de la fibra. La alta absorción de agua está relacionada con la porosidad de la fibra. Se realizaron pruebas de porosidad en dos muestras de fibra sin ningún tratamiento. La muestra 1 contenía fibras con diámetros de 0.15 a 0.25 mm y la muestra 2 estaba formada por fibras con diámetros de 0.25 a 0.35 mm. El equipo utilizado es un porosímetro de intrusión de mercurio, el cual inyecta el metal a presión en toda la muestra saturando sus poros, en la tabla III se resumen los resultados obtenidos en la prueba. Tabla III. Resumen de prueba de porosidad en las fibras. Volumen Area Muestra acumulado específica 3 (mm/g) (m2/g) Fig. 2. Sección transversal de una fibra de lechuguilla. 10 Promedio Promedio Densidad Porosidad Densidad del radio del radio bruta total de la bruta delporo delporo corregida muestra (g/cm3) -10 -10 (10 ) (10 ) (g/cm3) (%) 1 167.5214 10.70 530880 190 1.28 1.63 21.44 2 197.9167 13.25 266070 190 1.30 1.75 25.72 Las fibras con diámetros de 0.25 a 0.35 mm de la muestra 2 tienen una mayor cantidad de microceldas, ya que poseen poros más pequeños pero con mayor área específica lo que permite acumular un mayor volumen de mercurio. Por lo que resulta, que las fibras de mayor diámetro registran una mayor porosi- Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Uso de fibras naturales de lechugilla como refuerzo en concreto / César Juárez Alvarado, et al dad que las fibras de diámetros de 0.15 a 0.25 mm. La densidad bruta es similar entre ambas muestras y también se acerca al valor de la densidad absoluta reportado a continuación. Para fines de realizar los proporcionamientos del CRFN se obtuvo la densidad absoluta de la fibra que es la relación entre el peso seco de la fibra y el volumen seco de la misma. En la tabla 4 se presenta Tabla IV. Densidad absoluta de la fibra. No. muestra Peso w1 g Peso w2 g Peso w3 g Peso w4 g (w2-w1)-w2-w- w4-w3 (w4-w5) 1g g g 1 188.52 685.70 199.03 687.50 497.18 488.47 8.74 2 188.53 686.00 198.88 687.80 497.47 488.92 8.55 3 188.52 686.10 198.87 687.80 497.58 488.93 8.65 No. de muestra Densidad Volumen de Peso de Volumen de Peso de Densidad absoluta del agua fibras SSS fibras sss fibras secas fibras secas de la fibra g/cm3 cm3 g cm3 g g/cm3 1.35 1 1 8.71 10.51 3.71 5.00 2 1 8.55 10.35 3.55 5.00 1.41 3 1 8.65 10.35 3.65 5.00 1.37 Fig. 3. Croquis del dispositivo para ensayes a tensión. momento de la ruptura de la fibra se tomaba la lectura en el micrómetro obteniendo la elongación última, la longitud de calibración fue de 90 mm. En la figura 4 se pueden observar comportamientos típicos de la fibra durante el ensaye. Debido a la alta variabilidad en lo referente al diámetro de la fibra, se realizaron 160 ensayos a 20.0 20 mm Promedio = 1.38 un resumen de los datos usados para el cálculo de las densidades. El esfuerzo último a la tensión de la fibra fue evaluado como la relación entre la carga de falla y el diámetro promedio entre los puntos de sujeción de la fibra montada en el dispositivo de prueba esquematizado en la figura 3. La carga se fue aplicando en forma gradual mediante pesos conocidos midiendo la elongación de la fibra con un micrómetro de carátula de 0.01 mm de precisión. Este aparato registraba el deslizamiento de uno de los puntos de sujeción de la fibra. Al Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 15.0 Carga ( N ) Nomenclatura: w1= Peso del matraz de aforación. w2= Peso del matraz con agua. w3= Peso del matraz con la fibra saturada superficialmente seca. w4= Peso del matraz con agua y con fibra saturada superficialmente seca. 10.0 f = 0.20 mm f = 0.21 mm f = 0.19 mm f = 0.20 mm 5.0 0.0 Elongación de la Fibra ( mm ) Fig. 4. Curvas típicas de carga vs elongación. tensión aproximadamente, tratando de obtener un adecuado índice de confiabilidad en los resultados. En la mayoría de los ensayes a tensión el comportamiento de la fibra presentó una tendencia a ser elastoplástico hasta la falla. Esto puede deberse a que algunas microceldas fluyen individualmente o se separan entre sí, pero las restantes aún pueden mantener la carga, sin embargo, la deformación es permanente. En la figura 5 se puede apreciar la 11 �Uso de fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en concreto / César A. Juárez Alvarado, et al valores de esfuerzos en la fibra aquí reportados, así como sus propiedades físicas son similares a los encontrados por otros investigadores.2,6,8 Carga Última a la Tensión ( N ) 25 20 15 10 5 0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 Diámetro ( mm ) Fig. 5. Variación de la carga última a tensión con respecto al diámetro de la fibra. variación de la carga de falla con respecto al diámetro de la fibra. La tendencia es que a mayor diámetro la fibra soporta más carga. Sin embargo, las fibras con diámetros mayores tienen mayor área específica, por lo que la carga de falla se distribuye en una mayor área transversal de la fibra resultando que el esfuerzo último disminuye al aumentar el diámetro. Esto se puede observar en la figura 6. La tendencia de los resultados es un esfuerzo último a tensión de 400 MPa y una deformación unitaria de 0.1000 mm/mm aproximadamente. Los Deformación Unitaria Última (mm/mm) 0.2500 0.2000 0.1500 0.1000 0.0500 0.0000 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Diámetro ( mm ) Fig. 6. Variación del esfuerzo último a tensión y la deformación unitaria última con respecto al diámetro de la fibra. 12 TRATAMIENTO A LA FIBRA PREVIO AL MEZCLADO Para reducir la cantidad de agua que puede absorber la fibra, y adicionalmente darle una protección contra el medio alcalino de la pasta de cemento, se consideró utilizar sustancias que fueran hidrófobas y económicas para no encarecer el proceso: • • • • • • Aceite de linaza. Aceite de linaza + resina natural. Parafina. Parafina + resina natural. Sellador para madera. Creosota. El aceite de linaza se extrae en caliente de la semilla del lino, de color ambarino, se oxida y polimeriza con facilidad, produciendo una película elástica. La parafina es una sustancia sólida a temperatura ambiente, con punto de fusión alrededor de los 67 ºC, compuesta por una mezcla de hidrocarburos. A la resina natural utilizada se le conoce como brea, la cual se obtiene de varios árboles coníferos, a temperatura ambiente es sólida de color oscuro y frágil. A temperaturas entre los 90ºC y 100ºC se convierte en una sustancia viscosa, puede ser mezclada con solventes como el aguarrás y no es soluble en el agua. El sellador para madera y la creosota son productos industrializados y de fácil disponibilidad en el mercado. Aprovechando las propiedades de alta absorción que tiene la fibra, se buscó la temperatura óptima de las diferentes sustancias para que la impregnación por capilaridad fuera adecuada. Una forma inicial de evaluar la capilaridad es la tensión superficial de los líquidos. Las moléculas situadas en la superficie del líquido experimentan menos atracción por parte de las otras moléculas que aquellas que se encuentran en el interior de la fase líquida y para separar esas moléculas de la superficie o dicho de otra manera, aumentar el área de la superficie interfacial líquido - vapor; es necesario realizar un trabajo. 12 Este trabajo o tensión superficial es Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Uso de fibras naturales de lechugilla como refuerzo en concreto / César Juárez Alvarado, et al inversamente proporcional al ascenso capilar y es menor cuando el líquido aumenta su temperatura. Las unidades típicas de la tensión superficial son unidades de fuerza/ unidades de longitud. En la prueba realizada se colocó un pequeño anillo metálico sobre la superficie de la sustancia, mediante un mecanismo mecánico se determinaba la fuerza necesaria para separar el anillo de la superficie del líquido. Las unidades de la tensión superficial registradas son propias del dispositivo utilizado, sin embargo, esto no afecta ya que los resultados son comparativos entre las diferentes sustancias. En la figura 7 se puede observar que la creosota y el sellador para madera tienen una tensión superficial relativamente mayor Agua Destilada Aceite de Linaza Parafina Creosota Sellador Parafina + Resina Unidades de Tensión ( Dunouys ) Aceite + Resina 120 110 100 90 80 70 60 50 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Temperatura oC Ascenso Capilar ( mm ) Aceite de Linaza Parafina Parafina + Resina Aceite + Resina 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Temperatura ( oC ) Fig. 7. Tensión superficial y capilaridad de las sustancias con respecto a la temperatura. que las otras sustancias aún con temperaturas de 80ºC. Esto debido a su alta viscosidad por lo que la impregnación de la fibra por capilaridad se dificultaría con estas sustancias. De tal modo que la impregnación se llevó a cabo con las sustancias y a las temperaturas que resultaron con mayor ascenso capilar. Esto es, los aceites a una temperatura de 80ºC y las parafinas a 100ºC. La parafina sola y con resina presenta valores únicamente a temperaturas mayores a 70ºC ya que su punto de Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 fusión es de 67ºC, esto impedía tomar las lecturas correspondientes. La impregnación con los aceites se realizó por inmersión de la fibra seca en la sustancia a 80ºC durante 5 min, posteriormente la fibra se sumerge en la misma sustancia a 24ºC durante el mismo periodo de tiempo. Este ciclo se repitió tres veces buscando que la sustancia penetrara completamente en la fibra. Para la impregnación con las parafinas, éstas se calentaron hasta los 100ºC sumergiendo la fibra seca en la sustancia durante 5 min. La fibra impregnada se colocó dentro de un horno a 100ºC - 110ºC durante 15 min, esto redujo la formación de grumos de parafina en las fibras mejorando la disgregación de las mismas antes y durante el mezclado. DURABILIDAD DE LA FIBRA La descomposición en un medio alcalino de la celulosa, que es la principal unidad estructural de la fibra, así como también de la hemicelulosa, se puede presentar de acuerdo a dos diferentes mecanismos. Uno es el desfibramiento, el cual sucede cuando la celulosa constituida por cadenas lineales de glucosa se disuelve cuando reacciona con el ion OH - , produciendo -CH2 OH el cual se desprende de la cadena molecular. De esta manera el desfibramiento es continuo durante la exposición al medio alcalino y, ocurre a temperatura ambiente por debajo de los 75ºC.13 El otro mecanismo de descomposición de la celulosa es la hidrólisis alcalina. Esta causa la división de las cadenas moleculares, y se combina con el mecanismo anterior ya que la división de la cadena molecular origina la exposición de unidades finales reductivas. Este mecanismo se lleva a cabo generalmente a temperaturas alrededor de los 100ºC. Estas temperaturas son difíciles que se presenten en elementos constructivos convencionales. La lignina consiste de sustancias aromáticas, y es la matriz que une las microceldas de celulosa. Se fragmenta fácilmente en un medio alcalino y su color llega a ser amarillo y café cuando se oxida. La lignina se reblandece entre los 70ºC - 80ºC y es parcialmente líquida a los 120ºC. De acuerdo con H. E. Gram13 la descomposición química de la lignina y la hemicelulosa es la principal 13 �Uso de fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en concreto / César A. Juárez Alvarado, et al sina (4:1) y aceite de linaza + resina + aguarrás (4:1:4). Se obtuvo el porcentaje de absorción de agua para las fibras tratadas con las diferentes sustancias y para la fibra sin ningún tratamiento. Obteniendo una reducción del 35% aproximadamente en comparación con lo reportado en la tabla II. Siendo muy similar en todas las fibras impregnadas la cantidad de agua absorbida (ver figura 9). 100 Parafina + resina (64) 20 Parafina (67) 40 Aceite + resina (61) 60 Aceite de linaza (64) 80 Sin tratamiento (98) % de Absorción Relativa al W seco de la Fibra causa del deterioro por fragilización de la fibra en el concreto. La alcalinidad del agua en el poro de la matriz de cemento disuelve la lignina. Se rompe la unión de las microceldas individuales las cuales absorben el hidróxido de calcio producto de las reacciones de hidratación del cemento. La fibra pierde su flexibilidad y se fragmenta en pequeñas unidades longitudinales perdiendo su capacidad de reforzar al concreto. Para simular el medio alcalino del concreto, fibras tratadas se expusieron a una solución concentrada de hidróxido de calcio disuelto en agua a temperatura de laboratorio 23ºC. La tendencia del esfuerzo último a tensión fue disminuir al ser mayor el tiempo de 0 Tiempo de Saturación = 24 h Fig. 9. Porcentaje de absorción de agua en fibras tratadas. 0.60 0.00 Parafina + resina (0.31) 0.10 Parafina (0.53) 0.20 Aceite + resina (0.31) 0.30 Aceite de linaza (0.31) 0.40 Sin tratamiento (0.30) (R final/R inicial) 0.50 Tiempo de Exposición = 12 meses Fig. 8. Efecto del medio alcalino en el esfuerzo a tensión de las fibras tratadas (arriba). Relación de esfuerzo sostenido después de la exposición al medio alcalino (abajo). exposición, ver figura 8, sin embargo, las fibras impregnadas con parafina mantuvieron el nivel de esfuerzo más alto con respecto al inicial, alrededor del 53 % del esfuerzo. Las fibras impregnadas con las otras sustancias mantuvieron un esfuerzo a la tensión bajo muy similar al de las fibras sin ningún tratamiento. Además, se volvieron frágiles y quebradizas después del sexto mes de exposición. Las proporciones utilizadas para las sustancias fueron las siguientes: parafina + re- 14 ENSAYES EN MORTEROS REFORZADOS CON FIBRAS El concreto o el mortero sin ningún refuerzo tiene generalmente una alta resistencia a la compresión, esto es adecuado para muchas aplicaciones. Sin embargo, cuando se requiere propiedades específicas como resistencia a la tensión, a la flexión, al agrietamiento, es necesario reforzarlo. Los diferentes tipos de fibras como son las de acero, vidrio, plásticas y naturales le proporcionan al concreto ductilidad y capacidad de absorber energía. La más importante contribución de las fibras es la de incrementar la tenacidad del compuesto. 14 Las propiedades mecánicas del CRFN son afectadas por muchos factores. Algunos de estos son el tipo, la geometría, la forma y la superficie de la fibra, las propiedades de la matriz de cemento, la proporción de la mezcla, el método de mezclado, de colado y de curado. 15 En esta investigación se evaluó el comportamiento de especímenes de CRFN con dos diferentes relaciones A/C. La relación de 0.65 con un consumo de cemento de 381 kg/m3 resultó ser una mezcla trabajable y de fácil manejo con la fibra. Sin embargo, en el estado endurecido presentó una alta Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Uso de fibras naturales de lechugilla como refuerzo en concreto / César Juárez Alvarado, et al Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 norma ASTM C 78-94. Se obtuvo su módulo de ruptura a flexión, el cual es un índice de la tenacidad Fig. 10. Ensaye a flexión para obtener el módulo de ruptura de especímenes de CRFN. del compuesto. Adicionalmente se registró la deflexión al centro del claro de las barras utilizando un micrómetro de carátula con una precisión de 0.01 mm como se puede ver en la figura 10. Sin Fibra Aceite + Resina Sin Tratamiento Parafina Aceite de Linaza Parafina + Resina 10 Edad 14 días A/C = 0.65 8 Carga ( KN ) permeabilidad, su aplicación puede ser en elementos constructivos de bajo costo y de autoconstrucción. Para la relación de 0.35 con consumo de cemento de 707 kg/m3 fue necesario agregar 10 ml de aditivo superfluidificante por kg de cemento, la mezcla resultante fue trabajable y la adición de las fibras se realizó adecuadamente. Este concreto de mayor densidad e impermeabilidad resulta conveniente para aplicaciones estructurales de mayor costo, no se considera viable para la autoconstrucción. La longitud y el volumen de la fibra fueron de 20 a 30 mm y 1% del volumen total de la mezcla (13.8 kg/m3 ) respectivamente, manteniéndose constantes en todos los colados ya que se trataba inicialmente de evaluar la eficiencia de los tratamientos en la fibra. La mezcla fue realizada en una revolvedora con una capacidad de 40 L. Primero se homogeneizaron los agregados con su agua de absorción y con el agua de absorción de la fibra, posteriormente se agregó el cemento y el agua de reacción, se mezcló durante un minuto, se dejó reposar un minuto y nuevamente se mezcló durante otro minuto. El aditivo se agregó durante el minuto de reposo para la relación A/C de 0.35. Las fibras se adicionaron durante el minuto del segundo periodo de mezclado tratando de evitar que se agruparan, lo que se consiguió parcialmente ya que al vaciar a los moldes se tuvo en algunos casos que separar la fibra manualmente. La mezcla se vació en moldes metálicos de tres barras por molde para fabricar especímenes de 75 x 75 x 280 mm, el vaciado fue realizado en dos capas iguales correspondientes a la mitad de la altura del molde (75 mm). Se compactó con una varilla de acero punta de bala diámetro de 9.5 mm (3/8¨) dando 30 golpes por capa distribuidos en toda el área. Así como 12 golpes al molde metálico con un martillo de goma para cada capa. Se fabricaron tres barras de mortero reforzado con fibra sin tratar y tratada con las cuatro diferentes sustancias protectoras, para las dos relaciones A/C. Todos los especímenes se mantuvieron en sus moldes durante 24 h protegiéndolos de la pérdida de humedad y posteriormente se colocaron dentro de un cuarto de curado con 95 % de humedad relativa hasta el momento de su ensaye. Una primera serie de 18 barras para cada relación A/C se ensayó a los 14 días de edad de acuerdo a la 6 4 2 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Deflexión ( mm ) Fig. 11. Comportamiento a flexión y módulo de ruptura de especímenes de CRFN de relación A/C = 0.65 15 �Uso de fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en concreto / César A. Juárez Alvarado, et al 16 Sin Fibra Sin Tratamiento Aceite de Linaza Aceite + Resina Parafina Parafina + Resina 12 Edad 14 días A/C = 0.35 10 Carga ( KN ) La figura 11 registra los resultados de los ensayes a flexión en las barras con relación A/C = 0.65. Se puede observar que el tratamiento con parafina le permite al compuesto tener el doble de módulo de ruptura en comparación con los otros tratamientos, sin embargo, la resistencia a flexión no se incrementó en comparación con el mortero sin fibras. De esta forma, los especímenes sin fibra resistieron mayor carga, pero su falla es frágil. Este tipo de falla no se presentó en los especímenes con fibra. El sangrado que se presenta en concretos con alta relación A/C, posiblemente influyó para que la resistencia a flexión de los especímenes con fibra fuera menor que la de los especímenes sin refuerzo. En los especímenes con relación A/C = 0.35 donde el sangrado se reduce sustancialmente, se registra mayor módulo de ruptura de acuerdo a la figura 12. De igual forma, el tratamiento con parafina propicia nuevamente un mejor comportamiento a flexión en los especímenes e incluso un mayor módulo de ruptura. De acuerdo a los resultados obtenidos, el medio alcalino de la matriz de cemento a la edad de 14 días no es factor que reduzca la resistencia a flexión, ya que las barras reforzadas con fibras sin tratamiento mantuvieron un adecuado nivel de resistencia. De tal manera, es posible que sean la disminución de la adherencia y el sangrado los principales factores que causaron dicho comportamiento. Cada curva carga vs deflexión de las figuras 11 y 12 es producto del promedio de tres especímenes de mortero, y su área representa la capacidad de absorber energía o la tenacidad del compuesto. En ambas relaciones A/C la curva con mayor área corresponde al mortero reforzado con fibra impregnada con parafina. El comportamiento observado en los especímenes durante el ensaye a flexión, fue de mínima deflexión hasta que se alcanza la carga máxima donde aparece la primera grieta. Posteriormente el espécimen no sostiene la carga, la cual disminuye rápidamente hasta un nivel del 20 % de la carga máxima aproximadamente. En ese punto la carga es sostenida y va disminuyendo paulatinamente, mientras que la deflexión se incrementa sustancialmente. No se observó la formación de pequeñas grietas adicionales a la primera. Al aparecer la primera grieta fue 8 6 4 2 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Deflexión ( mm ) Fig. 12. Comportamiento a flexión y módulo de ruptura de especímenes de CRFN de relación A/C = 0.35. incrementando su ancho durante la aplicación de la carga, por lo que únicamente se generó un solo plano de falla. Esto posiblemente se deba a que la fibra no es capaz de transmitir por adherencia los esfuerzos de tensión a la matriz no agrietada, se observó que la fibra falló por tracción lo que refuerza lo anteriormente mencionado. Para tratar de evaluar la influencia de las variaciones de humedad sobre el comportamiento a flexión de especímenes de CRFN, se sometió a una prueba de ciclos humedecimiento y secado, una segunda serie de 15 barras para ambas relaciones A/C. Todas las barras permanecieron en el cuarto de curado durante 10 meses y posteriormente fueron expuestas a 10 ciclos. Cada ciclo consistió en 12 h dentro de un horno a 70ºC en ambiente húmedo y 12 h en un horno a 70ºC en ambiente seco. Del mismo modo que los resultados en especímenes de 14 días de edad, se mantuvo una tendencia muy semejante. El tratamiento con parafina le permite a los especímenes mantener una adecuada resistencia a flexión. Como puede observarse en la figura 13 el efecto de la alcalinidad de la pasta de cemento parece empezar a ser factor en la resistencia a flexión de los especímenes con fibra sin tratar, ya que para la relación A/C = 0.35 tiene uno de los más bajos módulos de ruptura. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Uso de fibras naturales de lechugilla como refuerzo en concreto / César Juárez Alvarado, et al De acuerdo con los resultados de la figura 13, la fibra tratada con parafina después de 10 meses en el ambiente alcalino propio de la matriz de cemento y después de ser sometida a variaciones de humedad a 70ºC de temperatura, parece mantener la capacidad de reforzar al compuesto. Según los resultados de los ensayes a flexión mostrados en la figura 13, las fibras que fueron tratadas con los aceites y la resina son las más afectadas por la reacción alcalina de la matriz de cemento. Esta reacción propició que la adherencia entre la matriz y la fibra disminuyera, fragilizando a la fibra y por consiguiente, su resistencia a flexión se reduce considerablemente. Para estudiar este efecto se fabricaron especímenes para ensayes a flexión reforzados con fibra tratada con parafina, ya que según los resultados referentes al porcentaje de absorción y la resistencia al medio alcalino de la fibra, así como, el efecto de las sustancias protectoras en la resistencia a flexión de especímenes, la parafina resultó ser el mejor protector de la fibra en comparación con las otras sustancias estudiadas en esta investigación. Los volúmenes de fibra con respecto al total de la mezcla fueron de 0.5, 1, 1.5 y 2%. Y para cada volumen correspondió las siguientes longitudes de fibra: 1020, 20-30, 30-40, 40-50 y 300 mm. La figura 14 muestra los resultados encontrados con estas variables respecto a la flexión. De acuerdo con los resultados obtenidos, para las dos relaciones A/C el comportamiento es muy similar. Como puede observarse en la figura, la fibra con longitud de 300 mm aumentó la resistencia a flexión de las barras. Siendo la combinación con un volumen de fibra de 0.5% la que resultó con mayor incremento en su resistencia. Comparada con las barras sin fibra la Fig. 13. Efecto de los ciclos humedecimiento y secado en la resistencia a flexión de especímenes de CRFN. EFECTO DEL VOLUMEN Y LA LONGITUD DE LA FIBRA Según Aziz, Paramaswivam y Lee3, la resistencia última del concreto con fibras depende principalmente del tipo, de la longitud y del volumen en la mezcla de la fibra. La relación de la longitud y el volumen de fibra difiere para cada tipo de fibra natural. Una cantidad alta de fibra dificulta el mezclado y éstas tienden a apelmazarse, generando inadecuada adherencia lo que disminuye su resistencia. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 Fig. 14. Efecto del volumen y la longitud de la fibra en la resistencia a flexión. Las fibras largas incrementan el módulo de ruptura con respecto al concreto simple. 17 �Uso de fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en concreto / César A. Juárez Alvarado, et al resistencia a flexión aumentó un 20% para ambas relaciones A/C. Se puede observar una tendencia en la resistencia a flexión, la cual disminuyó conforme se incrementó el volumen de fibra. Es posible que la fibra larga tuviera mayor adherencia debido a su longitud. Esto se confirma al examinar la superficie de falla de los especímenes ensayados, en donde se pudo observar que las fibras cortas normalmente tuvieron un tipo de falla de extracción debido a la falta de adherencia. Mientras que las fibras largas presentaron una falla por ruptura de la fibra, lo que indica una adecuada adherencia. Shah16 explica que el compuesto soportará cargas crecientes después del primer agrietamiento de la matriz, si la resistencia a la extracción de las fibras en la primera grieta es mayor que la carga al primer agrietamiento. En la sección agrietada, la matriz no resiste tensión alguna y las fibras soportan toda la carga aplicada al compuesto. Con una carga creciente en el compuesto, las fibras tenderán a transferir el esfuerzo adicional a la matriz a través de esfuerzos de adherencia. Si estos esfuerzos de adherencia no exceden la resistencia de adherencia, entonces puede haber agrietamiento adicional en la matriz. Este proceso de múltiple agrietamiento continuará hasta que fallen las fibras o que la pérdida de adherencia local acumulada conduzca a la extracción de la fibra. Según observaciones durante los ensayes, en los especímenes con fibras cortas la falla por flexión se inició al agrietarse la matriz. En ese momento la carga disminuyó, lo que indica que la fibra no fue capaz de transferir por adherencia los esfuerzos a la matriz, el ancho de la grieta aumentó sin presentarse otros planos de falla hasta que la fibra fue extraída. Para el caso de especímenes con fibras largas, al agrietarse la matriz la fibra fue capaz de sostener la carga de agrietamiento, sin embargo, no pudo soportar cargas crecientes. Al igual que con las fibras cortas, únicamente se presentó un plano de falla, pero la fibra falló por ruptura. Es posible que la fibra no pudiera soportar más carga después del agrietamiento al no transferir efectivamente los esfuerzos a la matriz debido a su bajo módulo de elasticidad. Es decir, la fibra es flexible con alta capacidad de elongación que impide soportar cargas crecientes una vez agrietada la matriz de concreto. 18 CONCLUSIONES 1. Las fibras de lechuguilla tienen significativas propiedades físico mecánicas tal como su resistencia última a tensión, que les permite ser consideradas como posible refuerzo en el concreto. 2. El tratamiento protector con parafina, le permite a la fibra reducir su capacidad de absorción de agua. Además, de mantener un porcentaje aceptable de su resistencia última a la tensión después de haber estado expuesta durante un año a un ambiente húmedo y alcalino, lo que resulta sumamente crítico. 3. La fibra de lechuguilla permite un comportamiento dúctil después del agrietamiento de la matriz de concreto. 4. Las fibras largas adicionadas en bajas cantidades, es decir, con porcentajes bajos del volumen total de la mezcla, proporcionan al concreto la capacidad para soportar mayores cargas de flexión en comparación con el concreto simple. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Uso de fibras naturales de lechugilla como refuerzo en concreto / César Juárez Alvarado, et al REFERENCIAS 1. Coutts, R. S. P., Wood Fibre Reinforced Cement Composites, Concrete Technology and Design Vol. 5, Natural Fibre Reinforced Cement and Concrete, edited by R. N, Swamy, Blackie and Son Ltd, U.K., 1988, pags. 1 – 62. 2. ACI Committe 544, State-of-the-Art on Fiber Reinforced Concrete, ACI Manual of Concrete Practice, Part 5, 1998, pags. 544.1R-1 – 544.1R-66. 3. Aziz, M. A., Paramasivam, P., Lee, S. L., Prospects of Natural Fiber Reinforced Concretes in Construction, Int. J. Cement Composites and Lightweight Concrete, Vol. 3, No. 2, 1981, pags. 123 – 132. 4. Romanh, De la Vega, C. F., Principales Productos Forestales no Maderables de México, Universidad Autónoma de Chapingo, Depto. De Enseñanza, Investigación y Servicio en Bosques, Chapingo, Méx., Publicaciones Especiales, 1984, pags. 366 – 408. 5. Rechy de von Roth, M., Estudio Integral Tecnológico de Cinco Especies del Género Yucca para Uso Industrial, Facultad de Ciencias Forestales, Universidad Autónoma de Nuevo León, 2000, 91 pags. 6. 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Zapién, Barragán, M., Evaluación de la Producción de Ixtle de Lechuguilla en Cuatro Sitios Diferentes, Primera Reunión Nacional sobre Ecología, Manejo y Domesticación de las Plantas Útiles del Desierto, Memoria del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, SARH, Monterrey, N.L., Méx., 1980, pags. 385 – 389. 11. Gram, H. E., Natural Fibre Concrete Roofing, Concrete Technology and Design Vol. 5, Natural Fibre Reinforced Cement and Concrete, edited by R. N, Swamy, Blackie and Son Ltd, U.K., 1988, pags. 256 – 285. 12. Levine, I. N., Fisicoquímica, Cuarta edición, Vol. 1, ed. by McGraw Hill, 1996, pags. 379 – 382. 13. Gram, H. E., Durability of Natural Fibres in Concrete, Concrete Technology and Design Vol. 5, Natural Fibre Reinforced Cement and Concrete, edited by R. N, Swamy, Blackie and Son Ltd, U.K., 1988, pags. 143 – 172. 14. Mehta, K., Monteiro, P., Concreto Estructura, Propiedades y Materiales, Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C., México, 1998, pags. 286 – 297. 15. Fördös, Z., Natural or Modified Cellulose Fibres as Reinforced in Cement Composites, Concrete Technology and Design Vol. 5, Natural Fibre Reinforced Cement and Concrete, edited by R. N, Swamy, Blackie and Son Ltd, U.K., 1988, pags. 173 – 207. 16. Shah, S. P., ¨ Marikunte, S. S., Fiber Reinforced Concrete, Proc. of ACBM Faculty Enhancement Workshop, 1993, pp. 226 – 252. 19 �Sistemas de climatización de automóviles Problemática medioambiental de los refrigerantes Francisco Mata Cabrera Escuela Universitaria Politécnica de Almadén. Universidad de Castilla-La Mancha. francisco.MCabrera@uclm.es RESUMEN Se asiste en los últimos años a un desarrollo espectacular del conjunto de tecnologías que incorporan los automóviles, dominado por la presencia de sistemas electrónicos y automáticos cada vez más sofisticados que han ido dejando obsoletos a los circuitos y mecanismos tradicionales. Con este punto de partida, se analizan en este artículo los sistemas de climatización implantados actualmente en automóviles, centrándose en la tipología y características de los refrigerantes utilizados. En particular, se analiza la problemática asociada a los refrigerantes convencionales, suscitada en parte a raíz de las exigencias de la legislación ambiental y por la necesidad de mejorar la eficiencia energética del proceso. Además, dado que no está permitida la eliminación de las sustancias refrigerantes, se estudian los equipos necesarios para su recuperación y reciclado, aspecto de suma importancia en el sector. PALABRAS CLAVE Automóvil, climatización, refrigerante, medio ambiente. ABSTRACT A spectacular technological development in the automotive industry, mainly on electronic and automatic systems, have left obsolete the traditional circuits and mechanisms. Newly introduced automotive air conditioning systems are analyzed in this article, particularly the types and characteristics of the coolants employed. The problems of conventional coolants, derived from an increasingly demanding legislation and the necessity to improve efficiency is also discussed. The systems and equipment needed in the recycling of cooling fluids are also briefly studied. KEYWORDS Automobile, air conditioning, coolant, environmental. 20 Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Sistemas de climatización de automóviles. Problemática... / Francisco Mata Cabrera ANTECEDENTES En la última década del ya pasado siglo XX, coincidiendo con un formidable desarrollo de la electrónica y de la tecnología de nuevos materiales, tuvo lugar una verdadera revolución en el sector de la fabricación de automóviles. Las nuevas tecnologías permitían incorporar de serie y a costes relativamente bajos prestaciones que o bien antes no eran posibles por falta de desarrollo tecnológico o bien eran prohibitivas por su elevado costo. Hoy por hoy, cualquier usuario de un vehículo está familiarizado con términos como sistema antibloqueo de frenos, control electrónico de tracción, dirección de asistencia variable o suspensiones hidroactivas, por citar sólo algunos ejemplos. Pues bien, en este nuevo concepto de automóvil, en el que destacan por encima de todo la seguridad y la confortabilidad , cobra especial interés el acondicionamiento térmico del habitáculo. Efectivamente, el equipo de aire acondicionado o, mejor aún, el equipo de climatización, pasa por ser una exigencia indispensable cuando se adquiere un vehículo nuevo. Un análisis del parque automovilístico a nivel mundial arroja cifras significativas que pueden llegar a ser preocupantes desde el punto de vista medioambiental. A la contaminación originada por las emisiones de los escapes se suma también el riesgo significativo de los refrigerantes que se han venido utilizando y que, de hecho, siguen en circulación en muchos países. Los refrigerantes utilizados en los equipos de aire acondicionado resultan ser agentes muy agresivos con la capa de ozono, además de contribuir de manera notable al efecto invernadero. Su estabilidad en las capas altas de la atmósfera Fig. 1. El confort y la seguridad son las prestaciones más valoradas en los automóviles modernos. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 multiplica sin duda su poder de degradación del ozono estratosférico. Esta situación ha motivado la sustitución de los refrigerantes clorados por otros compuestos menos dañinos, como veremos. SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN Al igual que ocurre en la climatización de un local, donde es necesario estimar las ganancias y las pérdidas de calor, en función del coeficiente de transmisión de calor de los diferentes cerramientos, de las cargas térmicas del interior y de las necesidades de ventilación, en el caso de los automóviles los argumentos utilizados vienen a ser similares, con algunas salvedades obvias como son la reducción del espacio del habitáculo, el incremento de las necesidades de renovación del aire o el calor transmitido desde el motor. Se hace necesario, pues, realizar un estudio exhaustivo que tenga en cuenta todas las ganancias potenciales de calor, en función del número máximo de ocupantes, así como las pérdidas, según se trate de calentar o refrigerar el ambiente del interior del vehículo. Como en otros ciclos frigoríficos, en el caso del equipo de aire acondicionado de un automóvil, la refrigeración se produce como consecuencia de la expansión de un gas licuado a cierta presión. En el funcionamiento normal del ciclo el gas refrigerante aumenta de presión y temperatura en el compresor y posteriormente se enfría en el condensador, por el que se hace pasar en circulación forzada aire exte- Fig. 2. Circuito de climatización con regulación automática de la temperatura. 21 �Sistemas de climatización de automóviles. Problemática... / Francisco Mata Cabrera rior por medio de un ventilador axial. Una vez que pasa a través de la válvula de expansión, el líquido refrigerante se dirige al evaporador, donde absorbe calor procedente del aire interior del habitáculo y se evapora. Los nuevos modelos de automóviles incorporan un sistema de gestión automática de la temperatura del aire del interior del vehículo (Climatronic) mediante un procesador que, recibiendo señales de una serie de sensores, evalúa y compara las temperaturas exterior e interior y se encarga de controlar los caudales de refrigerante, adaptando su presión y temperatura para mantener constante el nivel de confort térmico. CARACTERIZACIÓN DE LOS REFRIGERANTES UTILIZADOS EN AUTOMOCIÓN Como se ha apuntado, el sistema empleado en la climatización de automóviles enfría mediante compresión mecánica del fluido refrigerante, que se vaporiza absorbiendo calor a baja presión y se condensa cediendo calor a alta presión. El refrigerante más utilizado en equipos de climatización de automóviles ha sido el R-12. En menor medida también se han utilizado el R-22 y el R-502. Los problemas medioambientales derivados de la destrucción de la capa de ozono que origina la presencia de cloro en su composición han motivado su sustitución por el R-134a, introducido por DuPont y de características técnicas muy similares, pero prácticamente inocuo con la capa de ozono de la atmósfera. Las propiedades exigibles a los gases refrigerantes, desde el punto de vista técnico, son las siguientes: • Bajo punto de ebullición. • Alto calor latente de vaporización para aumentar la eficiencia con menos cantidad de refrigerante y, al mismo tiempo, reducir el tamaño relativo de los elementos de la instalación. • Rango de presiones de condensación. Interesa que las presiones de condensación no sean muy altas, ya que de lo contrario las exigencias sobre el diseño del compresor deberían ser mayores. 22 • Rango de presiones de evaporación. Para evitar entradas de aire en el sistema las presiones de evaporación deben ser superiores a la presión atmosférica. • Temperatura de congelación del líquido. Debe ser inferior a las temperaturas de trabajo más bajas. • Temperatura y presión críticas. Han de ser superiores a las temperaturas y presiones de trabajo. • Bajo volumen específico, con el fin de reducir el tamaño del compresor y de las tuberías de conexión. • Conductividad térmica. Cuanto más alto sea su valor menores serán los tamaños requeridos para el evaporador y para el condensador. • Baja viscosidad. • Inactividad y estabilidad químicas. • Baja temperatura de descarga, a fin de no recalentar el compresor y aprovechar al máximo el condensador. • Baja relación de compresión para reducir el consumo de energía en el compresor. En suma, los criterios utilizados para seleccionar el refrigerante se basan en sus propiedades de seguridad, a saber: • Debe ser químicamente inerte (no inflamable, no tóxico, no explosivo) tanto en estado puro como mezclado con aire en cierta proporción. • No debe reaccionar desfavorablemente con el aceite lubricante ni con cualquier material utilizado en la construcción del equipo. • No debe reaccionar desfavorablemente con la humedad. • No debe contaminar el aire en caso de fuga. La tabla I presenta los valores típicos de las diferentes propiedades físicas y químicas para los refrigerantes R-12 y R-134a. Sin duda alguna, la diferencia más significativa entre los dos gases estriba en su potencial de destrucción de la capa de ozono, que es prácticamente nulo en el caso del R-134a. Las líneas actuales de investigación en refrigerantes para automoción se centran, por una parte, en diversas mezclas de HFC Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Sistemas de climatización de automóviles. Problemática... / Francisco Mata Cabrera Tabla I. Propiedades físicas y quiímicas del R-12 y del R134a.6 R-12 R-134a Fórmula química CCl2 F2 CH2 FCF3 Peso molecular (g/mol) 120.9 102.0 Punto de ebullición (ºC) -29.8 -26.1 Punto de congelación (ºC) -158 -101 Temperatura crítica (ºC) 112 101.1 Presión crítica (Bar) 41.15 40.60 Volumen crítico (m3/kg) 1.79 x 10e-3 1.95 x 10e-3 Densidad crítica (kg/m 3 ) 558 511.7 Densidad del líquido (a 25ºC) (kg/m 3) 1310.9 1206 Tensión de vapor (a 25 ºC) (Bar) 6.51 6.66 Densidad del vapor saturado (kg/m3) 6.31 5.26 Calor específico del líquido (25ºC) (kJ/kg.K) 0.9809 1.43 Calor específico del vapor (25 ºC) (kJ/kg.K) 0.6755 0.852 Calor de evaporación (kJ/kg) 135.25 217.1 Conductividad térmica (25 ºC) Líquido (W/m.K) Vapor (W/m.K) (Hidrofluorocarburos) que reduzcan su tiempo de permanencia en la atmósfera y sus potenciales efectos nocivos sobre el medio ambiente y, por otra, en una nueva gama de refrigerantes ecológicos específicos para las necesidades de los equipos de climatización de automóviles. Además, puesto que la solución generalizada actualmente es el uso del R-134a, las empresas fabricantes realizan importantes esfuerzos en investigación y desarrollo en el diseño del propio circuito de refrigeración, tendentes a aumentar la eficiencia del proceso, de manera que se pueda disminuir la cantidad de fluido refrigerante por unidad. Esto, junto con la mejora de la formación de los profesionales que deben manipular los equipos, procediendo a su carga y descarga, conseguirá mitigar, aunque sólo en parte, los problemas medioambientales asociados. PROBLEMAS MEDIOAMBIENTALES Está probado que la capa de ozono de la atmósfera actúa a modo de escudo frente a la radiación ultravioleta procedente del sol. También es una realidad la reducción progresiva de la concentración de ozono, especialmente en determinadas zonas, motivada principalmente por la utilización de compuestos CFC (Clorofluorocarburos) presentes tanto en aerosoles como en refrigerantes. El cloro de los CFC actúa como catalizador de las reacciones de destrucción del ozono (ciclo cloro catalítico del ozono), bajo la acción de la energía de la radiación solar, 70.19 x 10e-3 82.45 x 10e-3 9.7 x 10e-3 14.5 x 10e-3 Viscosidad (a 25 ºC y 1,013 bar) Líquido (N.s/m 2 ) Vapor (N.s/m2 ) 0.258 x 10e-3 0.0125 x 10e-3 0.204 x 10e3 0.012 x 10e3 Tensión superficial (25 ºC) (N/m) 0.009 0.0083 Solubilidad en el agua (a 25 ºC y 1,013 bar) (Peso %) 0.028 0.15 Solubilidad del agua en el refrigerante (25 ºC) (Peso %) 0.009 0.11 Límite de inflamabilidad en el aire NO NO Potencial de destrucción del ozono 1 0 Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 Agujero en la capa de ozono en la región antártica el día 7 de septiembre de 2003. 23 �Sistemas de climatización de automóviles. Problemática... / Francisco Mata Cabrera transformando dos moléculas de ozono en tres de oxígeno y dando lugar a una reacción en cadena. Cl3 CF + hv (l < 230 nm) Cl2 CF + Cl 2 Cl + 2 O3 2 ClO + 2 O2 2 ClO + 2 O 2 Cl + 2 O2 Además, la presencia de estos compuestos en la atmósfera también contribuye al conocido efecto invernadero. Dada la gravedad de este problema, las diferentes naciones comenzaron a plantear restricciones legales a la producción y comercialización de Tabla II. Impacto medioambiental de algunos refrigerantes.6 Compuesto Pontencial Potencial de de Duración efecto degradación del efecto invernadero de ozono (años) (HGWP) (ODP) CFC 11 1.0 1.0 60 CFC 12 0.92-1.0 2.8-3.4 120 CFC 113 0.82-0.89 1.4 90 CFC 114 0.63-0.79 3.7-4.1 200 CFC 115 0.36-0.45 7.5-7.6 400 HCFC 22 0.042-0.057 0.374-0.37 15.3 HCFC 123 0.013-0.019 0.017-0.20 1.6 HCFC 124 0.016-0.021 0.09-0.10 6.6 HCFC 141b 0.066-0.092 0.087-0.097 7.8 HCFC 142b 0.053-0.059 0.34-0.39 19.1 HFC 125 0 0.51-0.65 28.1 HFC 134a 0 0.25-0.29 15.1 HFC 143a 0 0.72-0.76 41 HFC 152a 0 0.026-0.033 1.7 24 estas sustancias. Desde la firma del Protocolo de Montreal, en 1989, en el que se adoptaron compromisos para reducir en un 50% las emisiones de gases CFC, hasta el Protocolo de Kioto, de 1997, que supuso reducir prácticamente a cero las emisiones de gases invernadero, se han ido adoptando compromisos cada vez más restrictivos a la utilización de estos compuestos. Es evidente que, en el caso que nos ocupa, el R12 es un magnífico refrigerante; ahora bien, su poder de degradación y destrucción del ozono atmosférico le ha hecho ser sustituido, como se comentó más arriba, por el R-134a, de similar eficiencia pero mucho menos agresivo con el medio ambiente. No obstante, todos los HFC plantean problemas de efecto invernadero y han sido incluidos en el Protocolo de Kioto, de modo que su utilización se encuentra también sujeta a restricciones. La tabla II muestra los potenciales relativos de degradación de la capa de ozono y de efecto invernadero junto con la duración atmosférica media de algunos de los compuestos de carbono halogenados. Como se puede apreciar, la sustitución de los CFC por los HCFC (Hidroclorofluorocarburos) y HFC supone una reducción drástica de los efectos negativos sobre el medio ambiente, en términos de degradación de la capa de ozono y de efecto invernadero. RECUPERACIÓN Y RECICLADO DE REFRIGERANTES Existen unos aparatos que además de realizar las funciones específicas para la carga del equipo de climatización del vehículo permiten recuperar el refrigerante, cuando se vacía un equipo, reciclarlo y dejarlo disponible para usos posteriores. Son las denominadas estaciones automáticas de recuperación, reciclado y carga del refrigerante. Un vez recuperado el refrigerante, se recicla, reduciendo la presencia de los elementos contaminantes que contiene (humedad, aire, aceite) hasta los valores especificados por las normativas SAE J 1991 para el R12 y SAE J 2099 para el R134a. Recordemos que, de acuerdo con la legislación vigente, en la mayoría de los países está prohibido eliminar el refrigerante al ambiente, siendo obligatoria o al menos muy recomendable su recuperación. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Sistemas de climatización de automóviles. Problemática... / Francisco Mata Cabrera reciclado y retorno en condiciones de uso al depósito acumulador. • Filtro para interceptar las partículas sólidas formadas como consecuencia de la presencia de humedad y ácidos corrosivos. • Destilador para la separación del aceite. • Equipo de condensación para la separación de gases. • Balanza electrónica para controlar el peso del refrigerante. • Microprocesador para gestionar todo el proceso de forma automática. Concluidas las operaciones de carga se debe poner en marcha el equipo de aire acondicionado del vehículo para realizar el control de las prestaciones. Tomando como referencia la temperatura ambiental y considerando el tipo de refrigerante, los valores de las presiones que indican un funcionamiento correcto del equipo se encuentran comprendidos en los intervalos indicados en la tabla III: Fig. 3. Estación automática de recuperación, reciclado y carga de refrigerante. El equipo especial utilizado para la recuperación, reciclado y carga del refrigerante está constituido por: • Compresor hermético, que aspira el refrigerante durante el vaciado del equipo A/C y lo pone en circulación por el interior de la estación para su Fig. 4. Proceso de carga del fluido frigorígeno. 1. Cilindro de carga, 2. Manómetro, 3. Válvula de carga, 4. Pesos, 5. Fluido frigorígeno. Tabla III. Presiones de referencias6 Comprensor de cilindrada variable (V) T.ext. (ºC) Compresor de cilindrada fija (F) R134a B.P (Kg/cm 2) R134a A.P. (Kg/cm 2) B.P. (Kg/cm 2) R12 A.P. (Kg/cm 2) B.P. (Kg/cm 2) A.P. (Kg/cm 2) Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max 15.5 1.5 2.3 9.5 13.0 0.5 3.0 9.5 13.0 0.5 3 8.5 12.0 21.0 1.5 2.3 12.5 17.5 0.5 3.0 12.5 17.5 0.5 3 10.5 17.5 26.5 1.5 2.3 14.0 20.5 0.5 3.0 14.0 20.5 0.5 3 12.5 19.0 32.0 1.5 2.5 16.0 24.0 0.5 3.5 16.0 24.0 0.5 3.5 14.0 22.0 38.8 1.5 2.5 18.5 25.05 0.5 3.5 18.5 25.5 0.5 3.5 16.0 23.0 43.0 1.5 2.5 22.0 28.5 0.5 3.5 22.0 28.0 0.5 3.5 19.0 25 Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 25 �Sistemas de climatización de automóviles. Problemática... / Francisco Mata Cabrera CONCLUSIONES Para solventar el problema medioambiental que originan los refrigerantes se hace necesaria no sólo la concienciación de todos los usuarios, sino especialmente el compromiso firme de los dirigentes políticos que son, en última instancia, quienes marcan el rumbo de los acontecimientos. La sustitución de los derivados CFC y HCFC requiere inversiones en adaptación de equipos y desarrollo de nuevas tecnologías para la refrigeración. Ahora bien, es imprescindible la colaboración de las empresas del sector, dando lugar a una cierta sinergia que acabe por implantar nuevos refrigerantes más ecológicos, en consonancia con otros avances deseables como la utilización de combustibles no fósiles, la reducción de las emisiones contaminantes, etc. 26 BIBLIOGRAFÍA 1. Losilla, F., Mata, F. y otros., 2001, Monografías didácticas del curso Tecnologías del automóvil, Asociación de Antiguos Alumnos de la Escuela Universitaria Politécnica, Almadén. 2. Mata, F., Nuevos refrigerantes para equipos de climatización de automóviles, I Congreso Español de ciencias y técnicas del frío, 2002, Cartagena. 3. Sánchez, M.T., 2000, Ingeniería del frío. Teoría y Práctica, Ed. A. Madrid Vicente, Mundi-Prensa Libros, S.A. 4. Koelet, P.C., 1997, Frío Industrial: fundamentos, diseño y aplicaciones, Ed. A. Madrid Vicente. 5. Lamua, M, 1986, Fluidos frigorígenos, Collegi Oficial d´Eenginyers Agronoms de Catalunya. Barcelona. 6. Varios, 2000, Aire acondicionado del automóvil, Centro Nacional de Automoción, Valladolid. 7. Varios, 2001, Fichas técnicas de vehículos, Centro de Investigación y Experimentación, CESVIMAP, Avila. 8. Sagan, C., 2001, Miles de millones, Ed. Suma de letras, S.L., Madrid. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Diseño óptimo de elementos mecánicos usando algoritmos de crecimiento biológico Francisco Ramírez Cruz, Ubaldo Ortiz Méndez Programa Doctoral de Ingeniería de Materiales, FIME-UANL. ramirez@uanl.mx Fco. Eugenio López Guerrero, Rigoberto Guzmán Anaya Departamento de Sistemas Integrados de Manufactura, FIME-UANL. Pedro de Alba s/n, Apdo. Postal 9-”F”, CP. 66450, San Nicolás, N.L., México. Tel: (0052-81) 8329-4020. Fax: (0052-81) 8332-0904. elopez@uanl.mx RESUMEN En el diseño de componentes mecánicos se encuentran frecuentemente cambios de geometría no uniformes que junto con las inclusiones y defectos dentro de los materiales pueden dar lugar a un incremento en el valor de los esfuerzos. La distribución de estos esfuerzos en piezas con geometría compleja se puede predecir y es deseable optimizar las zonas en donde estos se concentran. Se describe el uso de algoritmos de crecimiento biológico en un ambiente de elemento finito para modificar geometrías modeladas con matemática de superficies libres y curvas splines para poder alcanzar la distribución uniforme y optimizada de esfuerzos que se encuentra en la naturaleza. Convirtiendo así al diseño mecánico en un “diseño biológico”. PALABRAS CLAVE Elemento finito, crecimiento biológico, concentración de esfuerzos, superficies libres, optimización de la forma. ABSTRACT The geometries created by nature are often used as a base in the computer geometric modeling and they are applied in areas like biomechanics. Other natural behaviors are inspiring engineers to find better designs with improved functionality. This work presents the use of algorithms of biological growth embeded in a finite element environment in order to modify the shape of cast parts, minimizing their maximal stress. Initially the analysis of the shape using the method of conventional finite element is presented. Later the same geometries are optimized using algorithms of biological growth. Finally the results of both strategies are compared. KEYWORDS Finite element, bio-design, notch stress, biological growth, shape optimization, B-Splines. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 27 �Diseño óptimo de elementos mecánicos usando algoritmos de crecimiento biológico / Francisco Ramírez Cruz, et al INTRODUCCIÓN En la práctica de diseño de componentes mecánicos se analizan los aspectos funcionales, se dimensiona y calculan los esfuerzos debidos a las cargas que soportarán. Además se analizan los aspectos del proceso de manufactura que influyen directamente con la forma última del producto. En el caso de piezas fundidas es deseable evitar los corazones en el molde y así reducir costos. El desarrollo vertiginoso de productos obliga al ingeniero en diseño a utilizar sistemas computacionales que le permitan analizar las posibles zonas críticas que presenten elevaciones de esfuerzo de piezas antes de que éstas sean fundidas. Resulta deseable que las piezas de fundición sean optimizadas bajo criterios de minimización de los esfuerzos máximos y poder así garantizar la vida útil del componente. Esto es posible desde la fase de análisis y diseño del componente por medio de técnicas de elemento finito y la aplicación de algoritmos de crecimiento biológico. Ver figura 1. A través de múltiples análisis a estructuras biológicas como árboles, huesos, garras y espinas se ha comprobado con el método de elementos finitos que dichas estructuras se encuentran optimizadas respecto a su carga y que para todas ellas es válido el principio de superficies con esfuerzos constantes.1 Recientemente una nueva rama de ciencia llamada Biónica investiga el diseño de estructuras biológicas y su posible transferencia al campo de la tecnología. En este contexto debe ponerse atención especial a Nachtigall2 cuya variedad de publicaciones expone muchos fenómenos interesantes en la naturaleza (alas de aves, escamas de tiburones, etc.). Fig. 1. Método para la optimización geométrica utilizando algoritmos de crecimiento biológico. 28 OBJETIVOS Los objetivos particulares de este trabajo son: • Estimar la distribución de los esfuerzos en el cubo de un sistema de energía eólico mediante una simulación de elemento finito. • Reducir la concentración de esfuerzos máximos aplicando el método Bio-Design. • Comparar los resultados geométricos antes y después de la optimización. El método de elemento finito El método de elemento finito basa su operación3 en la capacidad de dividir un continuo en un número finito de elementos, para posteriormente resolver un sistema de funciones continuas, considerando las interacciones que pudieran ocurrir entre ellos.4 Con la ayuda de este método es posible analizar el esfuerzo de una manera relativamente exacta y rápida de un componente así como posteriormente realizar su optimización. La secuencia de pasos para la solución de un problema por medio del elemento finito es: • Discretizar la región, • Especificar las funciones de interpolación, • Desarrollar el sistema de ecuaciones, • Resolver el sistema de ecuaciones. Los programas computacionales de elemento finito ofrecen una forma de resolver problemas complejos mediante la subdivisión de elementos más simples interrelacionados.5 En conjunto con el módulo de cálculo, las propiedades de los elementos imbuidos en los programas computacionales permiten resolver problemas acordes a ellas;6 esa es la razón por la cual el espectro de selección de elementos en un programa de computadora de elemento finito es amplio. El método tiene dos características: • Utiliza elementos discretos para calcular los valores de los grados de libertad en los puntos de unión y con éstos obtener valores derivados que resulten de interés en cada miembro de un sistema discreto. • Usa los elementos continuos para obtener soluciones aproximadas a sistemas continuos como transferencia de calor y mecánica de fluidos. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Diseño óptimo de elementos mecánicos usando algoritmos de crecimiento biológico / Francisco Ramírez Cruz, et al LA TÉCNICA BIO-DESIGN En contraste con programas de optimización matemáticos, los métodos de criterios de optimización sacan ventaja del conocimiento mecánico y físico del problema respectivo. El criterio óptimo mejor conocido en el campo de mecánica estructural es el “Fully Stressed Design” (Diseño completamente esforzado). Las hipótesis acerca de la homogenización y minimización de esfuerzos son también criterios de optimización. 7, 8 Estos criterios y el comportamiento del modelo físico en respuesta a los cambios geométricos están imbuidos en los algoritmos de solución del método de crecimiento biológico. El objetivo de este método consiste en reducir la concentración de esfuerzos a través del crecimiento adaptable hasta obtener una distribución de esfuerzos homogéneos a lo largo de la superficie del componente. La regla mecánica subyacente que determina una concentración de esfuerzos igualmente distribuidos es el axioma de esfuerzos constantes formulada por Mattheck. 9 La secuencia de pasos para la solución de un problema de optimización geométrica por medio del método de crecimiento biológico es: • Definir la región a optimizar. • Especificar los objetivos de optimización (minimización del esfuerzo máximo). • Definir restricciones del movimiento de los nodos. En el problema de optimización se definen las variables de diseño (los nodos maestros) bajo las fronteras límite de la región o superficie que se desea modificar durante el Bio-Design, así como su dirección de cambio, es decir crecimiento, reducción o ambas, de la sección a optimizar. La figura 2 representa el cambio de posición de las variables de diseño. Fig. 2. Definición de los nodos maestros. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 A través de un análisis de elemento finito se estima la distribución de los esfuerzos σcriterio utilizados en el proceso para que sirvan como criterio de optimización por ejemplo: • Teoría de la Energía de Distorsión llamada también “Teoria de von Mises”, • Teoría del esfuerzo normal máximo, • Criterio de Tresca. entre otras. Dependiendo del valor del esfuerzo de referencia σref , serán calculados los vectores de desplazamiento de los nodos maestros. La dirección de cambio en cada iteración k, es decir crecimiento o reducción de los nodos de diseño n, está dada por el vector normal a la superficie vi de acuerdo a: nix   y ni   niz    k+i k  nix   vix      = niy  + αik viy   niz   viz      k +i (1) αi k representa el valor a lo largo de la dirección de desplazamiento para los nodos maestros y está definido por: ( i αik = ξ σicriterio − σref ) (2) El parámetro ξ es un factor de incremento que acelera el proceso y asegura la convergencia estable. En la optimización las siguientes opciones son consideradas: • Si α i k > 0 habrá crecimiento. • Si α i k < 0 habrá reducción. Es deseable restringir el desplazamiento independiente de cada coordenada de los nodos así como también restringir el desplazamiento máximo del conjunto de nodos para facilitar ciertos procesos de manufactura. La reubicación de los nodos dentro del proceso de optimización tiene como requisito formar curvas con suavidad geométrica y evitar uniones con cambios abruptos en su trayectoria. Esta condición de continuidad geométrica es necesaria para evitar que en la zona de optimización se generen elevaciones de esfuerzo. A continuación se detalla la forma matemática para cumplir con esta restricción geométrica en la optimización de elementos finitos con el Bio-Design. 29 �Diseño óptimo de elementos mecánicos usando algoritmos de crecimiento biológico / Francisco Ramírez Cruz, et al CURVAS DE BEZIER La parametrización de una curva por medio de la de sus componentes coordenadas x(u), y(u), z(u) puede ser arbitraria, y en consecuencia es posible obtener un espectro de curvas amplio. 10 Las curvas de Bezier se basan en los polinomios de Bernstein, que a su vez se definen11 como: Bi, n(u) := n! i n −i u ⋅( 1 − u) i! ⋅( n − i)! (3) En donde 0 < u < 1. i es el índice del vector de n polinomios. Algunas ventajas que justifican su uso12, 13 son: • No negatividad: Bi,n (u) >= 0 para toda i,n y 0<u<1. • Partición unitaria. • B0,n (0) = Bn,n (1) = 1. • Simetría con respecto a: u=i/n. • Definición recursiva inclusive sus derivadas. Las curvas de Bezier son un caso particular de splines,12 y se definen como la multiplicación de estos polinomios por un vector de puntos {P i }. x(u) := n C(u) := ∑ PB i i, n(u) i (4) =0 Las ventajas de representar curvas parametrizadas por este método14 se pueden concluir a través de las propiedades:: • Los polígonos de control aproximan la silueta de la curva. • P 0 = C(0) y Pn = C(1). • Las direcciones de tangencia de los puntos inicio y final son paralelos al segmento P 1 -P 0 y P n -P n-1. CONTINUIDAD GEOMÉTRICA El requisito para poder formar una curva a través de la unión de una sucesión de curvas es la continuidad geométrica.15-17 Ésta expresa la suavidad de la unión de dos curvas. Significa que a lo largo de una trayectoria determinada en las uniones de las curvas no existen altibajos o cambios abruptos de trayectoria. Considerando una curva compuesta de dos segmentos, la continuidad geométrica se definiría 30 así: si los dos segmentos de curva están unidos en un punto, entonces la curva tiene continuidad geométrica y se representa por G0 . Si las direcciones de las tangentes de cada segmento son iguales en el punto de unión, entonces se dice que la curva tiene continuidad geométrica G1 . Si los vectores tangente (primer derivada) de cada segmento son iguales tanto en magnitud como en dirección en el punto de unión, entonces se dice que la curva tiene continuidad geométrica C1 . Si los vectores resultado de la derivada n de ambos segmentos en el punto de unión son iguales, entonces se dice que la curva tiene Cn (continuidad geométrica n). Una modificación refinada de la curva es posible “jalándola“ hacia los puntos de control intermedios. De esta manera puede modificarse sin alterar los puntos de control, conservando con esto la continuidad geométrica.12, 11 El mecanismo para hacerlo es utilizando un vector de pesos {wi} y con ello obtener la curva racionalizada (ver figura 3). Este vector es un valor de peso asignado a cada punto de control. El cálculo de las coordenadas será. X(u) y(u) := W(u) Y(u) W(u) z(u) := Z(u) W(u) (5) en donde n W(u) := ∑ w ⋅B i i =0 i, n(u) (6) También es posible alterar la trayectoria de la curva de Bezier modificando la posición de los puntos de control. Para que exista continuidad geométrica en una cadena de curvas de Bezier es necesario que el último punto del polígono de control de una curva sea el primero del polígono de control de la siguiente. Ya que la pendiente de la curva en sus extremos está determinada por el segmento de puntos de control inicial (o final, según sea el caso) la condición de continuidad geométrica está determinada por la posición del segmento final de la curva con respecto al inicial de la siguiente. Para cumplir con la condición de G1 basta con que los tres puntos –que determinan la unión de los dos segmentos en cuestión- sean colineales. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Diseño óptimo de elementos mecánicos usando algoritmos de crecimiento biológico / Francisco Ramírez Cruz, et al CURVA DE BEZIER 30 25 Py Qy 20 CPy( u) . 15 CQy (u ) 10 5 0 0 5 10 15 20 Px, Qx, CPx( u) , CQx( u) (a) (a) CURVA RACIONAL DE BEZIER 30 Qy Pyi 25 CPy( u ) 20 CQy ( u) 15 . y P( u ) y q( u ) 10 5 0 0 5 10 15 20 Qx, Pxi , CPx( u ) , CQx( u ) , xP ( u) , xq( u ) (b) (b) Fig. 3. (a) Ejemplo de dos curvas Bezier mostrando los polígonos y vectores de puntos de control. (b) Curva resultante tras considerar el vector de pesos {wi}. Fig. 4. (a) Modelo construido a partir de curvas Bezier mostrando los polígonos y los puntos de control. (b) El mismo modelo modificado a partir del reposicionamiento de algunos puntos de control. Este método se encuentra imbuido en el algoritmo de crecimiento biológico. De esta manera asegura obtener una transición suave entre las superficies de unión. Las condiciones iniciales de la optimización son las variables de diseño (nodos maestros) y esfuerzo de referencia que se obtiene considerando la región crítica y en base de un estudio previo del diseño calculado por la empresa AERODYN y entregados a la compañía GERMANISCHEN LLOYD para su verificación. METODOLOGÍA A partir del análisis estático de la distribución de los esfuerzos máximos a través del método de elementos finitos del cubo (figura 5) utilizado en un sistema de energía eólica diseñado para una potencia de 250 kW, es posible definir la zona crítica a optimizar. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 El foco de interés de este trabajo consiste en analizar la distribución de los esfuerzos máximos en la zona crítica después de la optimización así como los cambios geométricos generados. 31 �Diseño óptimo de elementos mecánicos usando algoritmos de crecimiento biológico / Francisco Ramírez Cruz, et al Fig. 5. Sistema de Fuerzas y Momentos actuantes sobre el cubo central de un generador eólico. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN La simulación se hizo utilizando un programa de computadora comercial tanto para la distribución de esfuerzos como para la optimización. La figura 6 muestra el modelo geométrico del cubo que sirve como el principal elemento de conversión de la fuerza impulsora del viento en el par de giro del generador de energía eléctrica representado en la figura 5. El cubo tiene una longitud de brazo de 1325mm. Los 3 brazos tienen un diámetro de 500mm. En la parte central se encuentra una brida con un diámetro de 650mm que sirve como sujeción del cubo con la transmisión de la central eólica. En cada uno de los brazos se encuentra un agujero alargado de 300mm de largo y 150mm de ancho que sirve para dar acceso al montaje de las aspas. El material usado en la simulación es hierro fundido nodular comercial para los cubos eólicos. Los valores de Poisson, el Módulo de elasticidad y la densidad se muestran en la tabla I. Tabla I. Valores utilizados. Coeficiente de Poisson 32 Fig. 6 Modelo geométrico de elementos finitos del cubo central representado en la figura 5. En la modelación se asignaron las condiciones de frontera mostradas en la figura 5 cuyos valores se presentan en la tabla 2a y 2b provenientes del informe GL-Prüfbericht Nr. 70371-1 del 24 de enero de 1994. Tabla IIa. Datos usados en la definición de condiciones frontera. Fuerza en N. Lugar Fx Fy Fz Aspa 1 18180 -152 132500 Aspa 2 22950 1361 115000 Aspa 3 22450 -10670 119000 Tabla IIb. Datos usados en la definición de condiciones frontera. Momentos en Nm. Lugar Mx My Mz Aspa 1 10590 139800 0 Aspa 2 9863 175900 0 Aspa 3 58080 172100 0 0.28 Módulo de Elasticidad ( N / m m 2) 175000 D e n s i d a d ( k g / d m 3) 7.2 La tabla 3 muestra los datos de los parámetros utilizados en la simulación presentada en la figura 7. El análisis de elementos finitos concuerda con los estudios previamente realizados por la Compañía AERODYN y avalados por la Compañía GERMAIngenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Diseño óptimo de elementos mecánicos usando algoritmos de crecimiento biológico / Francisco Ramírez Cruz, et al La tabla III muestra los datos de los parámetros utilizados en la simulación presentada en la figura 7. Tipo de análisis Estático Tipo de elemento Hexaedro de ocho nodos Número de elementos 5500 Número de nodos 7800 NISCHER LLOYD quien cuenta con los permisos de certificación de centrales eólicas en Alemania. En la figura 7 se observa una concentración de esfuerzos en los agujeros alargados con un esfuerzo máximo de σmax = 102 N/mm2 De acuerdo a la distribución de esfuerzos de von Mises el valor de esfuerzo de referencia es σref = 40 N/mm2 Es decir se desea minimizar los esfuerzos máximos hasta dicha frontera. Fig. 8. Distribución de esfuerzos de von Mises a lo largo de la geometría del cubo después de la optimización. La figura 9 muestra en detalle un brazo del cubo donde se observa la distribución de esfuerzos propuesta por el método Bio-Design. Después de la nueva geometría de elemento finito con una reducción de esfuerzo en regiones donde ésta se concentra, significando un paso a la solución de esfuerzos homogéneos distribuidos. Fig. 7. Distribución de esfuerzos de von Mises a lo largo de la geometría del cubo antes de la optimización. Fig. 9. Detalle de la distribución de esfuerzos en uno de los brazos del cubo después de la optimización. RESULTADOS DE LA OPTIMIZACIÓN La figura 8 es el resultado de la aplicación del método de diseño biológico y muestra la distribución de esfuerzos en la estructura del cubo. Se observa una reducción del esfuerzo máximo a un nivel de σmax = 52 N/mm2 CONCLUSIONES La distribución de esfuerzos en el cubo del generador eólico para las condiciones dadas puede calcularse por simulación de elemento finito. Con el método Bio-Design se obtuvo una reducción de esfuerzos del 50% aproximadamente Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 33 �Diseño óptimo de elementos mecánicos usando algoritmos de crecimiento biológico / Francisco Ramírez Cruz, et al entre la geometría original (figura 7) y la geometría resultante (figura 8) después de 38 iteraciones. Como se puede reconocer en este ejemplo las construcciones futuras deberán estar modeladas con matemática de superficies libres y curvas splines para poder alcanzar la distribución uniforme y optimizada de esfuerzos que se encuentra en la naturaleza. Esto convierte al diseño mecánico en “diseño biológico”. RECONOCIMIENTOS Y EQUIPO UTILIZADO El presente trabajo fue realizado por los autores como parte de su proyecto de investigación dentro del programa de colaboración y en su estancia doctoral en el Departamento de Máquinas Herramienta y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburg-Harburg, Alemania así como en el Programa Doctoral de Ingeniería de Materiales FIME-UANL bajo el apoyo de PROMEP, utilizando las instalaciones del Departamento de Sistemas Integrados de Manufactura de la FIME UANL: • Licencia de software MSC.Patran y MSC.Nastran v. 2002 r2 para Windows 2000. • Licencia de software de optimización MSC.Construct para Windows 2000. • Equipo de cómputo PC Intel Pentium III, 500 MHz, 500 MB RAM y Disco Duro de 40 GB. REFERENCIAS 1. Mattheck, K. Why they grow, how they grow the mechanics of trees, arboricultural Journal 14 (1990) 2. Nachtigall, W. Biotechnik, Heidelberg: Quelle & Meyer, 1971. 3. Zienkiewickz, O.; R. Taylor. “The finite element method”. Ed. 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Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Should retirement age be coupled to life expectancy? Jorge S. Sá Martins Laboratoire PMMH, Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielle, 10 rue Vauquelin, F-75231 Paris, Euroland. Visiting from Instituto de Física, Universidade Federal Fluminense; Av. Litorânea s/n, Boa Viagem, Niterói 24210-340, RJ, Brazil. jssm@if.uff.br Dietrich Stauffer Visiting from Institute for Theoretical Physics, Cologne University, D-50923 Köln, Euroland. stauffer@thp.uni-koeln.de ABSTRACT Increasing every year the retirement age by an amount proportional to the increase of the life expectancy gives roughly stable ratios of the number of retired to working-age people in industrialized countries. Continuous influx of immigrants, below one percent per year of the total population, is needed for this stabilization. KEYWORDS Retirement, age, life expectancy. RESUMEN El incrementar cada año la edad de retiro en una cantidad proporcional al incremento de la expectativa de vida produce relaciones aproximadamente estables entre el número de retirados y la población en edad laboral en países industrializados. Un flujo continuo de inmigrantes, por abajo del uno porciento de la población total al año, es necesario para la estabilización. PALABRAS CLAVE Retiro, edad, esperanza de vida. The increase of the life expectancy (at birth) over the last centuries in the industrialized countries is enormous, as seen in figure 1 from Wilmoth’s Berkeley Mortality Database for Swedish women. The nonlinearity of this increase warns us against extrapolating present trends to more than a century. Nevertheless, the increase of the number of older people is for the next few decades a rather predictable “age quake” and causes governments in the industrialized countries to plan reductions in pensions and increases in the retirement age. In France, these plans lead to social unrest in 2003, in Germany they are also discussed controversially since fall of 2002, in Brazil the legislation of 2003 was pushed Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 35 �Should retirement age be coupled to life expectancy? / Jorge S. Sá Martins, Dietrich Stauffer Fig. 1. Life expectancy of Swedish women, mostly from demog.berkeley.edu/wilmoth/mortality. The approximation by a straight line is much worse than that by a hyperbolic tangent. Thus our approximations which lead roughly to straight lines can only be used for limited times. through against protest demonstrations of tens of thousands of public employees, in California public retirement benefits might in the future become available only after an age coupled to life expectancy. We prefer to simulate the effects of such legislation on a computer before they are imposed on millions of people (Bomsdorf1,2 1993 and 2003, Tuljapurkar et al. 3 2000, Olshansky et al. 4 2001, Laszkiewicz et al. 5 2003, Sommer and Pötzsch6 2003). Our basic method was described by Stauffer7 (2002) and assumes for the adult mortality function at age x a Gompertz law µ/b = Aeb(x-X) , with timedependent parameters b≅0.1; X≅100, where our time unit is one year (Mildvan and Strehler8 1960, Gavrilov and Gavrilova 9 1991, Azbel10 1996, Wachter and Dinch11 1997). Starting in the year 2005, immigration of people between the ages of 6 and 40 amounts to a fraction c of the total population each year; c is about half a percent. Births diminished drastically around 1970 to 1.4 per woman and are assumed to stay at this value, below the replacement value slightly above 2; thus immigration is need to stabilize the population. The results are given by Stauffer7 (2002). Now we are interested in the ratio R of the number of people beyond average retirement age xr to the number of working-age people and how R depends on changes in this retirement age xr . Working was assumed to start at age 20; the present retirement age was taken as 62. Figure 2 summarizes the resulting ratio R from several assumptions. The three top curves assume no immigration. The top curve assumes the retirement age to stay at 62. The second-highest curve assumes xr to increase from 62 to 64 over an interval of 24 years, starting in 2011, while the third curve from top assumes an increase from 62 to 67 over the same time interval; such laws are presently discussed in Germany. The lowest curve adds half a percent immigration per year to the model given by the third-highest curve. Such increases in xr are easily accepted by computers but not by humans. Public acceptance might be higher if the changes do not seem to be arbitrarily imposed by politicians but are presented as coming Fig. 2. Ratio of retired to working-age people with retirement age changed as given in headline. 36 Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Should retirement age be coupled to life expectancy? / Jorge S. Sá Martins, Dietrich Stauffer from nature, like ageing. The life expectancy L at birth is a widely reported quantity, and a coupling of changes in L to changes in xr appears more plausible and thus perhaps more acceptable. Though L from cohort life tables should be better (Bomsdorf 2 2003) than L from period life tables, we take L as that calculated from the mortalities in the given year of the computer simulation, since this L is best known to the general public. And we use both L at birth and the remaining life expectancy after retirement which is more relevant for financing retirement than life expectancy at birth. Figure 3 shows what happens if, starting after 2010, each year xr is increased by an amount proportional to the increase of L five years earlier. Fig. 3. Ratio of retired to working-age people with retirement age changed propotional to changes in life expectancy. Fig. 4. Life expectancy at birth and retirement age (model of figure 3.). Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 (Bomsdorf12 2002 already suggested coupling to L at retirement.) The proportionality factor is 1.0 for L at retirement and 0.6 for L at birth. We see slight periodic oscillations not visible in figure 2, but otherwise the results look nice and show the dangerous peak in R around the year 2030 to be of rather limited duration and thus perhaps better manageable than the results of figure 2. (Immigration was set at c = 0.0038 to keep the total population constant in the second half of the 21st century). Figure 4 shows the resulting change in L and xr . If immigration is changed into emigration at the same rate, and other parameters are unchanged compared with figure 3, we get the ratio of figure 5, with the population roughly halved every 14 years around the year 2100. In summary we found in figure3 a surprisingly stable though high ratio R of pensioneers to working- Fig. 5. As figure 3 but emigration instead if immigration; retirement couple to life expectancy at birth. 37 �Should retirement age be coupled to life expectancy? / Jorge S. Sá Martins, Dietrich Stauffer age people, if the retirement age is coupled to the life expectancy at birth. Modifications of our simulations could help developing countries like Mexico or Brazil to learn from the errors of Western Europe as make smoother the transition from a young to an aged society. ACKNOWLEDGEMENTS To PMMH at ESPCI for the warm hospitality, to Sorin Tanase-Nicola for helping us with the computer facilities, to A. Proykova and N. Mousseau for comments. JSSM thanks the Brazilian agency FAPERJ for financial support. REFERENCES 1. Bomsdorf, E., 1993. Generationensterbetafeln für die Geburtsjahrgänge 1923-1993: Modellrechnungen für die Bundesrepublik Deutschland, Verlag Josef Eul, Köln; updated version 2002. 2. Bomsdorf, E., 2003. Life expectancy in Germany until 2050. preprint, Faculty of Economic and Social Sciences, Cologne University. 38 3. Tuljapurkar, S., Li, N., Boe, C., 2000. A universal pattern of mortality decline in the G7 countries. Nature 405, 789-792. 4. Olshansky, S.J., Carnes B.A., Désesquelles A., 2001. Demography-Prospects for human longevity Science 291, 1491-1492. 5. Laszkiewicz A., Szymczak Sz., Cebrat S., 2003. The Oldest Old and the Population Heterogeneity. Int. J. Modern Physics C 14, No. 10 (2003). 6. Sommer, B., Pötzsch, O., 2003, Population of Germany Today and Tomorrow. Federal Statistical Office of Germany, Wiesbaden; available from www.dstatis.de. 7. Stauffer D., 2002. Simple tools for forecasts of population ageing in developed countries based on extrapolations of human mortality, fertility and migration. Exp. Gerontology 37, 1131-1136. 8. Strehler, B. L., Mildvan, A.S. 1960. General theory of mortality and aging, Science 132, 14-21. 9. Gavrilov, L.A., Gavrilova, N.S. 1991. The Biology of Life Span, Harwood Academic Publisher, Chur and 2001. The reliability theory of aging and longevity, J. Theor. Biology 213, 527545. 10. Azbel, M. Ya., 1996. Unitary mortality law and species-specific age. Proc. Roy. Soc. B 263, 1449-1454. 11. Wachter, K.W., Finch, C.E., 1997. Between Zeus and the Salmon. The Biodemography of Longevity, National Academy Press, Washington DC; see also La Recherche 322 (various authors), July/ August 1999; Nature 408, No. 680 (various authors), November 9, 2000. 12. Bomsdorf, E., 2002. Ansätze zur formelgebundenen Anpassung der Regelaltersgrenze in der GRV. Zeitschrift Sozialer Fortschritt 10/2002. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Ingeniería concurrente y tecnologías de la información Rodolfo García Flores Profesor del Doctorado en Ingeniería de Sistemas de la FIME-UANL. rodolfo@yalma.fime.uanl.mx RESUMEN La ingeniería concurrente (CE por sus siglas en inglés) es un enfoque para la manufactura que permite el diseño y desarrollo simultáneo de productos, procesos y actividades de apoyo. Aunque éste no es un concepto nuevo, ha recibido recientemente cierto empuje de tecnologías de la información como el Internet o algunas técnicas de Inteligencia Artificial. Específicamente, el uso de agentes de software y lenguajes para el manejo de conocimiento pueden aportar una base confiable y flexible para el desarrollo de plataformas de ingeniería concurrente. Este artículo presenta una introducción a los conceptos relacionados con CE, el papel que los agentes de software y el modelado de datos juegan en ella, y describe brevemente un caso de estudio. PALABRAS CLAVE Ingeniería concurrente, agentes computacionales, inteligencia artificial, tecnología de la información. ABSTRACT Concurrent Engineering (CE) is a systematic manufacturing approach that allows parallel design and development of products, related processes and support activities. Although this is not a new concept, it has received a boost from newly developed information technologies like the Internet and tools derived from Artificial Intelligence. Specifically, the use of software agents and knowledge manipulation languages can provide a reliable and flexible basis for CE platform development. This paper presents an introduction to concepts involved in CE, the role that software agents and data modelling are playing on it, and describes a CE project built upon software agents. KEYWORDS Concurrent engineering, software agents, Artificial Intelligence, information technology. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 39 �Ingeniería concurrente y tecnologías de la información / Rodolfo García Flores INTRODUCCIÓN La ingeniería concurrente (CE por sus siglas en inglés) se define como “un enfoque sistemático para el diseño paralelo e integrado de productos y los procesos relacionados, incluyendo manufactura y servicios de apoyo, con la intención de que los desarrolladores consideren, desde el inicio del proyecto, todos los elementos del ciclo de vida del producto, desde su concepción hasta su eliminación y reciclaje, incluyendo calidad, costo, planeación y requerimientos del usuario”.1 Cuando se implementa exitosamente, los productos que se desarrollan con esta filosofía se fabrican de forma eficiente, entran al mercado rápidamente y son de calidad satisfactoria para los clientes. El término CE se ha venido usando desde 1986, cuando el Instituto para el Análisis de la Defensa de Estados Unidos lo describió en su reporte R-388. 2 Hoy ésta es un área de investigación muy lucrativa. CE mejora el enfoque secuencial de la producción tradicional mediante tres elementos principales: • Una arquitectura computacional distribuida que permite la sincronización, la programación óptima de tareas y el manejo adecuado de flujos de información. • Una representación unificada de toda la información de diseño y manufactura, de forma que pueda visualizarse e interpretarse desde diversas perspectivas. • Un conjunto de herramientas computacionales que permiten desarrollar prototipos a bajo costo, de forma óptima e inteligente. La diferencia entre ambos enfoques puede apreciarse en las figuras 1 y 2. Aun cuando en el enfoque secuencial es posible volver a las fases anteriores de desarrollo del producto, las tareas deben realizarse una a la vez. En cambio, el enfoque concurrente permite la realización simultánea de todas las tareas de desarrollo hasta la fabricación del prototi- Diseño conceptual Diseño detallado Análisis po. Otros conceptos que distinguen a CE del enfoque tradicional son el cambio en cultura organizacional, los equipos de trabajo multidisciplinarios y el énfasis en el manejo de rutas de información más que de jerarquías organizacionales. Aunque el concepto no es nuevo, el desarrollo reciente de tecnologías de la información como Internet y ciertas técnicas de Inteligencia Artificial permite crear nuevas aplicaciones para explotar mejor la filosofía de la ingeniería concurrente. En el presente artículo se explica en particular el papel que están jugando dos de estas herramientas para el avance de CE: los agentes computacionales y la modelación de datos. La descripción breve de un proyecto realizado para este fin complementa la exposición. AGENTES COMPUTACIONALES Los grupos de trabajo multidisciplinarios –deseables para desarrollar productos en paralelo según el enfoque de la ingeniería concurrente– poseen capacidad de decisión, responsabilidades y cierta libertad para manejar sus propios recursos. Además puede suceder que físicamente el personal se encuentre localizado en diferentes ciudades o países. Con equipos de personas de estas características es natural que el trabajo se realice a través de redes de cómputo utilizando entidades que posean cierta autonomía para representar a los distintos grupos y que sean capaces de comunicarse entre sí. Los agentes computacionales (o de software) pertenecen a una rama de la Inteligencia Artificial conocida como Inteligencia Artificial Distribuida, y aunque no existe una definición unánimemente aceptada, se reconoce que éstos son programas que funcionan de forma autónoma o semiautónoma y que están en comunicación con otros agentes, humanos o computacionales.3 El concepto de autonomía expresado en esta definición implica que, a diferencia Prototipo Preparaciónpara la manufactura Proveedores Manufactura Fig. 1. El enfoque secuencial de la manufactura.2 40 Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Ingeniería concurrente y tecnologías de la información / Rodolfo García Flores Diseño conceptual Diseño detallado Análisis Prototipo Manufactura Preparación para la manufactura Proveedores Fig. 2. El enfoque de la ingeniería concurrente para la manufactura.2 de los programas convencionales, los agentes poseen intereses e iniciativa propios para acometer acciones sobre su ambiente. Otras facultades que se les puede conceder, dependiendo de su conveniencia para proyectos específicos, son la comunicación y el aprendizaje. Los agentes han demostrado ser una técnica útil para diseñar sistemas distribuidos y cooperativos en muchas actividades industriales y de servicios, incluyendo las telecomunicaciones, el control de tráfico aéreo, la administración del transporte, el cuidado médico y el entretenimiento. 4 Todas estas propiedades (autonomía, distribución geográfica, cooperación, aprendizaje y comunicación) hacen que los agentes de software sean ideales para el desarrollo de aplicaciones en CE. No obstante, para lograr estas propiedades es necesario alcanzar primero un flujo efectivo de información entre los agentes participantes. Existen tres condiciones para ello: 1. Una ontología compartida. – Los agentes deben tener una misma visión del mundo, o en términos coloquiales, un vocabulario compartido. 2. Un protocolo o lenguaje común. – Todos los agentes deben ser capaces de comprender el lenguaje utilizado por los demás para intercambiar mensajes. 3. Un formato común para el contenido de la información. – El contenido de los mensajes mismos debe ser interpretable por todos los participantes. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 A manera de ilustración, imagínese que un ambiente de CE un agente A se utiliza para manipular aplicaciones ya desarrolladas (por ejemplo, un programa para CAD/CAM) y comunicar el contenido de archivos de estas aplicaciones a otros agentes en términos que éstos últimos puedan entender (requerimiento 1). Supongamos que el agente A solicita al agente B la corrección del archivo CADX. La solicitud de revisión se codifica en un lenguaje común (requerimiento 2), mientras que el contenido del mensaje se codifica en el formato común (requerimiento 3). El mensaje original posiblemente tiene un formato específico al programa de diseño asistido por computadora que el agente “A” manipula, pero si los agentes en el sistema cumplen los requerimientos arriba mencionados, el contenido puede ser compartido y transformado de forma inteligente por todos los participantes de la plataforma de ingeniería concurrente. La siguiente sección ahonda en los requerimientos de modelado de datos mediante el formato común. MODELACIÓN DE DATOS Los grupos de desarrollo de productos frecuentemente están integrados por personas que provienen de distintos contextos profesionales y no comparten el mismo vocabulario técnico. Además requieren trabajar con paquetes de software que muchas veces no son compatibles entre sí, o pueden existir fases del proceso de desarrollo que no están completamente automatizadas y requieren captura manual de datos. Esta falta de consistencia en los sistemas de información produce retrasos y gasto innecesario de recursos en traducciones, y disminuye el valor de los datos para la empresa. 41 �Ingeniería concurrente y tecnologías de la información / Rodolfo García Flores El objetivo último del manejo de datos es hacer que la información adecuada esté a disposición del personal adecuado en el momento adecuado. Para lograrlo, las estructuras de datos deben desarrollarse de forma que sean claras, accesibles, consistentes, completas, relevantes y precisas. Esta no es una dificultad que haya surgido junto con CE. El intercambio de datos siempre ha sido un problema para la industria y ha producido diversas iniciativas,5 como por ejemplo EDIF (2000), IGES (1991), y GKS (1985). Sin embargo, existen pocas iniciativas pensadas 1) para el intercambio de información en redes, 2) que sean consistentes con todas las actividades relacionadas con el desarrollo de proyectos además de CAD/CAM, y 3) que tengan formato neutral, esto es, que evite el sesgo hacia una aplicación en particular. Aquí mencionaremos dos lenguajes de modelación de datos que cumplen estos requisitos: EXPRESS y XML. • EXPRESS es el lenguaje de modelación de datos de STEP (Standard Exchange of Product model data). STEP se creó para ser el estándar internacional para el intercambio de información en manufactura y se aprobó como ISO 10303 en 1987. A pesar del importante esfuerzo dedicado a crear sus protocolos de aplicación (ontologías) y actualizarlo, el lenguaje no ha sido tan aceptado como se esperaba. • XML (“eXtensible Mark-up Language”) es un lenguaje que, aunque no es en sí mismo un estándar de manufactura, sí es un lenguaje de modelación de datos con el que se están desarrollando actualmente diversos estándares para varias aplicaciones (véase por ejemplo, http://www.servicearchitecture.com/xml/articles/ xml_vocabularies.html). XML fue creado en 1996 por el Consorcio de la Red Mundial (W3C). Éste es un lenguaje de “margen” de la misma familia que HTML, pero con importantes mejoras: permite al usuario especificar atributos nuevos, admite revisar la validez de los datos modelados y da la posibilidad de crear estructuras de datos. Se espera que en el futuro XML sustituya a HTML como el lenguaje de creación de páginas en Internet. 42 La tendencia hoy es a aprovechar las ontologías desarrolladas para STEP codificándolas con XML. Para ello existen varios proyectos, como por ejemplo PDML (1999), que es un vocabulario diseñado para el intercambio de información entre los sistemas del Departamento de Defensa de Estados Unidos y sus proveedores. La principal ventaja de utilizar esta combinación es el aprovechamiento de la infraestructura ya existente para Internet para intercambiar datos de manufactura reutilizando el trabajo en estándares de STEP. El proyecto que se describe en la siguiente sección utiliza este enfoque e integra los conceptos expuestos hasta este momento. UN SISTEMA MULTI-AGENTE Un sistema de empresas participantes en una cadena productiva de la industria química fue modelado mediante agentes computacionales 5 como prototipo de un ambiente de CE. Cada entidad fue emulada por agentes que tienen la estructura que se muestra en la figura 3. Los módulos que componen los agentes individuales se identifican por sus siglas en inglés en el recuadro gris. Por ejemplo, el modelo que el agente tiene de sí mismo (self model) se identifica como SM, y así sucesivamente. El agente cuenta con una representación de sí mismo (SM) así como de los demás agentes (AM), módulos para administrar los servicios que presta (SEM), para evaluar la situación del ambiente (SAM) y para manejar sus interacciones con otros agentes (IMM). La estructura también contempla un módulo de comunicaciones. COMPONENTES IMPLEMENTACIÓ N PRINCIPAL SM Modelo de s í mismo AM Modelo de los otros Módulo de SEM ejecución de servicios SAM Módulo de evaluación de situaciones Módulo de IMM manejo de interacciones MÓDULO DE COMUNICACIÓN Manejo de archivos IOM CM Comunicaciones Fig. 3. Estructura de agentes individuales. Cada módulo se identifica por sus iniciales en inglés en el recuadro gris. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Ingeniería concurrente y tecnologías de la información / Rodolfo García Flores La estructura de los agentes individuales se implementó usando el lenguaje Java. Las razones son las siguientes: • Independencia de plataforma. – Es importante que en un ambiente de trabajo colaborativo las aplicaciones administrativas y de ingeniería puedan comunicarse con mínimo esfuerzo. Los programas escritos en Java no necesitan recopilarse para correr en diferentes sistemas. • Seguridad. – Es uno de los primeros lenguajes en considerar la seguridad en su diseño. • Concurrencia. – Permite de forma explícita la programación de tareas paralelas, por lo que es posible trabajar conceptualmente con tareas simultáneas. Los mensajes entre agentes en el prototipo para CE tienen una estructura estratificada. La figura 4 representa los diferentes niveles de implementación de los lenguajes empleados. Java se encuentra en el nivel más externo, pues es el lenguaje de construcción de los agentes. Los globos representan el nivel del protocolo, esto es, el lenguaje en el que los agentes intercambian mensajes, instrucciones o recomendaciones sobre qué hacer con la información. En la figura se representa con el lenguaje KQML (Knowledge Query and Manipulation Language), que está siendo desarrollado especialmente para los agen- Agente A Nivel de contenido (EXPRESS o XML) Agente B Aplicación manipulada Aplicación manipulada Nivel de protocolo (KQML) SEM IMM SAM CM SM SEM IMM Nivel de contenido (EXPRESS o XML) SAM AM CM SM AM Nivel de implementación del agente (Java) Fig. 4. Niveles de implementación de los lenguajes. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 tes de software.6 El nivel de contenido representa la información en sí, y se codifica en XML o EXPRESS para aprovechar la infraestructura existente utilizando las ontologías desarrolladas para STEP. En el prototipo, las aplicaciones manipuladas por distintos agentes tienen como objetivo determinar la secuencia óptima de tareas de manufactura, las rutas óptimas de distribución de materia prima y el manejo de inventarios con políticas adecuadas.7, 8 El sistema también cuenta con un mecanismo para la resolución de conflictos, cuya descripción detallada puede encontrarse en las referencias citadas. COMENTARIOS FINALES La ingeniería concurrente es un enfoque de manufactura que permite el diseño y desarrollo integrado de productos y sus procesos relacionados. CE fomenta el desarrollo de tareas en paralelo, los equipos de trabajo multidisciplinarios y el intercambio eficiente de información. Aunque para la industria estas características han sido deseables y necesarias desde hace tiempo, los avances recientes en tecnología de la información como Internet o ciertas técnicas de Inteligencia Artificial les han dado una solución práctica en años recientes, como atestigua PDML, un vocabulario utilizado para el intercambio de información entre los sistemas del Departamento de Defensa de Estados Unidos y sus proveedores. En particular, los agentes de software y algunas iniciativas para estandarizar la descripción de productos de manufactura como STEP y algunos vocabularios de XML han dado lugar a importantes avances en la aplicación de la ingeniería concurrente. En este artículo se ha ilustrado su potencial con la descripción de un proyecto realizado con agentes de software. El uso de agentes computacionales y lenguajes para el manejo de conocimiento, junto con nuevas ontologías, puede proveer de una base confiable y flexible para crear plataformas de desarrollo de bajo costo para CE aprovechando la infraestructura desarrollada en los últimos años para Internet. 43 �Ingeniería concurrente y tecnologías de la información / Rodolfo García Flores GLOSARIO AM – Modelo de los otros (Acquaintance Model). CE – Ingeniería concurrente (concurrent engineering). CAD/CAM – Diseño asistido por computadora / manufactura asistida por computadora. CM – Manejador de comunicaciones (Communication Manager). HTML - Lenguaje de margen para hipertextos (HyperText Mark-up Language). IMM – Módulo de manejo de interacciones (Interaction Management Module). IOM – Manejador de archivos (Input/Output Manager). KQML – Lenguaje de manipulación de conocimiento (Knowledge Query and Manipulation Language). PDML – Lenguaje de margen para datos de producto (Product Data Markup Language). SAM – Módulo de evaluación de situaciones (Situation Assessment Module). SEM – Módulo de ejecución de servicios (Service Execution Module).) SM – Modelo de sí mismo (Self Model). STEP – Estándar ISO-10303 (STandard Exchange of Product model data). XML – Lenguaje de margen extensible ((eXtensible Mark-up Language) 44 REFERENCIAS 1. S.L. Albin y P.J. Crefeld. Getting started: Concurrent engineering for a medium-sized manufacturer. Journal of Manufacturing Systems, 13: 48-58, 1994. 2. R. Mills, B. Beckert y L. Carrabine. The future of product development, Computer-Aided Engineering, 10: 38-46, 1991. 3. D. O´Leary, D. Kuokka y R. Plant. Artificial Intelligence and virtual organizations, Communications of the ACM, 40: 52-59, 1997. 4. N.R. Jennings, T.J. Norman, P. Faratin, P. O´Brien y B. Odgers. ADEPT: an agent-based approach for to business process management, ACM Sigmod Record, 27: 32-39, 1998. 5. R. García-Flores. A multi-agent system for chemical supply chain simulation, management and support. Tesis doctoral. Universidad de Leeds, Reino Unido, 2002. 6. Y. Labrou y T. Finin. A proposal for a new KQML specification, documento TR CS-97-03. http://www.csee.umbc.edu/~jklabrou/publications/ tr9703.ps, 1997. 7. R. García-Flores, X.Z. Wang y G. Goltz. Agentbased information flow for process industries´ supply chain modelling, Computers and Chemical Engineering 24: 1135-1141, 2000. 8. R. García-Flores y X.Z. Wang. A multi-agent system for chemical supply chain simulation and management support, OR Spectrum 24: 343-370, 2002. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Evaluación de mezclas de arcillas de la región de Centeno, Moa, CUBA Daris Fonseca Navarro dfnavarro@ismm.edu.cu Ever Góngora Leyva egongora@ismm.edu.cu Ariana Rodríguez Suárez aroguez@ismm.edu.cu Osvaldo Martínez Frómeta omfrometa@ismm.edu.cu Depto. Ingeniería Mecánica, Facultad de Metalurgía y Electromecánica, Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa. Las Coloradas s/n, Moa, Holguín, Cuba, CP. 83329 Tel: 53 24 6 4476 y 53 24 6 6678. Fax: 53 24 6 2290 RESUMEN El presente trabajo muestra el estudio de las características físico químicas y mecánicas de mezclas de arcillas de la región de Centeno, Moa, en Cuba, para la producción de objetos cerámicos. Mediante un diseño de experimentos, se obtuvieron diferentes composiciones de arcilla roja y gris, a las cuales se les añadió feldespato, determinándose los parámetros característicos de las mezclas de arcilla (contracción total, absorción de agua y resistencia a la compresión), así como la mejor de las mismas y se estudió su comportamiento respecto a la temperatura de cocción y al tamaño de las partículas. PALABRAS CLAVES Arcillas, mezclas de arcillas, cerámicas, productos cerámicos. ABSTRACT The present work reports the study of the physical, chemical and mechanical characteristics of mixtures of clays from the region of Moa, Cuba, for the manufacturing of ceramic products. Using design of experiments, different formulations of red and gray clay with feldspar were obtained. The characteristic parameters such as % of contraction, % of absorption and mechanical resistance were determined. This analysis allowed to establish the best formulation in terms of the firing temperature and particle size distribution. KEYWORDS Clays, mixtures of clays, ceramics, ceramic products. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 45 �Evaluación de mezclas de arcillas de la región de Centeno, Moa, CUBA / Daris Fonseca Navarro, et al INTRODUCCIÓN El municipio de Moa, de la provincia Holguín, en Cuba, posee grandes riquezas minerales que conforman extensiones diseminadas por todo el lugar, entre los cuales se encuentran las arcillas, que han sido estudiadas desde el punto de vista de su origen geológico, presentando propiedades físico químicas y mecánicas que permiten su utilización con fines industriales. Actualmente, los productos cerámicos se emplean en una amplia gama de nuevos materiales que pudieran sustituir incluso a metales y polímeros en la fabricación de componentes de motores térmicos, herramientas de corte y otros accesorios para mejorar la resistencia al desgaste y la abrasión, ambientes corrosivos y altas temperaturas, debido a las excelentes propiedades mecánicas, ópticas, eléctricas, refractariedad y elevada resistencia a los agentes corrosivos. De acuerdo con estudios precedentes (Pons y Leyva, 1996 y Orozco, 1995), las arcillas de Moa poseen un carácter semirrefractario y han sido utilizadas como morteros en los procesos de fundición de la industria del níquel y están siendo empleadas, en pequeños volúmenes, para la fabricación de materiales de la construcción. En las industrias locales del municipio se intentó utilizarlas como materia pri- Vista general del yacimiento de arcilla roja, en la región de Centeno, Cuba, de donde fueron extraídas las muestras para realizar los diferentes ensayos. 46 ma para la fabricación de maceteros, figuras decorativas y otros, pero no se obtuvieron buenos resultados ya que las piezas se agrietaban durante el secado y se rompían durante la cocción. Por la gran disponibilidad de esta materia prima en nuestro territorio y las grandes posibilidades de empleo, se hace necesaria una investigación más exhaustiva de estos minerales. Con este trabajo se persigue realizar la evaluación de mezclas cerámicas obtenidas a partir de las arcillas de la región de Centeno Moa, a partir de sus propiedades físico- químico y mecánicas, con vistas a su utilización en la producción de objetos cerámicos decorativos y utilitarios. FACTORES A TENER EN CUENTA PARA LA FORMULACIÓN DE UNA MEZCLA CERÁMICA Para llevar a efecto el estudio de los diferentes factores que intervienen en el tratamiento correcto de las materias primas, que constituyen las mezclas de arcilla roja y gris, se analizará cómo influyen algunos de ellos en la obtención de resultados satisfactorios en el producto final. El tamaño del grano, la composición de la pasta, las condiciones de secado y la temperatura de cocción, son los factores que mayor influencia presentan de acuerdo con la experiencia y la literatura consultada, por lo que se tendrán en cuenta en el presente trabajo. Tamaño del grano Cuando se comenzó a estudiar la arcilla se pensó que poseía una estructura física coloidal, pero estudios posteriores indican que el tamaño extremadamente pequeño de los granos implican la mayoría de sus propiedades físicas. Muchas arcillas presentan un porcentaje sustancial de partículas por debajo de 1mm de diámetro, las cuales pueden ser consideradas como cristales simples de arcilla. Debido a la forma y tamaño extremadamente pequeño de sus partículas, tiene un área superficial muy grande por unidad de volumen. La plasticidad de la arcilla, así como su contracción y absorción de agua, se le atribuye a la forma y el tamaño del grano (Rhodes, 1975). Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Evaluación de mezclas de arcillas de la región de Centeno, Moa, CUBA / Daris Fonseca Navarro, et al aproximadamente a 350ºC, cuando el agua combinada químicamente comienza a eliminarse. Alrededor de los 500ºC estará completamente deshidratada y la pieza no se ablanda ni se desintegra en el agua y ha perdido su plasticidad (Montoya y Romero, 1991). Como se puede apreciar el yacimiento tiene una gran extensión y ha sido explotado durante muchos años para la producción de ladrillos y otros materiales de la construcción en un tejar próximo al lugar. Condiciones de secado El proceso de secado consiste en eliminar el agua que se añadió, que oscila entre el 15 y 25%, para poder conformar los objetos. El proceso de secado va siempre acompañado de contracción. A medida que el agua se evapora, las partículas de arcilla se acercan más entre sí cerrando el espacio que había sido ocupado por el agua. Esta humedad está localizada tanto en el interior como en la superficie de la pieza. Si el proceso de secado se lleva a cabo muy bruscamente la pieza se puede agrietar debido a que la parte exterior se seca casi completamente y se contrae, mientras que el interior queda húmedo. Se ha observado que las contracciones no avanzan linealmente con el tiempo, casi el 25 % de la contracción ocurre durante un tiempo muy corto en el comienzo del secado, continuando después muy lentamente (Rhodes, 1975). Si se quiere eliminar el alabeo, la deformación o el agrietamiento los objetos cerámicos deben secarse lenta y uniformemente, es decir hay que tener sumo cuidado durante el secado y sobre todo en la fase primaria (Segueira, 1976). Temperatura de cocción Durante la cocción se producen profundos cambios en la arcilla. El primer cambio es la terminación de su secado, el cual debe efectuarse lentamente de lo contrario la formación de vapor en la pasta puede provocar su estallido. El siguiente cambio ocurre Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 Composición de la pasta Raramente las arcillas pueden ser utilizadas tal y como están en la naturaleza, por lo que hay que añadir otros materiales tales como fundentes, desgrasantes u otros tipos de arcillas para mejorar sus propiedades. De hecho existen diferentes formas de preparar las arcillas de acuerdo con el fin que se persiga (De Pablo, 1964). Ha quedado demostrado que las mezclas tal y como son elaboradas en el Tejar de Centeno, no pueden ser utilizadas para cerámica decorativa y utilitaria, por las exigencias de calidad del acabado de las mismas y los problemas de roturas que presentan, por lo cual se proponen cambios en su composición. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN Para realizar la investigación se tomó una muestra representativa de arcillas de la región de Centeno, Moa. Mediante el diseño de mezclas o McLean Anderson (citado en Cruz, 2001), se obtuvieron las composiciones de las mezclas a estudiar. La elección de las variables de entrada fue realizada a partir de la experiencia del tejar de Centeno, incorporándosele el feldespato y tamizando la mezcla. Elección de las variables de entrada y salida Variables de entrada (X): • Composición de la mezcla: X1 - arcilla roja. X2 - arcilla gris. X3 - desgrasante (feldespato). • Temperatura de cocción. • Tamaño de partículas. • Condiciones de secado y cocción. 47 �Evaluación de mezclas de arcillas de la región de Centeno, Moa, CUBA / Daris Fonseca Navarro, et al Variables de salida (Y): • Y1 - Contracción total. • Y2 - Absorción de agua. • Y3 - Resistencia a la compresión. Elección de los niveles principal, superior e inferior Para establecer los diferentes niveles de la variable de entrada, composición de las mezcla, mostrados en la tabla I, se tuvo en cuenta la experiencia de la pasta utilizada en el Tejar de Centeno, a la que se le añadió Feldespato como material desgrasante. Tabla I. Valores de los niveles mínimo, principal y máximo de las variables de entrada. Materias primas (i) Xi- Xi0 Xi+ Arcilla roja 60% 66% 70% Arcilla gris 30% 33% 40% Desgrasante 1% 1.5% 2% ELABORACION DE LAS MEZCLAS Las pastas cerámicas cuyas composiciones fueron obtenidas de acuerdo con el diseño (tabla II), se confeccionaron tomando 4000 g de mezcla como base. Después de secar las arcillas en la estufa se procedió a molerlas en el molino de bolas durante una hora. Luego, con la cantidad de agua suficiente para mojar todas las partículas, se confeccionaron las mezclas. Las probetas experimentales fueron elaboradas de acuerdo con las exigencias técnicas de cada ensayo (Rhodes, 1975; Blanco, 1981), con un tamaño de partículas de +0.27mm y se cocieron una temperatura de 890 ºC. A continuación se muestran los principales resultados obtenidos. Se confeccionó la matriz de experimentos y se calculó el número de experimentos a realizar por la ecuación 1: Número de experimentos a realizar N = q x 2 (q-1) (1) N= 12 donde q es el número de variables de entrada. De la matriz de experimentos se obtuvieron las cuatro mezclas que cumplen con la condición de normalidad y cuyas composiciones se encuentran dentro de los niveles inferior, máximo y mínimo, y que se enumeran en la tabla II. Tabla II. Composición de las mezclas. Experim. X1 (%) X2 (%) X3(%) 1 60 39 1 2 69 30 1 3 60 38 2 4 68 30 2 48 Estás imágenes muestran la forma que se les dio a las probetas para la realización de los diferentes ensayos, según las normas utilizadas. A las de forma cilíndrica se les hizo el ensayo de resistencia a la compresión y a las rectangulares los ensayos de absorción de agua y contracción lineal. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Evaluación de mezclas de arcillas de la región de Centeno, Moa, CUBA / Daris Fonseca Navarro, et al RESULTADOS DEL ENSAYO DE PLASTICIDAD La plasticidad de las diferentes mezclas estudiadas fue determinada por el sencillo método de doblar o roscar un cilindro fino, en el cual no deben aparecer grietas. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla III. Tabla III. Plasticidad de las mezclas. Exper. Plasticidad 1 Buena 2 Buena 3 Buena 4 Buena RESULTADOS DEL ENSAYO DE CONTRACCION TOTAL Los valores de contracción total, que se presentan en la tabla IV y fueron calculados según la metodología de ensayo, para las cuatro mezclas estudiadas, se encuentran dentro del rango para productos cerámicos. Tabla IV. Contracción total (%). Exper. Replica 1 Replica 2 Replica 3 Promedio 1 10.2 14.8 10.2 11.7 2 13.8 13.8 12.9 13.5 3 14.8 12.9 10.2 12.6 4 12.0 10.2 11.2 11.1 que estos procesos sean bien controlados y se realicen con el mayor cuidado. El secado desigual de las partes de una pieza puede provocar diferencias en el modo de contraerse cada una de ellas, provocando rajaduras, alabeos y roturas de las mismas. Debido al alto contenido de Hierro que presentan, las arcillas estudiadas se contraen más durante el secado y la cocción. De acuerdo con el análisis de varianza, estadísticamente, no existen diferencias significativas para la contracción entre las cuatro mezclas estudiadas. El valor del estadígrafo F (Fisher) observado, igual a 3,78; resultó ser menor que el valor crítico (F= 5.29), para un nivel de confianza del 95%, lo que quiere decir que cualquier mezcla de composición similar a las estudiadas, debe proporcionar valores de contracción total muy semejantes a los obtenidos en los ensayos. RESULTADOS DEL ENSAYO DE ABSORCION DE AGUA Los resultados obtenidos de los ensayos de absorción de agua para cada una de las mezclas se muestran en la tabla V: La absorción de agua para cada una de las mezclas, calculado a partir de los resultados experimentales, al igual que la contracción total, se encuentra dentro del rango para productos cerámicos (Ochoa, 2002). El grado de absorción de agua es una medida de la maduración de la pasta de arcilla cocida. A medida que la pasta se acerca a la vitrificación su absorción se acerca a cero. Tabla V. Absorción de agua (%). El parámetro tecnológico “contracción total” da una medida de la unión de las partículas después de cocidas las piezas. La evaluación de este parámetro es de vital importancia debido a que, mediante su control, se pueden lograr productos cerámicos más o menos densos para cada una de las mezclas. La contracción es una consecuencia del secado y el horneado de las piezas, por lo que se requiere Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 Exper. Replica 1 Replica 2 Replica 3 Promedio 1 21.7 19.2 22.9 20.8 2 21.0 21.6 17.9 20.1 3 17.1 18.4 18.1 17.7 4 114.08 110.46 111.37 111.97 49 �Evaluación de mezclas de arcillas de la región de Centeno, Moa, CUBA / Daris Fonseca Navarro, et al Utilizando el análisis de varianza, el estadígrafo F (Fisher) observado, igual a 2,26; resultó ser menor que el valor crítico F= 3,24, para un nivel de confianza del 95%, lo que demuestra que no hay diferencias significativas entre los experimentos. Esto significa que cualquier mezcla de composición similar a las estudiadas, debe proporcionar valores de absorción de agua muy semejantes a los obtenidos en los experimentos realizados. RESULTADOS DEL ENSAYO DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Los resultados correspondientes a la resistencia a la compresión para cada una de las mezclas se muestran en la tabla VI. Tabla VI. Resistencia a la compresión (MPa). Rc Exp Replica 1 Replica 2 Replica 3 Promedio 1 130.23 74.42 112.97 105.87 2 113.81 118.50 111.63 114.65 3 96.74 162.16 210.92 156.61 4 114.08 110.46 111.37 111.97 La resistencia mecánica a la compresión caracteriza la capacidad de los objetos cerámicos de resistir golpes y cargas sin sufrir roturas durante su uso y manipulación. Es un parámetro respecto al cual no se hace mucha referencia en la literatura consultada, para el caso de productos cerámicos avanzados, no siendo así cuando se trata de materiales para la construcción, los cuales se encuentran muy bien normados. No obstante, en el presente trabajo se realizó un estudio de la resistencia a la compresión para las cuatro mezclas. A pesar de que no fue encontrada información al respecto para su comparación, estos resultados ofrecen un rango de valores entre los cuales debe encontrarse el parámetro, y puede ser utilizado como referencia para futuros estudios. En el caso de la resistencia a la compresión, calculada a partir de los datos obtenidos de los ensayos, los resultados estadísticos corroboran la hipótesis nula. El estadígrafo Fisher observado, igual a 50 En esta imagen se pueden apreciar las roturas sufridas por las probetas cilíndricas, confeccionadas con la mezcla de tamaño de partículas más fino, durante el proceso de cocción y que son analizadas en el acápite correspondiente. 1.57 resultó ser menor que el valor crítico (4.07). Esto significa que la resistencia mecánica de cualquier mezcla cuya composición se encuentre entre los rangos estudiados, tendrá valores similares a los obtenidos en este estudio. Como resultado del análisis de varianza se obtuvo que cualquiera de las mezclas pueda ser utilizada con muy buenos resultados, ya que no existen diferencias significativas entre las mismas, para los diferentes parámetros. Por tanto se concluyó que la mezcla a partir de la cual se obtuvieron los mejores resultados fue la mezcla No 3, que tiene la siguiente composición: • 60 % de arcilla roja. • 38 % de arcilla gris. • 2% de Feldespato. Con esta mezcla se lograron los mayores valores de resistencia a la compresión. Los demás parámetros se comportaron de forma similar para los cuatro experimentos. COMPORTAMIENTO DE LA MEJOR MEZCLA REPECTO A LA TEMPERATURA Y AL TAMAÑO DE PARTICULAS En la cocción de productos cerámicos preparados con materias primas arcillosas es necesario conocer el margen de temperaturas en el que la con- Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Evaluación de mezclas de arcillas de la región de Centeno, Moa, CUBA / Daris Fonseca Navarro, et al Tabla VII. Temperaturas y tamaños de partículas seleccionados. Conos Temperaturas (ºC) 010 890 08 945 06 1005 -0.125 04 1050 +0.125-0.27 02 1095 +0.27 PARÁMETROS TECNOLÓGICOS PARA LAS MEZCLAS CON GRANULOMETRÍAS -0.125mm De los resultados de los ensayos, mostrados en la Tabla VIII, se obtuvieron los valores de cada uno de los parámetros para las pastas preparadas con granulometría de -0.125mm. Tabla VIII. Parámetros tecnológicos para la mezcla con granulometría -0.125 mm. Param. cono 010 cono 08 cono 06 cono 04 cono 02 C (%) 11.72 13.73 14.66 15.74 16.01 A (%) 16.16 15.83 14.90 13.79 12.04 Rc (MPa) - - - - - Con el propósito de observar el comportamiento de todos los parámetros, para cada uno de los tamaños de partículas de la mejor de las mezclas, los resultados fueron procesados mediante el Microsoft Excel, obteniéndose los resultados mostrados en el gráfico 1. % A y % C vs T Granulometría -0,125 mm 18 %Ay%C tracción y la porosidad de la pieza no varían excesivamente. Este intervalo depende de las características de la mezcla y debe ser lo más amplio posible, de lo contrario pueden producirse deformaciones en la pieza o la cocción insuficiente de las mismas, lo que influye en que la porosidad y la resistencia mecánica del producto acabado no sean los deseados (Rhodes, 1975). Debido a esto, los diagramas de contracción total -absorción de agua- temperatura son de gran ayuda para la formulación y ajuste de las mezclas destinadas a la producción de objetos cerámicos. El presente trabajo muestra además, el estudio del comportamiento de la resistencia a la compresión, que es otro de los parámetros que se debe controlar. Después de establecido el uso del Feldespato como material desgrasante y seleccionada la composición de la mezcla, fueron determinados los parámetros tecnológicos de la misma respecto a la temperatura y al tamaño de partículas. Fueron seleccionados tres valores para el tamaño de partículas comprendidos entre -0.125 y +0.27 mm y, teniendo en cuenta la experiencia de las fabricas de cerámica roja de Moa y Holguin, en Cuba, se estableció el perfil de temperaturas entre los conos pirométricos 010 y 02, como se muestra en la tabla VII. %C 16 14 %A 12 Tamaños de partículas (mm) El procedimiento para la determinación de los parámetros tecnológicos que están siendo evaluados, fue similar al anterior. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 10 850 900 950 1000 1050 1100 Temperatura ºC Gráfico 1. Contracción total y Absorción de agua vs. Temperatura para -0.125mm El comportamiento de la pasta alfarera para el tamaño de grano más fino que se estudió (-0.125mm), y para el perfil de temperaturas escogido, demuestra que a medida que aumenta la temperatura, aumenta la contracción total, es decir que las partículas se encuentran más unidas entre sí. Sin embargo la absorción de agua disminuye, lo que se explica ya que al estar más cohesionadas las partículas, y poseer 51 �Evaluación de mezclas de arcillas de la región de Centeno, Moa, CUBA / Daris Fonseca Navarro, et al PARÁMETROS TECNOLÓGICOS PARA LAS MEZCLAS CON GRANULOMETRÍAS -0.27 +0.125 mm Para la mezcla con granulometría media, los parámetros estudiados se comportaron como se muestra en la tabla IX. A través del Microsoft Excel se graficaron los resultados obtenidos, con el objetivo de analizar el comportamiento de los tres parámetros en conjunto, obteniéndose el gráfico 2: Para una granulometría de +0.125-0.27mm, se observa que, al igual que para las demás, la contracción aumenta y la absorción disminuye, a medida que aumenta la temperatura. 52 Tabla IX. Parámetros tecnológicos para las mezclas con granulometrías +0.125 -0.27mm. Param cono 010 cono 08 cono 06 cono 04 cono 02 C (%) 12.61 14.03 16.52 17.27 18.41 A (%) 17.33 16.80 15.33 14.84 12.65 Rc (MPa) - 223.38 292.68 262.93 248.26 % C, %A y Rc*10 vs T Granulometría +0,125+0,27mm 35 %C, %A, Rc*10 tamaño tan fino, el espacio entre ellas es menor por lo tanto absorben una menor cantidad de agua, ofreciendo una idea del grado de maduración de la mezcla. De igual forma se manifestaron estos dos parámetros para los demás tamaños de grano estudiados. Como se observa, en el gráfico 1 no aparecen representados los resultados de resistencia a la compresión para la granulometría más fina, lo cual se debe a que las probetas para la determinación de la resistencia a la compresión, confeccionadas para el tamaño de partículas más fino, presentaron algunas dificultades, debido a que durante el proceso de coc ción, a una temperatura del horno de aproximadamente 600ºC, todas se rompieron a pesar de que, tratando de evitar esta situación, fueron confeccionadas con gran cuidado, evitando la formación de huecos en el interior de la masa, se secaron poniéndolas incluso a la luz y el calor del sol, y se realizó el proceso de cocción en un horno automático. Esta situación pudiera ser la consecuencia de que no estuvieran bien secas, presentaran bolsas de aire en su interior, o que el aumento de la temperatura en el horno no estuviera bien controlado. También pudo deberse a que en ese tamaño de partículas se concentre algún compuesto químico o fase mineralógica que provocara la fragilización de las probetas. Se presume que se trate de alguna fase mineral de hierro, lo cual es recomendable continuar estudiando. 30 25 Rc 20 %C 15 10 850 %A 900 950 1000 1050 1100 Temperatura ºC Gráfico 2. Contracción total, Absorción de agua y Resistencia a la compresión vs. Temperatura para +0.1250.27mm Respecto al tamaño de partícula fino ambos parámetros presentan un ligero aumento (gráfico 1). En el caso de la resistencia a la compresión, se puede concluir que no existe una tendencia marcada, pues comienza en un determinado valor, para la primera temperatura estudiada, sube hasta un valor máximo para la siguiente y disminuye luego para el último valor de temperatura analizado. Para este tamaño de partículas, la resistencia mecánica en todo el rango de temperaturas, es menor que para el tamaño más grueso. Se observa además que, alrededor del punto donde coinciden los valores de contracción total y absorción de agua se logran los mayores valores de resistencia a la compresión. Como no existen referencias respecto a este hecho en la literatura consultada, no se puede aseverar que este comportamiento obedezca a una ley. Pudiera tratarse de un fenómeno casuístico, por lo que se recomienda realizar un mayor número de pruebas. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Evaluación de mezclas de arcillas de la región de Centeno, Moa, CUBA / Daris Fonseca Navarro, et al PARÁMETROS TECNOLÓGICOS PARA LAS MEZCLAS CON GRANULOMETRÍAS +0.27mm Para la mezcla con granulometría gruesa (+0.27mm) los parámetros estudiados se comportaron como se muestra en la tabla X. Tabla X. Parámetros tecnológicos para las mezclas con granulometrías +0.27mm. Param cono 010 cono 08 cono 06 cono 04 cono 02 C (%) 13.35 15.28 17.81 18.41 19.74 A (%) 20.14 18.09 17.49 16.06 13.98 Rc (MPa) - 272.62 332.37 288.51 262.89 Con el objetivo de comparar el comportamiento de todos los parámetros estudiados, para este tamaño de grano, se graficaron los resultados, observándose el comportamiento mostrado en el gráfico 3. %C, %A y Rc*10 vs T Granulometría +0,27mm 35 %C, %A, Rc*10 30 Rc 25 20 %C 15 10 850 %A 900 950 1000 1050 1100 Temperatura ºC Gráfico 3. Contracción total, absorción de agua y resistencia a la compresión vs temperatura para +0.27mm. Como se observa en el gráfico anterior, al igual que para las mezclas analizadas, con el aumento de la temperatura aumenta la contracción de las probetas y disminuye la absorción de agua. Haciendo una comparación con los tamaños de grano anteriores, para el grueso, se obtuvieron los Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 mayores valores de contracción total, absorción de agua y resistencia a la compresión. La resistencia a la compresión para este tamaño de partículas (+0.27mm), tuvo un comportamiento similar al anterior ya que no existe una tendencia marcada respecto a la temperatura, pues comienza en un valor, sube hasta un valor máximo y vuelve a disminuir luego, siendo mayor que para el tamaño medio. De la misma forma que para la granulometría anterior, la resistencia a la compresión, presenta valores máximos para el rango de temperatura donde coinciden los valores de Contracción total y Absorción de agua. En este caso, el mayor valor de resistencia a la compresión se obtuvo a la temperatura en que son iguales estos dos parámetros. En general el comportamiento de los parámetros estudiados, para las arcillas de la región de Centeno es similar al de cualquier arcilla, si se comparan los resultados del presente trabajo con los obtenidos por Ochoa, 2002; teniendo en cuenta que son arcillas de composición mineralógica diferentes. CONCLUSIONES 1. La composición de las mezclas de arcilla de Centeno estudiadas presentan propiedades físicas, químicas y mecánicas requeridas para la producción de cerámicos, entre las que no existen diferencias significativas, destacándose la mezcla No 3, por ser la de mayor resistencia a la compresión. 2. Los mejores resultados se obtienen cuando la mezcla es cocida a temperaturas entre 1000 y 1050 ºC, y son confeccionadas con una granulometría de 0.27mm, con un control de los procesos de secado y cocción. RECOMENDACIONES 1. Utilizar la composición de la mezcla No 3, con granulometrías de +0.27mm (gruesa), cociendo aproximadamente a una temperatura de 1000ºC, teniendo en cuenta las mejores condiciones de secado, y controlando los cambios de temperatura dentro del horno. 53 �Evaluación de mezclas de arcillas de la región de Centeno, Moa, CUBA / Daris Fonseca Navarro, et al 2. Investigar el comportamiento de las mezclas utilizando otros desgrasantes como la chamota y la arena sílice, recomendadas también en la literatura. 3. Profundizar el estudio de otras propiedades de los productos obtenidos como resistencia a la abrasión, a agentes corrosivos, y a temperaturas superiores a las estudiadas. BIBLIOGRAFIA 1. Orozco, Gerar caracterización de las arcillas de Cayo Guan. Informe técnico. ISMM, 1995. 2. Pons Herrera, José A. y Leyva, Carlos. Empleo de las arcillas ferrocaoliníticas – gibbsíticas de la región de Moa en los talleres de fundición. Revista minería y geología XIII (3), p. 93 1996. 3. 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Rubén Morones Ibarra Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, UANL. rmorones@fcfm.uanl.mx “¿Es el análisis matemático tan solo un vano juego de la mente?. ¿Le da al físico únicamente un lenguaje conveniente?; ¿no es éste un servicio mediocre del cual, estrictamente hablando, se podría prescindir?; y más aún, ¿no es de temerse que este lenguaje artificial pueda ser un velo interpuesto entre la realidad y el ojo del físico?; Lejos de ello; sin este lenguaje la mayor parte de las analogías íntimas entre las cosas nos seguirían siendo desconocidas; y, para siempre, habríamos permanecido ignorantes de la armonía interna del mundo, la cual es la única realidad verdaderamente objetiva”. Henri Poincaré. Albert Einstein. RESUMEN Newton desarrolló la ciencia de la mecánica bajo la hipótesis de que el tiempo y el espacio son absolutos. A principios del siglo XX Einstein desarrolló la teoría de la relatividad en la que el espacio y el tiempo ya no son absolutos, sino que están integrados en la estructura espacio-tiempo. La cosmología moderna, basada en la teoría general de la relatividad, presentó tres escenarios, dos de ellos corresponden a un universo infinito e ilimitado mientras que el tercero es un universo curvo finito pero ilimitado. La verdadera estructura del universo depende de la densidad másica de éste. PALABRAS CLAVE Espacio, tiempo, relatividad, cosmología. ABSTRACT It was in the ancient greek epoch when the hypothesis of objectivity and understandibility of nature and the regularity in the natural phenomena was stated. This is the time when we can consider the natural sciences started. Long time after, Newton developed the science of mechanics with the hypothesis of absolute time and absolute space. At the begining of the XX century, Einstein developed the theory of relativity where space and time are not more absolute, mixing both in the structure of spacetime. The modern cosmology, supported in the general relativity theory, presents three scenarios an infinite unlimited,, two of them correspond to universe the third one is a space curved universe, finit but unlimited. The real structure of the universe depends on the mass density of it. KEYWORDS Space, time, relativity, cosmology. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 55 �La evolución de los conceptos de espacio y tiempo / J. Rubén Morones Ibarra ANTECEDENTES DE LA CIENCIA Los fundamentos de la física son un conjunto de principios o leyes sobre los cuales descansa toda su estructura. Estas leyes son el resultado de la observación y la experimentación, por eso decimos que son empíricas, lo cual es una condición que caracteriza a todas las ciencias naturales. En este artículo nos referiremos a algo más primordial, a ciertas hipótesis básicas de carácter más fundamental aún que las leyes generales de la física, es decir, más fundamentales que los principios de conservación de la energía, del momento lineal o del momento angular. Las hipótesis primigenias a que nos referiremos están asociadas con puntos de vista filosóficos y con las propiedades del espacio y el tiempo. En todas las civilizaciones antiguas encontramos historias y explicaciones fantásticas sobre los fenómenos naturales y el origen del mundo. El rasgo común de todas estas “explicaciones” es que en ellas estaba implícita la presencia de uno o varios seres invisibles y con poderes extraordinarios. Para los miembros de estas civilizaciones, el universo era un sistema caótico donde no había regularidad, a excepción de algunos fenómenos como el día y la noche, y todo lo que ocurría era resultado de caprichos o enojos de las divinidades. El hombre no podía tener ni conocimiento ni mucho menos control de los fenómenos que observaba. No se sabe exactamente cuando, pero según Carl Sagan1 fue en la antigua Jonia, con los primeros filósofos materialistas, Tales de Mileto, Anaximandro, Anaxímenes y Empédocles donde se desarrolló una de las grandes ideas de la especie humana: la noción de que el universo se puede conocer; esta sería la semilla de lo que hoy conocemos como ciencias naturales. Esta idea surgió como consecuencia de la observación de que algunos fenómenos mostraban una cierta regularidad, como el aparente movimiento diario del sol de oriente a poniente, las estaciones del año, las fases de la luna, etc. Las hipótesis fundamentales sobre las que descansa toda la estructura teórica de la física son hipótesis filosóficas sobre el papel del hombre en la comprensión del mundo o los conceptos “prefísicos” sobre el espacio el tiempo y la materia. Estos son los pilares fundamentales sobre los que se levanta todo el edificio de la ciencia. La existencia objetiva del universo, la cognoscibilidad del mismo, y la existencia de regularidades en los fenómenos de la naturaleza, son las hipótesis más básicas de la concepción científica del mundo. La objetividad del universo expresa la idea de que la materia existe independientemente de la conciencia del hombre, es decir, que la materia está ahí, no importa si hay seres que la observan o no. Este postulado, aparentemente ingenuo, no lo es tanto y existe una doctrina filosófica, conocida como a) b) d) c) Carl Sagan en la época de la serie televisiva Cosmos. 56 Filósofos materialistas: a) Anaximandro, b) Tales de Mileto (624-546 AC), c) Anaxímenes, d) Empédocles Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �La evolución de los conceptos de espacio y tiempo / J. Rubén Morones Ibarra Solipsismo, que lo niega; nada existe fuera de mi conciencia, dicen los solipsistas.2 La cognoscibilidad o intelegibilidad del mundo significa que el hombre es capaz de explicar los fenómenos que observa a su alrededor, de reconocer un orden y una regularidad en los fenómenos de la naturaleza y que podemos alterar e intervenir en la evolución y desarrollo de los mismos. La hipótesis de la existencia de regularidades en los fenómenos naturales se expresa en el “postulado de causalidad”.3 Este postulado establece que aún y cuando no conozcamos las causas que dan lugar a un fenómeno determinado, estas tienen que existir. En otros términos, que todo fenómeno de la naturaleza está determinado por circunstancias y condiciones específicas. Este principio de causalidad, nos lleva al determinismo y a las leyes de la naturaleza, las cuales podemos entender como regularidades que ocurren en el comportamiento de los sistemas materiales siempre que se presenten las condiciones adecuadas. La certeza en el determinismo o principio de causalidad llevó a Einstein a pronunciar su famosa frase “ Dios no juega a los dados”, refiriéndose a la interpretación probabilística de la mecánica cuántica, la teoría que describe el comportamiento de átomos, moléculas, núcleos atómicos y partículas subnucleares. Aspectos de esta teoría en la cual no se pueden determinar las cantidades físicas con precisión absoluta y solo se pueden calcular probabilidades de sus valores, serán tratados en otro artículo. El determinismo de la física clásica se refiere al hecho de que la evolución de un sistema está determinado por las condiciones iniciales y que en principio es posible conocer el futuro si conocemos el presente. Aún anterior al postulado de causalidad, elaborado con base en el hecho de que “siempre” que se dan determinadas condiciones ocurren determinados resultados, está, por supuesto, la validez del método inductivo. El principio de causalidad se apoya en el método inductivo, pero el método inductivo no se apoya en nada, en este sentido la hipótesis de la validez del método inductivo es una suposición primigenia. La palabra “siempre” no tiene un significado literal, por supuesto. Solo significa que se hicieron un número razonablemente grande de observaciones y se extrapoló el resultado, en el tiempo y en el espacio. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 EL ESPACIO Y EL TIEMPO EN LA FÍSICA NEWTONIANA El método científico, apoyado en estas hipótesis prefísicas, es el instrumento mediante el cual se desarrolla y adquiere nuevo conocimiento en las ciencias naturales. La homogeneidad e isotropía del espacio y la homogeneidad del tiempo son otras hipótesis de trabajo no empíricas que se establecen en la física clásica.4 La homogeneidad del tiempo se refiere a la equivalencia entre cualesquier dos instantes de tiempo, independientemente de en que momento se tomen. El concepto de homogeneidad del tiempo se introduce en forma práctica al utilizar marcos de referencia donde el origen de coordenadas puede seleccionarse arbitrariamente. Una forma equivalente de expresar la homogeneidad del tiempo es plantear que las leyes de la física son las mismas ahora que hace mil años. La aplicabilidad de este principio se lleva a cabo al observar los fenómenos que ocurren en estrellas o galaxias lejanas y usamos los conocimientos de física actuales para interpretarlos. La información que nos llega del espacio exterior, es radiación electromagnética (luz visible, ondas de radio, microondas, rayos X, etc.), la cual fue emitida hace miles o millones de años, dependiendo de la distancia de la estrella o galaxia que estemos observando. Las conclusiones que obtenemos se realizan basados en nuestro conocimiento actual de la física, y esto lleva implícito la suposición de que las leyes de la física hace miles o millones de años, Isaac Newton (1642-1727 ) físico, matemático y astrónomo inglés que desarrolló la ciencia de la mecánica y descubrió la ley de la gravitación universal. 57 �La evolución de los conceptos de espacio y tiempo / J. Rubén Morones Ibarra cuando se emitió la radiación, son las mismas que las de ahora. Similarmente, la hipótesis de isotropía del espacio aparece en el hecho de que la orientación de los ejes de coordenadas, los cuales nos sirven de marco de referencia para analizar un fenómeno físico, es arbitraria. En cuanto a la homogeneidad del tiempo, ésta está implícita en el hecho de que el origen del tiempo es completamente arbitrario. El concepto de homogeneidad del espacio significa que las leyes de la física tienen validez en todos los lugares del universo. La isotropía del espacio nos dice que si un experimento es efectuado en un laboratorio donde el equipo experimental tenga una cierta orientación espacial, los resultados obtenidos serán los mismos si la orientación de todos los instrumentos, el sistema que se va a analizar y el medio ambiente se modifica. Las hipótesis de homogeneidad del tiempo y del espacio, así como la de isotropía del espacio, son utilizadas permanentemente en toda la física y la ingeniería. En el diseño de una construcción no se piensa que dentro de 10 años se pueda colapsar debido a que los principios físicos y ecuaciones utilizadas en los cálculos vayan a cambiar. Lo mismo se aplica al diseño de cualquier máquina o vehículo, como un automóvil, un barco, avión o nave espacial. Los diseñadores y constructores de los vehículos se apoyan en estos principios y confían en que se cumplirán aún cuando la nave espacial o el automóvil viaje miles de kilómetros. Dado que la física es una ciencia experimental, cualquier hipótesis que se haga y que lleve a resultados que no están de acuerdo con los resultados experimentales debe ser desechada. Un ejemplo de esto ocurrió con la hipótesis de la simetría izquierdaderecha del espacio. Esta suposición establece que en el espacio no existe preferencia por la izquierda o la derecha. La forma como se aplica esta simetría es a través del uso indistinto de marcos de referencia levógiros o dextrógiros (ver figuras) . Esta simetría, que se tomó como un postulado, resultó inadecuada para describir fenómenos relacionados con la desintegración nuclear por emisión de electrones. En el año de 1956 se realizó un experimento donde se probó que las interacciones débiles, una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, distinguían la derecha 58 Marco de referencia Dextrógiro Marco de referencia Levógiro de la izquierda; a esto se le conoce como la violación de la paridad por las interacciones débiles.5 La homogeneidad e isotropía del espacio así como la homogeneidad del tiempo, son hipótesis de trabajo para iniciar la construcción de un cuerpo de doctrina que permita explicar los fenómenos de la naturaleza. Estas hipótesis conducen a las leyes de conservación sobre los que se apoya toda la física: conservación del momento lineal, del momento angular y de la energía. Estos resultados tienen hasta el momento validez universal, no se ha encontrado hasta hoy ningún hecho experimental que los ponga en duda. Por otra parte, existen hipótesis en la física prerelativista acerca del espacio y el tiempo donde se considera a estos como absolutos, es decir con propiedades que no dependen ni de la presencia de materia ni de los observadores que midan estas propiedades. Para Newton, el espacio es absoluto, es el escenario donde ocurren los fenómenos naturales y permanece siempre idéntico e inmóvil, sin relación a las cosas externas, y el tiempo es algo que fluye sin relación con nada, independientemente de la materia y su movimiento. 6 Estas ideas permitieron el desarrollo de la física clásica. Sin embargo, con el advenimiento de la teoría de la relatividad desarrollada por Einstein, estos conceptos sufrieron modificaciones no sin provocar gran desconcierto entre los físicos debido a que estos Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �La evolución de los conceptos de espacio y tiempo / J. Rubén Morones Ibarra conllevan un cambio que está mas allá de nuestra experiencia inmediata. Un principio de la física clásica conocido como Relatividad Galileana, establece la forma como dos observadores que se encuentran en movimiento relativo a velocidad constante, relacionan sus observaciones de los fenómenos físicos. Este principio nos lleva a que las leyes de la mecánica son las mismas para todos los observadores, y está apoyado en los conceptos de espacio y tiempo absolutos. EL ESPACIO Y EL TIEMPO EN LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD Desde que Newton presentó la formulación matemática de la mecánica, se entendió que las matemáticas marcaban el camino para los nuevos descubrimientos. El carácter universal de las leyes de la física y las analogías íntimas entre las cosas, como lo menciona Poincaré, solo se pueden entender a través del conocimiento de las matemáticas; En palabras de Galileo: “ El gran libro de la naturaleza está escrito en el lenguaje de las matemáticas”.7 Con la formulación matemática del electromagnetismo, por Maxwell en 1873, y la confirmación experimental de que la luz es una onda electromagnética, se hizo la suposición de la existencia de un medio para su propagación. La suposición respondía a la concepción mecanicista del mundo y a la idea de que se requiere un medio para la propagación de una onda. Este medio se denominó éter luminífero. En 1886 los experimentos de Michelson y Morley para detectar al éter arrojaron resultados negativos. Lorentz, en su intento por salvar al éter, supuso que Galileo Galilei Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 James Clerk Maxwell los objetos se contraían en la dirección del movimiento. Por otra parte H. Poincaré insistía en redefinir los conceptos de espacio y tiempo. En 1905 Albert Einstein, un físico completamente desconocido en ese entonces, publica tres trabajos que son ahora referencia obligada para quienes escriban la historia de la física. En uno de estos trabajos, intitulado “sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”, Einstein salva las dificultades encontradas en los experimentos por detectar al éter con la hipótesis de que la luz se propaga con rapidez constante, independientemente del observador y de la fuente. Esta hipótesis es una de las suposiciones fundamentales de la teoría de la relatividad especial y condujo a una verdadera revolución en la física. En la física relativista, el espacio y el tiempo quedaron ligados indisolublemente. No existe el uno sin el otro. La relatividad del tiempo y del espacio significa que tanto uno como el otro dependen del observador. Esto quiere decir que los valores numéricos asignados a mediciones de tiempo y espacio por diferentes observadores para los mismos fenómenos, son distintos. La relación entre ellos depende de las velocidades relativas entre ambos observadores. La relatividad especial permite estudiar los fenómenos donde los campos gravitacionales que intervienen son relativamente pequeños, como el campo gravitacional de la Tierra, o del Sol, por ejemplo. En el caso de este último, con pequeñas desviaciones entre lo que predice la teoría y lo que se observa experimentalmente. En 1915, Einstein publica la teoría general de la relatividad, donde el espacio, el tiempo y la materia quedan unidos en forma 59 �La evolución de los conceptos de espacio y tiempo / J. Rubén Morones Ibarra Henri Poincaré inseparable. La presencia de materia deforma el espacio y el tiempo. Una medición de tiempo realizada por un reloj en el último piso de un edificio es diferente del valor obtenido por el mismo reloj en la planta baja. GEOMETRÍAS NO EUCLIDIANAS El desarrollo de la teoría general de la relatividad, la cual es una teoría de la gravitación que es compatible con el resultado de la relatividad especial de que ninguna señal en la naturaleza se propaga a mayor velocidad que la luz, requirió el uso de geometrías no-euclidianas. Desde la matematización de la física con Newton, se consideró que el espacio físico era descrito por la geometría euclidiana. Esta geometría que aprendimos en los cursos elementales, donde la suma de los ángulos internos de un triángulo es de 180º y la razón entre la circunferencia y su diámetro es el conocido número pi=3.14..., corresponde a un espacio Albert Einstein, físico que desarrolló la teoría de la relatividad. 60 plano o llano. Pero existen otras geometrías, conocidas como geometrías no euclidianas que fueron desarrolladas a mediados del siglo XIX. Una geometría para un espacio curvo es, como un ejemplo, la geometría de la superficie de la esfera. Sobre la superficie de la esfera no se puede trazar una línea recta, por ejemplo. Pero si definimos como línea recta en una superficie en general, la distancia más corta entre dos puntos, entonces en la superficie de una esfera dos puntos definen dos segmentos de recta, que son las dos partes de un círculo máximo. También se puede ver fácilmente que los ángulos internos de un triángulo esférico no suman 180º. Fue el célebre matemático alemán Karl Friedrich Gauss, quien estableció que las propiedades de una superficie en general, y toda la geometría asociada a ella, quedan determinadas al definir una regla para medir distancias sobre esta superficie. 8 Bernhard Riemann, un matemático alemán del siglo XIX, generalizó la geometría de superficies curvas para un número arbitrario de dimensiones y surgieron así las geometrías no euclidianas N-dimensionales. Karl Friedrich Gauss En la física clásica el espacio y el tiempo existen en forma independiente el uno del otro y a la vez son independientes de la materia. La geometría de la física newtoniana es la geometría euclidiana de tres dimensiones, donde el espacio es homogéneo e isótropo. La regla para medir distancias es siempre la misma, no importa donde coloquemos el origen de coordenadas ni como lo orientemos. La total independencia entre el espacio, el tiempo y la materia se manifiesta en la métrica del espacio euclidiano, es decir en la regla para medir distancias en este espacio. La distancia ∆ S entre dos puntos con Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �La evolución de los conceptos de espacio y tiempo / J. Rubén Morones Ibarra coordenadas ( x1 , y1 , z1 ) y ( x2 , y 2 , z 2 ) está dada por ∆S = (x 2 − x1 ) 2 + ( y 2 − y1 ) 2 + (z 2 − z 1 ) 2 , y el tiempo absoluto. Claramente el espacio es plano y no depende ni del tiempo ni de la materia. En la teoría especial de la relatividad, el espacio y el tiempo están conectados de forma inseparable, es un espacio de cuatro dimensiones y la geometría que lo describe es la geometría de Minkowski, con una fórmula para medir “distancias” o mejor dicho, pseudodistancias, dada por: ∆S = ( x2 − x1 ) 2 + ( y 2 − y1 ) 2 + ( z 2 − z1 ) 2 − (t 2 − t1 ) 2. Se observa aquí la conexión entre tiempo y espacio. Por otra parte, en la teoría de la gravitación de Einstein el espacio, el tiempo y la materia están estrechamente conectados, el uno no existe sin el otro y la geometría que lo describe es la geometría Riemanniana, donde la métrica está dada por ds 2 = 4 4 ∑∑ µ =1 ν = 1 g µν dx µ dx ν siendo ds 2 el cuadrado de la distancia entre dos puntos cuyas coordenadas en el espacio-tiempo son: ( x, y , z, t ) y ( x + dx, y + dy, z + dz , t + dt ). Aquí se ha usado x µ con µ = 1,2,3 y 4 para x,y,z y t respectivamente. Las cantidades g µν se conocen como las componentes del tensor métrico y dependen de cómo está distribuida la materia y la energía en el espacio. Se aprecia entonces la interrelación espacio-tiempo-materia. Bernhard Riemann Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 Hermann Minkowski EL ESPACIO Y EL TIEMPO EN LA COSMOLOGÍA MODERNA Las ecuaciones de Einstein para el campo gravitacional tienen la siguiente forma 9 Rµν − 1 g R = kTµν 2 µν Las Rµν son funciones de las funciones potenciales g µν y sus derivadas, las cuales dependen a su vez de la distribución de materia; a R se le conoce como la curvatura del espacio, y T µν depende de la distribución de materia y energía. Son 10 ecuaciones diferenciales parciales no lineales, de una gran complejidad. No existe un método general para resolverlas y la primera solución fue obtenida por Karl Schwarzchild 10 en 1916, para el caso del espacio “vacío” exterior a una estrella sin rotación y esféricamente simétrica. Ninguna otra solución fue encontrada a estas ecuaciones sino hasta el año 1963,10 esto nos da una idea del grado de dificultad que representa obtener soluciones para las ecuaciones de Einstein. Esencialmente en las ecuaciones de Einstein tenemos que el miembro izquierdo de la ecuación se refiere a la geometría del espacio-tiempo y el miembro derecho a la distribución de masa y energía en ese espacio. La idea central detrás de estas ecuaciones la podemos expresar verbalmente como sigue: “curvatura del espacio-tiempo” = “densidad energética de la materia”,11 la cual establece que la materia causa que el espacio se curve. 61 �La evolución de los conceptos de espacio y tiempo / J. Rubén Morones Ibarra En la cosmología moderna se tiene como hipótesis fundamental de trabajo el “principio cosmológico”, que establece que el universo se observa igual desde cualquier punto y en cualquier dirección desde donde se le vea.12 Técnicamente esto significa que el universo es homogéneo e isótropo a gran escala. La Tierra, por ejemplo, es esférica en primera aproximación, cuando se le considera como un todo o vista desde lejos, pero localmente la topografía de su superficie no se le parece en nada a la superficie lisa de una esfera. Similarmente, el universo es homogéneo e isótropo cuando se le considera como un todo, a gran escala. Con estas hipótesis sólo existen tres posibles geometrías para la estructura espacial del universo. 12 Una es que el universo sea plano, en cuyo caso la geometría del espacio es euclidiana. Otra es que la geometría del espacio tridimensional sea hiperbólica como la que corresponde en el caso bidimensional a la geometría de la superficie de una silla de montar. Y la tercera posibilidad es que la geometría del espacio tridimensional sea esférica. Tres son entonces los modelos del universo compatibles con las hipótesis de homegeneidad e isotropía del espacio. Dos de ellos son abiertos, infinitos e ilimitados. Estos universos son los que corresponden a las geometrías euclidianas (espacio plano), o a la hiperbólica (espacio curvo) y el tercero es un universo cerrado, finito pero ilimitado, este corresponde a la geometría de la superficie esférica tridimensional. Es importante aclarar que las superficies curvas de tres dimensiones no pueden ser visualizadas por nosotros. Una superficie curva de dos dimensiones sí es posible visualizarla debido a que estamos Karl Schwarzschild 62 inmersos en un espacio tridimensional. Por ejemplo, la superficie esférica bidimensional, muy familiar para todos, se define como el conjunto de puntos en el espacio tridimensional que satisfacen la ecuación x1 2 +x2 2 +x3 2 =r2 , siendo las variables x1 , x2 , x3 las coordenadas x, y, z respectivamente, del sistema de coordenadas cartesiano, y r el radio de la esfera. El caso de la superficie esférica tridimensional, no es más que una extensión a una esfera en el espacio de cuatro dimensiones. El conjunto de puntos que la representan satisface la ecuación: x1 2 +x2 2 +x3 2 +x4 2 =r2 , siendo ahora x1 , x2 , x3, x4 las coordenadas de un sistema cartesiano en cuatro dimensiones. No podemos tener una representación pictórica de esta superficie, al menos yo no, necesitaríamos vivir en un espacio de cuatro dimensiones, pero nuestra capacidad de abstracción nos permite saber que esta superficie es finita, encierra un volumen cuadridimensional finito y que es ilimitada. Para imaginarnos un universo finito pero ilimitado, podemos recurrir a una analogía bidimensional. Con este propósito, consideremos el caso de seres bidimensionales que viven sobre la superficie de una esfera. Para estos seres, su universo será ilimitado, podrán desplazarse sobre su superficie sin encontrar nunca un borde o una frontera, y también será finito en el sentido que no pueden alejarse indefinidamente del punto de partida. Estos seres podrán realizar mediciones locales y encontrar que su espacio es curvo, trazando por ejemplo un triángulo suficientemente grande y encontrando que la suma de sus ángulos internos es mayor de 180º. Esta analogía llevada a tres dimensiones es lo que conocemos como espacio curvo. La comprobación experimental de esto se realizó en 1919 cuando se observó en un eclipse total de Sol, que la luz proveniente de estrellas lejanas, sufría una desviación al pasar por la vecindad del Sol. Las ecuaciones de La presencia de materia deforma el espacio, de acuerdo con la teoría de Einstein de la gravitación. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �La evolución de los conceptos de espacio y tiempo / J. Rubén Morones Ibarra Einstein predecían este resultado y se confirmó así la curvatura del espacio-tiempo. Tenemos entonces que el espacio, el tiempo y la materia no existen en forma independiente el uno del otro sino que se entrelazan en lo que podríamos llamar “la estructura de la realidad”. Actualmente se observa que el universo está en expansión; de la geometría del espacio dependerá si el universo continuará su expansión eternamente o si esta se detendrá y se iniciará la contracción que terminará en un Gran Colapso, iniciando posteriormente un nuevo Big Bang, resurgiendo así el universo de sus propias cenizas, como el Ave Fénix, en una sucesión infinita de ciclos de expansión y contracción. REFERENCIAS 1.- Sagan, Carl, Cosmos, Ballantine Publishing Group, 1980. 2.- Deutsch, David, The Fabric of Reality, Penguin Books, 1997. 3.- Wartofsky, M.W. Introducción a la Filosofía de la Ciencia, Alianza Editorial, 1973. 4.- Landau L. y Lifshitz E., Mecánica, Editorial Reverté, S.A. 1972. 5.- Morones, I.R., La Simetría Izquierda-Derecha en la Naturaleza, Ingenierías, Julio-Sept. 2002, Vol. V, No.16. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 Imagen de microondas de la radiación de fondo del espacio que representa el eco del Big Bang (NASA). 6.- Resnick, Robert, Introducción a la Teoría Especial de la Relatividad, Limusa, 1977. 7.- Britannica 2001, Deluxe Edition. 8.- Weyl, Hermann, Space-Time-Matter, Dover, 1952. 9.- Landau L. y Lifshitz E., Teoría Clásica de los Campos, Editorial Reverté, S.A. 1972. 10.- Weinberg, Steven, Gravitation and Cosmology, John Willey, 1972. 11.- Wald, R.M. Espacio, Tiempo y Gravitación, Fondo de Cultura Económica, 1984. 12.- Chaisson, Eric, Universe, Prentice-Hall, 1988. 63 �¿Qué sabían de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte I Dora M.K. de Grinberg Sección de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, UNAM. krasnop@servidor.unam.mx krasno@att.net mx RESUMEN El presente trabajo resume nuestros conocimientos sobre las técnicas de fundición obtenidos a través de estudios de piezas arqueológicas y de las obras de los comentaristas españoles que llegaron en las primeras épocas de la conquista de la Nueva España (México). Se podría decir que son las conclusiones de un metalurgista ante la producción de piezas de metal de los antiguos pueblos metalúrgicos de Mesoamérica. PALABRAS CLAVE: Metalurgía, fundición, Mesoamérica, arqueología. ABSTRACT The present work is a compilation of our knowledge about the foundry techniques through the metallurgical studies of archeological artifacts and the writings of the Spanish monks and army men that arrived to New Spain (México) at the time of the conquest. This is the approach of a metallurgist studying the metallic artifacts of the ancient metallurgical people of Mesoamerica. KEYWORDS Metallurgy, foundry, Mesoamerica, archeology. NIVEL CULTURAL DE LOS PUEBLOS AMERICANOS A LA LLEGADA DE LOS ESPAÑOLES Cuando los españoles llegaron a América, ésta se hallaba, en términos generales, en la Edad de Bronce. Mucho ha intrigado a los historiadores que no se hubiera pasado a la Edad del Hierro, ya que por sus avances en otras ramas se podría prever que disponían de conocimientos para haberlo hecho. Si comparamos el desarrollo de la metalurgia americana con la europea o la asiática, es evidente que la primera debió estar atrasada, desde el punto de vista temporal, respecto a las dos últimas entre 2,000 y 3,000 años. Esta misma separación cronológica hace pensar que la metalurgia americana, como confirmaremos con otros argumentos posteriores, es un desarrollo independiente. 64 Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �¿Qué sabián de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte I / Dora M.K. de Grinberg El estudio de la metalurgia es una herramienta útil para conocer el desarrollo cultural de un pueblo, dado que para producir, de manera constante, abundantes objetos de metal se necesita una serie de conocimientos metalúrgicos previos, tales como: 1. La obtención del mineral a partir de sus minas. (Minería). 2. La reducción del mineral para extraerle el metal. (Metalurgia extractiva). 3. La obtención de aleaciones. 4. La elaboración de objetos por algún método mecánico (Martillado en frío o en caliente). 5. La elaboración de objetos metálicos por fusión y colado en moldes. (Fundición). 6. La aplicación de técnicas de soldadura, pulido, decoración, etc. De lo anterior, se puede afirmar que un pueblo que elabora objetos de metal, diferente del oro o el cobre nativo, en cantidades grandes, ha debido recorrer este largo camino en el que realizó un acopio de conocimientos tecnológicos y como este arte era realizado por los maestros metalúrgicos, debió haber al menos un incipiente desarrollo social, con tareas diferentes para los campesinos, los alfareros, los fabricantes de armas y adornos y los maestros metalúrgicos. El nacimiento de la metalurgia en América se produjo en dos puntos muy distantes entre sí para considerar que uno pudo tener influencia en el desarrollo del otro. El más antiguo comenzó con la elaboración Fig. 1. Cerámica colombiana mostrando fundidores soplando en un horno. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 de objetos metálicos a partir de cobre de los Grandes Lagos de Norteamérica, explotando los enormes yacimientos de cobre nativo de la Isla Royale entre el 4,000 a.c. y el 1,000 dc,1 mientras que los antiguos pobladores del Perú comenzaron a elaborar objetos de oro nativo que obtenían de la arena de los ríos alrededor de 1,200 a.c.2 Sin embargo, la cultura del cobre nativo de Norteamérica no siguió evolucionando, desde el punto de vista tecnológico, mientras que la del Perú constituyó la cuna del desarrollo metalúrgico de esta región. En el comienzo de la minería no se construían túneles, sino que se exploraba la montaña, buscando la zona en donde la veta llegaba a la superficie. Por el efecto del aire y las lluvias, los sulfuros se convirtieron en carbonatos. Los sulfuros de cobre son de color gris, poco llamativo, mientras que los carbonatos de cobre son de color verde como la malaquita o azul como la azurita. Algunos de los óxidos de cobre que los acompañan son rojizos y en algunos casos se puede encontrar cobre nativo en la superficie. Pensamos que los colores llamativos de los minerales pudieron haber inducido al hombre de aquellas épocas a recogerlos y tratar de elaborar con ellos cosas semejantes a las que hacían con otras piedras. Nosotros descubrimos minas indígenas de cobre3 en una zona situada al norte de la Laguna del Infiernillo, en el estado de Michoacán, guiados por declaraciones indígenas contenidas en el Legajo 1204 del Archivo General de Indias4 fechado en 1533 donde se las describe como minas que estaban en explotación durante el gobierno del último Calzoncí. Se puede resumir nuestros hallazgos 5 diciendo: 1. Las minas son de tajo abierto, es decir, cuando encontraban la veta en la superficie, comenzaban a cavar para retirar el mineral. 2. En las paredes de las minas no se aprecia el empleo de fuego para quebrar las piedras como algunos autores han sostenido. 3. Por la forma de las paredes, se puede decir que no se empleó pólvora ni herramientas de hierro, lo que permitiría decir que no son hechas por gambusinos, sino que se trabajaba con cuñas, posiblemente de madera o astas de animales, para lograr el desprendimiento de las piedras. 65 �¿Qué sabián de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte I / Dora M.K. de Grinberg 4. Las únicas herramientas encontradas en superficie fueron molcajetes de piedra para moler el mineral, llamados hoy en día en la zona, tiqüiches, aunque no sabemos el origen de dicho nombre, y mazos de piedra. 5. En la proximidad de una de las minas encontramos una mesa de molienda, tallada sobre una piedra. 6. Las minas de tajo abierto tienen el inconveniente que cuando las paredes alcanzan ángulos más agudos que 45º, se caen. Esto es lo que debe haber sucedido en las minas hundidas de Churumuco descritas como tales en el Legajo y encontradas durante nuestro recorrido por la zona. 7. Los indígenas dicen en el Legajo que recogían piedras verdes y a partir de ellas obtenían el cobre. Esto hace pensar que utilizaban los carbonatos de cobre, tales como malaquita, y por lo que se puede apreciar en los terrenos de las minas prehispánicas que encontramos, éste es el mineral que extraían. 8. Los indios dicen que en Churumuco trabajaban veinte fundidores y que en un día recogían cada uno de ellos medio celemin de polvo y piedra, cantidad cercana a los 2.3 litros. Después de fundirlo soplando con cañutos sacaban un lingote del largo y ancho de la mano y de dos dedos de espesor y dichos lingotes son la manera como se manejaban y se manejan los metales brutos de fundición. En esa época recibía el nombre de Xeme, el lingote prehispánico al que nos estamos refiriendo y debía pesar alrededor de 4.5 kilogramos. 9. Parecería, por lo que dicen los indios fundidores, que en cada mina trabajaban 20 fundidores, los que producían por día, una carga y todos juntos producían por mes un montón. Por lo tanto, la carga tenía 20 lingotes y pesaba alrededor de 90 kilogramos, y el montón, que era la producción de 20 días, dado que en el mundo prehispánico mesoamericano el mes tenía 20 días. Este montón pesaba 1800 kilogramos. 10. Los fundidores también dicen que ellos tenían sus sementeras al pie del cerro, y cuando el Calzoncí les pedía cobre ellos lo fabricaban. Esto hace pensar que el trabajo del fundidor no era permanente, sino que trabajaban como labriegos y, en caso que se necesitara cobre, trabajaban 66 como fundidores. Esto explicaría porqué no hay una exagerada abundancia de objetos de metal en Mesoamérica si lo comparamos con otras regiones de América. Por otro lado, si se tiene en cuenta la gran diferencia que hay entre la temporada de sequía y la de lluvias en esa región, se puede explicar ambas tareas: en la temporada de lluvias no era posible trabajar en una mina de tajo abierto, ya que lo más probable sería que estuviera continuamente inundada, mientras que la labranza de los campos no es un trabajo de época de sequía, en donde nunca cae una gota de agua, en esa región. En nuestro recorrido por el cerro de Mayapito para buscar las minas prehispánicas de cobre, encontramos sobre las mismas vetas talladas por los indígenas, del otro lado del cerro, dos minas coloniales llamadas las Guadalupes. Estas minas no son de tajo abierto sino de trabajo subterráneo y, en lugar de extraer los carbonatos como hacían los indígenas, las galerías llegan a la zona de los sulfuros. Pensamos que cuando los españoles se informaban de la existencia de minas indígenas, en lugar de seguir el trabajo a cielo abierto, perforaban un socavón o galería a un nivel más bajo. Esta manera de trabajar las minas es la técnica europea del siglo XVI, como se describe en el libro de Agrícola, “De Re Metallica,6 publicado en el momento del descubrimiento de América. LA REDUCCIÓN DEL MINERAL (METALURGIA EXTRACTIVA) No se sabe con seguridad cómo ni cuándo comenzó la explotación de los yacimientos de minera- Fig. 2. Mapa Tloltzin mostrando un fundidor trabajando. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �¿Qué sabián de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte I / Dora M.K. de Grinberg les y la obtención a partir de ellos de los metales. Sin embargo, en todas las culturas, cuando comienza la obtención de metales a partir de minerales, hay una escalada importante en la cantidad de objetos metálicos que se producen y esto puede tomarse como un indicio para establecer el momento de aparición de la metalurgia extractiva. Se piensa, por la facilidad con que se reducen los carbonatos y por estar en la parte superior del afloramiento mineral, que éstos deben haber sido los primeros minerales que los hombres aprendieron a reducir. Si se muelen los carbonatos y se los mezcla con carbón de leña granulado, colocándolos en el interior de un crisol al que se introduce en una hoguera, por acción del calor y el carbón los carbonatos se descomponen generando gases de carbono (monóxido y dióxido de carbono) y el cobre queda libre, fundiéndose y depositándose en el fondo del crisol en forma de un botón. Este proceso se conoce como reducción. El proceso de reducción es bastante sencillo cuando los minerales a tratar son carbonatos u óxidos de cobre. Pero cuando se trata de sulfuros no es tan fácil, aunque no imposible. En pequeñas cantidades, los sulfuros se reducen de la misma manera que los carbonatos aunque, en tiempos modernos, se los somete a una tostación previa. Se llama tostación al calentamiento de los sulfuros al aire. En este proceso el azufre de los sulfuros pasa a formar óxidos de azufre (anhídrido sulfuroso y sulfúrico), que se desprende y el cobre también se oxida para formar óxidos de cobre (cuprita y tenorita). La tostación aca- Fig. 3. Códice Mendocino mostrando un fundidor. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 baría en el momento en que ya no se desprendieran los gases de azufre, fácilmente reconocibles por su olor. Los óxidos son ahora reducibles mezclándolos con carbón y calentándolos. Sin embargo, no se sabe si los antiguos pobladores de América conocían el proceso de tostación. Hasta hace sólo algunos años, ciertos arqueólogos sostenían que en Mesoamérica no se conocía la reducción de los sulfuros y algunos autores llegaban al extremo de decir que sólo empleaban metales nativos. Más modernamente, otros autores admiten que se empleaban la reducción de carbonatos y óxidos de cobre para obtener el metal. Nosotros hemos probado, por análisis de escorias prehispánicas tarascas,7 que este pueblo también conocía y utilizaba la reducción de minerales sulfurados mixtos. En América los hornos de reducción de minerales son diferentes según las regiones y, mientras en la zona andina existen hornos similares a los de otras culturas del mundo, en Mesoamérica existe una aparente preferencia a la fundición en crisol, dentro de un brasero, si nos atenemos a los testimonios de los Códices. El rasgo común a ambas culturas, de sur y norte América, es la carencia de fuelles y en el Legajo al que hicimos mención antes,4 los fundidores dicen expresamente que los indios no tenían fuelles, sino que soplaban con cañutos. En una pieza de cerámica de Sudamérica se aprecian cuatro fundidores alrededor de un horno, soplando con dicho instrumento (figura 1). En el Mapa Tloltzin,8 (figura 2), se muestra a un fundidor arrodillado frente a un horno similar a los empleados en Sudamérica y que fueron dibujados por Barba,9 un sacerdote minero del comienzo de la conquista del Perú, quien dice que los indios colocaban este tipo de horno, al que llamaban guaira, en las laderas de las montañas durante las noches para que la brisa mantuviera vivo el fuego y se produjera la reducción. Dichos hornos eran empleados para reducir el mineral de plata 10 y se han encontrado numerosos restos de ellos en Sudamérica. Debemos aclarar que el mapa Tloltzin fue dibujado en la época colonial, con la tradición pictórica indígena y corresponde al Valle de México. En el Códice Mendocino11 (figura 3) se muestra otro tipo de horno. En el dibujo se ve a un fundidor 67 �¿Qué sabián de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte I / Dora M.K. de Grinberg agachado frente a un horno, soplando por medio de un cañuto y que sostiene en la otra mano un escorificador. Un escorificador puede ser una simple rama verde que permita retirar la escoria de la superficie del metal fundido. En el códice Florentino12 aparece otro tipo de horno, más parecido a un bracero, que utiliza como sistema de aereación el soplado por medio de cañutos. Dicho códice fue dibujado por indígenas de Texcoco a pedido de Bernardino de Sahagún, quien describió las técnicas metalúrgicas indígenas (figura 4). En el Lienzo de Jucutacato13 se muestra, en un cuadrete a un par de fundidores acuclillados ante un brasero soplando con sendos cañutos (figura 5). En las minas, los minerales no se encuentran puros sino que se hallan mezclados con otros minerales o rocas inertes. En épocas modernas, luego que los minerales son quebrados y molidos, se los somete a un proceso de flotación donde se separan los distintos componentes debido a que tienen distintas densidades: los más livianos flotan y los más pesados se van al fondo de la cuba. En Mesoamérica, y creo que es tiempo para definir Mesoamérica como la región comprendida al sur del río Santiago, en la mitad del territorio mexicano hasta la mitad norte del territorio hondureño, en época antigua, no existía este proceso de flotación Fig. 4. Lámina 62 del Códice Florentino donde se muestra a un par de fundidores trabajando. 68 Fig. 5. Cuadrete del Lienzo de Jucutacato correspondiente a Xiuquilan. sino que los minerales de las minas iban mezclados con otros minerales aunque el sistema que se empleaba para recoger el mineral, que era por pepena, reducía las cantidades de contaminantes. Hoy en día se agrega al mineral cal, óxido de hierro y arena para que forme la escoria. En nuestro estudio de los minerales provenientes de la zona sur del Estado de Michoacán, el carbonato de cobre se encuentra en las vetas mezclado con los componentes que actualmente se agregan14 y ésta puede ser la razón por la que en esta región de Mesoamérica aparece la metalurgia del cobre en épocas tempranas. Cuando se reduce un mineral por agregado de carbón y en presencia de formadores de escoria, (calcio, hierro y sílice), ésta se forma fácilmente y sobrenada al metal fundido, el cual se deposita en el fondo. El paso siguiente es quitar la escoria del crisol u horno, lo que puede hacerse con un escorificador, como se muestra en la figura 2, o se puede dejar sobre la superficie del metal hasta que éste se solidifique y quitarlo luego por golpes. Si se está reduciendo el metal en un horno de dos agujeros, uno se encuentra en la parte inferior, por donde se deja salir el metal y otro más alto por donde se drena la escoria. Si la fundición se hace a gran escala, se puede quitar el metal a medida que se forma por la abertura intermitente del agujero inferior. Esto se muestra en la figura 796, del códice Florentino donde se ve a un fundidor colando metal, directamente a partir de un horno, en un molde con forma de hacha (figura 6). Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �¿Qué sabián de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte I / Dora M.K. de Grinberg Fig. 6. Figura 796 del Códice Florentino. Los cronistas 1 5 – 1 9 comentan que los mesoamericanos sabían fundir oro, plata, cobre, plomo y estaño. LA OBTENCIÓN DE ALEACIONES Largo tiempo debe haber transcurrido desde que el hombre originario de Mesoamérica aprendió primero a fundir los metales nativos, luego a reducir los minerales, hasta que supo que fundiéndolos mezclados o reduciendo los minerales mezclados o minerales mixtos, se podían obtener metales con propiedades diferentes a los metales puros. Estas mezclas de metales son llamadas aleaciones. Por ejemplo, para fabricar un bronce, es decir, una aleación de cobre y estaño, se debió conocer un gran número de técnicas tales como: 1. La molienda del mineral de cobre y la obtención de cobre. 2. La molienda del óxido de estaño (casiterita) y la obtención de estaño metálico ya que dicho metal no se encuentra como metal nativo en la naturaleza . 3. Aprender la manera de fundirlos juntos para no perder a uno de ellos por oxidación. 4. Como alternativa sería posible la reducción simultánea del mineral de cobre con mineral de estaño. Nosotros hemos probado que en la Huasteca Potosina 20 se empleaba el método 4. Los análisis de Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 las aleaciones madres provenientes de esta región afirman estos resultados. En nuestro estudio de las escorias que encontramos en Xiuhquilan7 se confirmó que eran escorias antiguas y no escorias españolas o modernas, por la gran cantidad de glóbulos de metal atrapados en ellas. En algunas, los glóbulos son de cobre, pero en otras los glóbulos son de cobre-arsénico, y se observan también vetillas de sulfuro de cobre lo que indica que ya se estaban reduciendo minerales sulfurados. Algunas culturas mesoamericanas, tales como la purépecha, prefirieron fabricar los objetos utilitarios tales como hachas, escoplos, cinceles, buriles, coas, agujas, alfileres, anzuelos, etc, en metal, mientras que otras culturas siguieron utilizando herramientas de piedra. Los metales, en Mesoamérica, especialmente las aleaciones de cobre, fueron muy utilizados en la elaboración de herramientas. En estos casos es bien diferenciado el uso del cobre para la elaboración de objetos de adorno, mientras que prefieren el empleo del bronce para la fabricación de herramientas. Algunas pinzas de depilar de esta zona, que frecuentemente se piensa que se fabricaban en plata, son de bronce de alto estaño. También encontramos, analizando trozos de alambre provenientes de las excavaciones en Tzin-Tzun-Tzan, un alambre fabricado con una aleación de Cu-Zn, cosa que es poco usual. Sin embargo, revisando los análisis disponibles de otras partes de América, encontramos otros pocos casos de fabricación de latones. Los análisis prueban que el latón, de composición parecida al símil oro actual, por el contenido de impurezas no es una aleación colonial ni moderna. Sin duda, los pobladores de Mesoamérica, en su conjunto, sabían elaborar una serie de aleaciones, entre las que se destacan aleaciones binarias de CuAg, Cu-Sn (bronces), Cu-As (bronces arsenicales), Cu-Sb (bronces al antimonio), Cu-Pb (cobre al plomo) y Cu-Zn (latón), mientras que la aleación AuAg es una aleación que se encuentra en estado nativo. De las aleaciones ternarias conocían Au-Ag-Cu (tumbagas), y Cu-Sn-As y Cu-Ag-Pb. Sin embargo no todas las culturas metalúrgicas mesoamericanas sabían fabricar todas ellas sino que su empleo parece estar derivado de los minerales existentes en cada zona. 69 �¿Qué sabián de fundición los antiguos habitantes de Mesoamérica? Parte I / Dora M.K. de Grinberg REFERENCIAS 1. M. Wayman, (1985), “Native Copper: Humanity’s Introduction to Metallurgy”. Part I: Occurrence, Formation and Prehistoric Mining. CI Bull. 78 (1985), pp 67 2. Lothrop, S.K. “Gold ornaments of Chavin Style from Chogoyape, Perú”. Am. Ant. 6 (1965), pp 250 3. 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Universidad Autónoma de Nuevo León. bkhariss@ccr.dsi.uanl.mx, lagr19@hotmail.com, leoblanco@prodigy.net.mx Miguel Ángel Méndez Rojas Departamento de Química y Biología, Universidad de las Américas-Puebla. mamendez@hotmail.com RESUMEN Se reportan diversas técnicas de preparación de los ftalocianinatos de metales de los bloques d y f a partir de distintos precursores (ftalonitrilo, urea y anhídrido ftálico, ftalimida y ácido ftálico, entre otros). Se presentan los métodos tradicionales de síntesis, así como algunos no convencionales de uso actual como son las síntesis con ultrasonido, láser, microondas o por transformación nuclear. Se presta especial atención a la electrosíntesis directa de las ftalocianinas y a su obtención a temperaturas relativamente bajas. Se examinan grupos selectos de ftalocianinas tales como los ftalocianinatos de actínidos y los radicales ftalocianinas. Se comparan las diferentes técnicas sintéticas, así como sus posibles combinaciones. PALABRAS CLAVE Ftalocianinas, metales de transición, actínidos, electrosíntesis, síntesis a temperaturas bajas. ABSTRACT Several synthetic techniques for d- and f-metal phthalocyaninates starting from different precursors (phthalonitrile, urea and phthalic anhydride, phthalimide, phthalic acid, etc.) are reported. Conventional methods are presented, as well as some less-known techniques such as those using treatment with ultrasound, laser, microwaves, or nuclear transformation. Special attention is paid to the direct electrochemical synthesis of phthalocyanines and their formation at relatively low temperatures. Selected groups of phthalocyanines are examined, such as actinide complexes and radical phthalocyanines. A comparison of different synthetic techniques and their possible combinations is made. KEYWORDS Phthalocyanines, transition metals, actinides, electrosynthesis, synthesis at low temperature. INTRODUCCIÓN Las bien conocidas moléculas aromáticas de 18 electrones llamadas ftalocianinas (figura 1), libres de metal (Pc ácidas o H2 Pc), y sus numerosos Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 71 �Técnicas para la preparación de ftalocianinas / Boris I. Kharisov, et al complejos metálicos (“MPc”, ftalocianinas metálicas o, más exactamente ftalocianinatos 1 ) han sidointensamente estudiados desde comienzo de los 30´s 2 4 y son ampliamente utilizadas en la industria de los pigmentos. Más de 70 años después de su descubrimiento, no se ha perdido el interés en seguir investigando nuevas rutas de obtención, tanto desde el punto de vista académico como para optimizar las técnicas industriales ya existentes. Debido a su muy baja solubilidad en la mayoría de solventes, estos macrociclos no son tóxicos. Todo lo anterior hace a las ftalocianinas, compuestos únicos e interesantes. Cada año se publican muchas patentes y artículos de investigación, dedicados a esos macrociclos; además, hace tres años tuvo lugar el primer congreso sobre porfirinas y ftalocianinas, que desde entonces se lleva a cabo regularmente. Actualmente existe una revista especializada (el Journal of Porphyrins & Phthalocyanines), así como una sociedad internacional de investigadores en esta área. En general, las áreas principales de investigaciones académicas sobre las ftalocianinas han sido: a) la obtención de nuevos macrociclos presentando diversos sustituyentes orgánicos, b) el estudio físico-químico de dichos macrociclos y de sus complejos metálicos y c) la optimización de los métodos de preparación. El propósito de esta revisión es el de presentar un panorama general de los métodos sintéticos hasta ahora reportados, algunos de los cuales son convencionales y se utilizan a escala industrial, mientras que otros son casi desconocidos a pesar de que pudieran también ser empleados a gran escala después de una adecuada optimización. Especial atención se da a las técnicas electroquímicas, las cuales, desde nuestro punto de vista, son muy útiles en la optimización de la síntesis de los macrociclos de referencia. Para una mayor profundización en el tema, se presentan algunos ejemplos sintéticos selectos. Se espera que este trabajo, contribuya a incrementar el interés por desarrollar técnicas sintéticas de Pc alternativas y no convencionales por parte de las empresas mexicanas de pigmentos. PRECURSORES Y TÉCNICAS Las Pc pueden ser obtenidas por reacciones clásicas de hormaje partiendo de diversos materiales precursores, tales como ftalonitrilo (PN, figura 2), ocianobenzamida, 1,3-diiminoisoindolina (1,3-D), ftalimida (PM), ácido ftálico, etc. (figura 3), generalmente en disolventes no acuosos de alto punto de ebullición y a temperaturas elevadas,5, 6 o 7 electroquímicamente a partir de ftalonitrilo. En el caso del uso de PN, CH3 ONa (metóxido de sodio) y otras bases fuertes se usan a fin de realizar un ataque nucleofílico al grupo ciano del ftalonitrilo (figura 4): Las ftalocianinas libres de metal (ftalocianinas ácidas, PcH2 ) forman complejos (figura 1) con metales de transición “fuertes” (Fe, Cu, Ni) o «débiles» (Mg, Sb), de acuerdo con su resistencia a ser eliminados fuera del producto; dichos complejos pueden ser obtenidos: a) químicamente desde los metales o sus sales2-4 o b) electroquímicamente a partir del metal puro o sus sales.7 El primer tipo de reacciones emplea metales elementales o sus sales, los precursores anteriormente mencionados y son generalmente usados disolventes no acuosos, de alto punto de ebullición (nitrobenceno, o-dicloro- y triclorobenceno, etilenglicol, α-metilnaftalina, quinolina, entre otros). Sin embargo, algunos de ellos, tales como los alcoholes o el benceno, han sido acertadamente seleccionados, utilizando PN como agente precursor de Pc. Los rendimientos de estas reacciones se encuentran en el orden del 90-100%.5 C N + M C PcM N M = Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn Fig. 1. Ftalocianina metálica. 72 Fig. 2. Formación de los ftalocianinatos metálicos a partir del ftalonitrilo. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Técnicas para la preparación de ftalocianinas / Boris I. Kharisov, et al 9 Fig. 3. Principales precursores de ftalocianinas. En caso de los metales de la primera serie del bloque f (lantánidos), las estructuras de sus ftalocianinatos son distintas de las clásicas debido al tamaño grande del ion metálico; se forman, en particular, “supercomplejos” (“triplemente apilados” o “sandwiches triples”) de fórmula Ln2 Pc 3 6 , en las cuales el ion metálico se encuentra fuera del plano del macrociclo. La ruta electroquímica, al igual que otras técnicas más inusuales (uso de láser, ultrasonido y el tratamiento con microondas, ver tabla I), no es frecuentemente utilizada en la preparación de Pc. La factibilidad de la electrosíntesis de PcM fue reportada por vez primera por C. H. Yang. 7 quien obtuvo “MPc” de Cu, Ni ,Co, Mg y Pb usando sales metálicas o los metales elementales de Fe y Cu como fuente del átomo central. Por otra parte, el grupo de investigación de Petit 8 estudió la electrosíntesis de CuPc mediante electroreducción de Pc con una hoja de cobre o una electrodeposición de una capa de cobre sobre platino como ánodo. Entre las mencionadas técnicas “no estándar” para la producción de ftalocianinas metálicas, la irradiación con microondas, figura 5, en ausencia de disolvente fue empleada para la obtención de ftalocianinas Fig. 4. Proceso de ciclización del ftalonitrilo. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 derivativas de Ru, Rh, Pt y Pt, Zn, Mg, Co y Cu10 o Si.11 El tratamiento ultrasónico se ha usado tanto con propósitos de síntesis (tabla I) como para destrucción de ftalocianinas.12 Adicionalmente a la variedad de ftalocianinas ácidas, de metales-d de las tres series de transición5,6 y de los lantánidos, deben ser mencionadas especialmente las ftalocianinas de los metales de la segunda serie del bloque f (actínidos 13a). Además de las técnicas clásicas de síntesis de Pc desde sus precursores y correspondientes sales metálicas, estos macrociclos pueden ser obtenidos mediante procesos de transformación radioactiva. Así, las ftalocianinas de protactinio-223 y neptunio-239 fueron preparadas desde las correspondientes di-ftalocianinas de torio232 y uranio-238. 6 La existencia de di-Pcs de Pa y Np en los productos de la reacción es resultado de repetidas sublimaciones de los compuestos inicialmente irradiados, usando malla de platino para retener las impurezas. Di-Pc de Np ha sido sintetizado también a escala de trazas a partir de uranio metálico irradiado, usando los métodos 6 normales de síntesis para obtener di-Pc de uranio. Las estructuras de las ftalocianinas de los actínidos, así como también las de 200 ftalocianinas metálicas y sus derivados, han sido clasificadas en una excelente revisión de M. K. Engel. 13b En la tabla I, se presenta una breve descripción de las técnicas más importantes para la preparación Fig. 5. Típico reactor de microondas para experimentos a escala de laboratorio. 73 �Técnicas para la preparación de ftalocianinas / Boris I. Kharisov, et al de ftalocianinas. Las técnicas reportadas aquí son, por lo general, “no-estándar”; de acuerdo con algunas de ellas, el rendimiento de metaloftalocianinas se in- crementa con relación al obtenido mediante métodos convencionales con tiempos de reacción generalmente cortos. Tabla I.a. Producción de ftalocianinas mediante técnicas tradicionales. Tabla I.b. Producción de ftalocianinas mediante Irradiación de microondas. 74 Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Técnicas para la preparación de ftalocianinas / Boris I. Kharisov, et al SÍNTESIS DE FTALOCIANINA DE COBRE PARTIENDO DE COBRE METÁLICO Y FTALONITRILO (SÍNTESIS CLÁSICAS DE LINSTEAD3,4) Una mezcla de ftalonitrilo (4 mmol) y cobre (1 mmol) fueron calentados (baño de aceite) con agitación en un tubo de vidrio amplio. A 190°C se formó primero un color verde, la masa se volvió pastosa a 220°C y fue demasiado difícil de agitar a 270ºC (10 minutos). A una temperatura del baño de 220ºC, la temperatura interna comenzó a subir rápidamente excediendo a la del baño algunas veces por 45°C. La masa se dejó otros 5 minutos en el baño, enfriando ligeramente, y triturando con alcohol. El producto finamente pulverizado fue hervido con alcohol varias veces hasta que el disolvente de lavado fuera incoloro y no contuviera ftalonitrilo; después fue secado. Rendimientos del 75-90% en base al peso del ftalonitrilo. DOS PASOS PARA LA SÍNTESIS DE FTALOCIANINAS ÁCIDAS PARTIENDO DE UREA Y ANHÍDRIDO FTÁLICO 66,67 Anhídrido ftálico (148 g) y molibdato de amonio (1 g) se agregan con agitación a una mezcla caliente (110-120°C) de urea (300 g), nitrato de amonio (160 g) Tabla I.c. Producción de ftalocianinas mediante ultrasonido. Tabla I.d. Producción de ftalocianinas mediante electrosíntesis. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 75 �Técnicas para la preparación de ftalocianinas / Boris I. Kharisov, et al Tabla I.e. Producción de ftalocianinas mediante síntesis a relativamente bajas temperaturas. Tabla I.f. Producción de ftalocianinas mediante irradiación. 76 Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Técnicas para la preparación de ftalocianinas / Boris I. Kharisov, et al Tabla I.g. Producción de ftalocianinas complejas de elementos radioactivos. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 77 �Técnicas para la preparación de ftalocianinas / Boris I. Kharisov, et al Tabla I.h. Producción de radicales ftalocianinas. y nitrobenceno (100 mL). La mezcla se calienta gradualmente (3-4 hrs) hasta 165-170°C y esta temperatura se mantiene durante 15 h. Después de eso, la mezcla se calienta a 180-190°C y manteniendo a esta temperatura durante 2 h con agitación. Después de enfriar a 60°C, se agrega metanol (250 mL). El sólido se filtra a presión reducida, lavado con metanol y secado en aire. Rendimiento de la 1,3-D.HNO3 (nitrato de la 1,3-diiminoisoindolina) 198 g (95%) [66]. Para eliminar el ánion, 1,3-D.HNO3 (198 g) se mezcla con agua (910 mL) y se enfria a 3-5°C. Después, se agrega una disolución fría de NaOH (40%, 100 g). El sólido formado se filtra y seca al aire. Rendimiento de la 1,3-D 118 g (90%). Punto de fusión 184186°C.67 8 ELECTROSÍNTESIS DE FTALOCIANINAS La celda electrolítica fue dividida de tres electrodos. Como cátodo se utilizó una rejilla de oro, mientras que el ánodo fue un alambre en espiral de platino. 100 mL del disolvente elegido conteniendo LiCl (3 g, 0.07 mol) se introdujeron en la celda y fueron desgasificados a la temperatura dada. El proceso electrolítico se inició después de la adición de PN en el compartimiento catódico. Con etanol como disol- 78 vente, la disolución inicialmente incolora se puso amarilla, enseguida azul-verdosa después del transcurso de 20-40o C y finalmente se tornó en una suspensión viscosa azul. La electrólisis fue detenida después de pasar una cantidad dada de carga. Seguidamente, el catolito fue vertido en 100 mL de una disolución 0.2 M H2 SO4 . La suspensión resultante se agitó durante 0.5 h y después fue filtrada. El sólido azul se trató adecuadamente y los rendimientos fueron calculados. Los análisis elemental y espectroscopías indicaron que el sólido azul era la forma ácida de la ftalocianina PcH2 (α-forma). El mismo proceso electrolítico fue aplicado a ftalonitrilos sustituidos. La electrosíntesis de CuPc se desarrolló usando una hoja de cobre como ánodo o una capa electrodepositada de cobre sobre platino. En el compartimiento anódico se introdujo CuClO4 como electrolito soporte. ELECTROSÍNTESIS DE FTALOCIANINAS ÁCIDAS Y METÁLICAS PARTIENDO DE SALES 7 METÁLICAS Se utilizó una celda electroquímica estándar dividida con membrana de intercambio catiónica. Una placa de Hastelloy-C (aleación Ni-55%/Cr-16%) y Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Técnicas para la preparación de ftalocianinas / Boris I. Kharisov, et al Tabla II. Sales metálicas y alcoholes usados como anolitos durante la electrosíntesis de ftalocianinas. Fig. 6. Celda electroquímica dividida diseñada originalmente para la electrosíntesis de las ftalocianinas. Reactivo Disolvente Producto CuSO4 CH3OH CuPc NiSO4 CH3OH NiPc CoII(OAC)2 CH3OH CoPc MgSO4 CH3OH MgPc Pb(NO3)2 C2H5OH PbPc Pb(NO3)2 CH3OH H2Pc UO2(OAc)2 DMF H2Pc 2 una placa de Pt de 3x3 cm sirvieron como cátodo y ánodo, respectivamente. El cátodo fue pretratado con HNO3 diluido antes de su uso. Un total de 100 mL del catolito con 0.02 M de perclorato de tetrabutilamonio y 0.02 M de ftalonitrilo fueron colocados en el compartimiento del cátodo, mientras que 100 mL de una disolución de alcohol que contiene una sal metálica como anolito. La electrólisis fue llevada a cabo a –1.6Vδ vs SCE y 60-100 mA por 3-5 horas a temperatura ambiente. El catolito gradualmente se volvió rojo-café en el transcurso de la electrólisis. El sólido formado en el compartimiento del cátodo fue filtrado y lavado con 2 M NaOH, agua caliente, y acetona, y la disolución fue extraída mediante un equipo Soxhlet con etanol para remover las impurezas y finalmente sublimado al vacío (tabla II). 35 SÍNTESIS DE FTALOCIANINAS ÁCIDAS PcH2 En 800 g de PrOH, los cuales contienen 0.1% Na (como el propilato), fueron disueltos 70.6 g de ftalonitrilo. A esta disolución se agregó 3g de la sal de perfluorooctanoato de [(2-hidroxietil) trimetilamonio] y la electrólisis se condujo a 80o C usando c.d. 320 A/m2 (aproximadamente 10 V) y un cátodo de acero inoxidable 18/8 y un ánodo de grafito. Después de filtración, la PcH2 fue lavada en PrOH, secada y pesada. El rendimiento fue alto y el producto puro. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 SÍNTESIS DE FTALOCIANINAS ÁCIDAS 45 MEDIANTE IRRADIACIÓN UV Después de que sodio metálico (0.115 g, 5 mmol) fue disuelto en 125 mL de alcohol (CH3 OH, C2 H5 OH, n-C3 H7 OH, i-C3 H7 OH, n-C4 H9 OH, i-C4 H9 OH, sC4 H9 OH, n-C5 H11 OH, i-C5 H11 OH), ftalonitrilo (1.28 g, 10 mmol) fue agregado a la disolución. La preparación en la oscuridad o bajo luz blanca (lámpara de techo fluorescente) fue llevada a cabo mediante calentamiento de la disolución bajo reflujo por 48 h bajo atmósfera de nitrógeno. La preparación fotoquímica fue llevada a cabo tanto a temperatura ambiente como a 70°C mediante irradiación interna con luz UV (lámpara de mercurio de alta-presión de 100 W, con un filtro Pyrex) por 48 horas bajo una atmósfera de nitrógeno. El producto azul precipitado, ftalocianina, se colectó mediante filtración, lavado con etanol caliente y secado. Los rendimientos están en el orden de 0-40.3%. La formación de ftalocianina ocurre mediante irradiación UV incluso a temperatura ambiente (rendimientos 3-16%). Se estableció que a) la irradiación de la mezcla de reacción es efectiva en la etapa inicial de la reacción, b) la formación de ftalocianina es inhibida por el aire a temperatura ambiente, y c) el rendimiento de la formación de ftalocianina es mejor en la presencia de benceno bajo condiciones de atmósfera de nitrógeno. 79 �Técnicas para la preparación de ftalocianinas / Boris I. Kharisov, et al SÍNTESIS A TEMPERATURAS RELATIVAMENTE BAJAS (<100o C) Síntesis de ftalocianina de cobre Una mezcla de ftalonitrilo 32, CuCl 6.8, NaOH 10, MeOH 75, y xileno 25 partes se agitó a 25-30o C por 5 h, reflujando con agitación por 5 h, fue filtrada, lavada con MeOH y H 2 O, tratada con 1% disolución acuosa de HCl y después con una solución 1% de NaOH a 95o C por 30 min cada uno, lavada con H 2 O, y después fue secada para obtener 24.8 partes de CuPc. Una mezcla de ftalonitrilo 32, Cu2 SO4 10.9, KOH 18, HOCH2 CH2 OH 40, y PhOH 150 partes se agitaron a 25-30o C por 3 h y a 70o C por 10 h tratadas como se menciona arriba, para dar 19.6 40 partes de CuPc. 25 g de cloruro de ftalocianinatrisulfonilo de Cu fueron tratados con 2.5 g etilendiamina y 8 g anilina4-sulfatoetilsulfona a 30°C y pH 7 por 18 h y, además, tratado con 8.1 g 2,4,6-tricloro-5-cianopirimidina a 5-15o C para dar Pc(SO 3 H)a(SO 2 NR1 AX) b (SO 2 YZ)c (Pc = residuo de ftalocianina de Cu; R1 = H; AX = p-C6 H4 SO2 C2 H4 OSO 3 H; Y = NHC2 H4 NH; Z = 2,4dicloro-5-cianopirimidin-6-il; a = 1.3; b = 1.2; c = 42 1.5). USO DE LÁSER 49 Preparación de CuPc Se han reportado dos tipos de procesos secos activados por láser para la preparación de ftalocianinas metálicas. En el primero, un intercambio de metales fue activado por láser, el rayo del láser excimero se enfocó sobre un blanco de cobre, evaporando átomos de cobre que fueron inyectados sobre una película delgada de ftalocianina de litio (Li2 Pc). Los átomos metálicos centrales del Li2 Pc se intercambiaron parcialmente por átomos de cobre, y se obtuvo la película delgada azul de ftalocianina de cobre (CuPc) después de remover la Li2 Pc residual por medio de un tratamiento con ácido clorhídrico. En el segundo, se reportó una síntesis directa usando la molécula componente orgánica, CuPc por implantación de los átomos evaporados por láser en una película delgada de 1,3diiminoisoindolina. 80 Fig. 7. Radical libre del ftalocianinato de litio. SINTESIS DE FTALOCIANINAS COMPLEJAS DE ELEMENTOS RADIOACTIVOS 57 ThPc2 Una mezcla de Th previamente activado con HCl y ftalodinitrilo (relación molar 1:25) se calentaron a 270-300o C por 5 h; el producto azul oscuro se lavó con benceno después de enfriado a temperatura ambiente; el producto fue purificado 2 veces mediante sublimación a 520o C y 1.10-4 torr. El rendimiento químico fue aproximadamente de 35%. El 233 Pa producido mediante la irradiación n de la ftalocianina de Th pura fue separada con una alta pureza en el residuo, luego de repetidas sublimaciones de la ftalocianina de Th. El 231 Th producido mediante la reacción (n,2n) en la ftalocianina de Th fue encontrado enriquecido en el residuo luego de sublimación, indicando la descomposición de la ftalocianina por irradiación. 55 SINTESIS DE UO 2Pc 10.04 g de UO2 (NO3 )2 .6H2 O se disolvieron en 8.8 g DMF, y la mezcla fue enfriada a 0o C dando 9.2 g de UO2 (NO3 )2 .2DMF (m. 178o C), 5.40 g de los cuales en 40 mL DMF se agregaron a 5.26 g Li2 Pc en 40 mL DMF a 25o C dando un precipitado azul (rendimiento: 7.8 g de UO2 Pc). La adición de Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Técnicas para la preparación de ftalocianinas / Boris I. Kharisov, et al 42 g de UO2 SO4 .3H2 O a una disolución hirviendo de 8.38 g. H2 Pc-(SO 3 H)4 en 250 mL H2 O, y 3 h de reflujo, dan UO2 Pc[(SO 3)2 UO2 ]2 . Burbujeando H 2S se precipita UO2 S, obteniéndose una disolución azul profundo, la cual fue evaporada hasta sequedad para dar 7.3 g de UO 2 Pc(SO 3 H) 4 . UO 2 Pc(SO 3 H) 4 reacciona con NH 3 acuoso para dar UO 2 Pc(SO 3 NH4 )4 , la cual fue químicamente no-tóxica, debido al fuerte enlace del UO2 a la molécula de Pc. Los derivados de 235 UO2 Pc resultaron valiosos para el tratamiento de tumores cerebrales, bombardeo de neutrones para la preparación de 239 Np, disposición de productos de fisión, y combinar microscopías óptica y electrónica. Solo los tejidos tumorales retienen el UO2 Pc(SO 3 H)4 inyectado. 64 SINTESIS DE RADICALES FTALOCIANINAS Hexacloroantimoniato de dicloro dicloro (ftalocianinato) antimonio(V) se disolvió en una disolución electrolítica de 170 mg de Bu4 NClO 4 en 100 mL de CH2 Cl2 (concentración 1.10-4 mol/L) y electrolizada a -200 mV. El color de la disolución cambió de amarillo-verde brillante a azul-púrpura. Después de 30 min, el anión-radical dicloro (ftalocianinato) antimonio(V) aparece en forma de cristales azules. El precipitado sólido fue filtrado, lavado con CH2 Cl2 , y secado en un desecador para dar 8 mg del anion radical ftalocianina. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES FINALES Como se muestra en este trabajo, se han aplicado muy diversas técnicas para llevar a cabo las reacciones de ciclización de diferentes precursores de la ftalocianina. El ftalonitrilo y sus derivados, así como la 1,3-diiminoisoindolina, en general se emplean para fines académicos: síntesis y caracterización de nuevos Pc-ligandos y sus complejos metálicos. Los métodos clásicos que emplean a la urea y al anhídrido ftálico como los precursores más baratos para la formación de Pc (y por tanto, los más usados) están rápidamente ganando terreno; este hecho está confirmado por un gran número anual de solicitudes de patentes. Los restantes precursore s antes mencionados se utilizan rara vez. De entre todas las técnicas sintéticas, presentadas en la tabla I, el método electroquímico (electrosíntesis Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 directa, con el uso de ánodos de sacrificio o sales metálicas como fuentes de iones), no se usa frecuentemente a pesar de las ventajas obvias de su aplicación: altos68,rendimientos y bajas temperaturas 69 de los procesos. Como un logro principal de esa técnica, hay que mencionar la obtención del radical 28-32 libre Pc-Li. Las demás vías reportadas se usan muy raramente para la obtención de las ftalocianinas. Así, se utiliza el tratamiento con microondas en condiciones de ausencia del disolvente (“solvent-free synthesis”) o el ultrasonido para acelerar la formación de Pc o, por lo contrario, para destruirla. El tratamiento con láser y reacciones de transformación nuclear son métodos más exóticos. En cualquier caso, a diferencia de las técnicas clásicas convencionales, no se observa un estudio sistemático de las técnicas “no estándares” para el desarrollo de macrociclos tipo ftalocianina. Periódicamente, se reportan intentos de bajar la temperatura de obtención de Pc y sus complejos hasta la ambiente, utilizando como precursores el ftalonitrilo y la 1,3-diiminoisoindolina. Para lograr esta meta, se aplican las reacciones electroquímicas; también, se seleccionan los disolventes más apropiados (generalmente alcoholes) y activadores de ciclización en varios estados físicos (disueltos o sólidos, un ejemplo es el CH3 ONa). De acuerdo con nuestros resultados experimentales, el uso de metales elementales químicamente activados (“metales de Rieke”) permite lograr la obtención de Pc a 70, 71 temperaturas en el intervalo de 0-40o C. La aplicación de la luz ultravioleta también permite llevar a cabo el proceso a temperaturas bajas, así como el uso de minerales naturales y artificiales como zeolitas conteniendo centros activos. En general, en los procesos heterogéneos con uso de materiales microporosos y metales activados, las reacciones de ciclización se llevan a cabo en las irregularidades estructurales (defectos e imperfecciones de su estructura). Un número relativamente bajo de reportes de patentes recae en una combinación de técnicas para la preparación de Pc. Posibles combinaciones de diferentes técnicas sintéticas (por ejemplo, la electrosíntesis y el tratamiento ultrasónico) se 68, 69 reportan detalladamente en sendos libros. Como 81 �Técnicas para la preparación de ftalocianinas / Boris I. Kharisov, et al Fig. 8. Celda sonoelectroquímica para la reunión de la electrosíntesis y el trátamiento ultrasónico. 1. Horno ultrasónico, 2. Transductor, 3. Controlador del horno ultrasónico, 4. Electrodo de gráfito, 5. Entrada de argón, 6. Recipiente de Pirex, 7. Micro disco de plátino o macroeléctrodo, 8. Manguera de cobre conectada con el baño de agua del termóstato, 9. Punta de titanio, 10. Termopar, 11. Eléctro de referencia. una sugerencia final, las técnicas “poco usuales” necesitan una mayor promoción y reconocimiento por parte de las empresas de pigmentos para poder así optimizar los procesos sintéticos ya existentes. 72-77 Además, las Pc poseen propiedades catalíticas y por ello pudieran ser de interés para otras empresas químicas en México. AGRADECIMIENTOS Este trabajo pudo realizarse gracias al apoyo financiero del CONACyT (proyecto 39,558-Q) y de la UANL a través del programa PAICyT. REFERENCIAS 1. Kharisov, B.I. Editorial: Las ftalocianinas y la industria de pigmentos. Ingenierías. VI(20), 3-5 (2003). 2. Linstead, R.P. J. Chem. Soc. 1016 (1934); Byrne, G.T.; Linstead, R.P.; Lowe, A.R. J. Chem. Soc. 1017 (1934). 82 3. Linstead, R.P.; Lowe, A.R. J. Chem. Soc. 1022 (1934). 4. 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MENCIÓN HONORÍFICA En ceremonia presidida por el rector de la UANL y el director de la FIME-UANL, el 23 de Octubre de 2003, se realizó la tradicional entrega de Menciones Honoríficas a los estudiantes que sobresalen por su Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 desempeño académico en la FIME-UANL. A continuación se presenta una relación de los alumnos que recibieron dicho reconocimiento: Emilio García Vázquez IME 97.29 Óscar Jesús Zapata Hernández IME 95.39 Pablo Ernesto Tapia González IME 93.90 Nephtaly Sifuentes Acosta IME 93.76 Alonso Daniel Ibarra Estrada IME 93.06 Gilberto Fabián Benavides Elizondo IME 92.54 Freddy Valdez Gómez IME 92.48 Juan Carlos Zapata Castillo IME 92.41 Esmer Rubio Hernández IME 92.35 Diego Francisco Ledezma Ramírez IME 91.88 Alejandro Raúl Cantú Guzmán IME 90.94 José Ángel Hernández Carranza IME 90.91 Daniel Sánchez Martínez IME 90.70 Arely Marín Luna IMA 96.67 Claudia Yessica Flores Ángel IMA 96.20 Gloria Margarita López Navarro IMA 94.84 Juan Carlos Tapia De Hoyos IMA 94.55 Susana Damariz Aguilar González IMA 94.46 Rosa Guadalupe Terán Leal IMA 93.61 Gustavo Hernández Valdez IMA 93.00 Elizabeth Montaño Pineda IMA 92.98 Héctor Javier García Rodríguez IMA 92.72 José Eusebio Núñez Guel IMA 92.40 Jessica Patricia Zanella Gómez IMA 92.38 Roda Guajardo Herrera IMA 92.18 Martha Leticia González Mendoza IMA 92.01 Jorge Antonio Torres Pérez IMA 91.57 Alfonso Daniel Garza Lozano IMA 90.27 Javier Alonso Torres Bazaldúa IMA 90.01 85 �Eventos y reconocimientos Alumnos de la FIME-UANL que recibieron Menciones Honoríficas por sus altas calificaciones. Los acompañan el ex Rector de la UANL, Dr. Luis. J. Galán Wong, el Director de la FIME-UANL, M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera y los Subdirectores Administrativo y Académico de la FIME, MC Alejandro Aguilar Meraz y MC Luis M. Martínez Villarreal. III. 1er. SIMPOSIO EN INVESTIGACIÓN DE OPERACIONES Y SISTEMAS. Del primero al 3 de octubre del 2003 se llevó a cabo en la FIME-UANL el Primer Simposio en Investigación de Operaciones y Sistemas con el tema: “Modelos en acción – Matemáticas centradas en problemas”. A este evento asistieron alumnos y profesores, así como profesionistas de la industria. Participaron impartiendo conferencias de divulgación los siguientes ponentes: Dra. Ada Álvarez Socarrás, con el tema “Por qué es impostergable conocer y aplicar las técnicas de investigación de operaciones”; Ing. Diana Cobos Zaleta, con el tema “Resolviendo un problema en la industria del gas natural usando investigación de operaciones”; Maestro Karim de Alba Romenus, con el tema “Una metodología heurística aplicada a un problema de diseño de redes”; Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, con el tema “Metodología de optimización del diseño de coladas”; Dr. Rodolfo García Flores, con el tema “Ajuste de la política de inventario en una empresa mediana”; Dr. Rodolfo Garza, con el tema “Logística, cadena de suministro y de valor”; Dr. José Luis González Velarde, con el tema “Una breve introducción a la 86 administración del ingreso”; Dr. Jorge Limón, con el tema “Investigación de operaciones, un enfoque a la toma de decisiones que da resultados”; M. en C. Rafael Manzo Baschwitz, con el tema “Reducción de inventarios y sus aplicaciones”; Dr. Horacio Martínez Alfaro, con el tema “Optimización inteligente”, y Dr. Roger Z. Ríos, con el tema “Soporte científico a los problemas de toma de decisiones”. El evento contó con el patrocinio de CEMEX. (César E. Villarreal) IV. CAMBIO DE LA DIRECTIVA DE LA RAMA ESTUDIANTIL DE ASHRAE DE LA UANL. El pasado 12 de Noviembre de 2003 se celebró el cambio de la Mesa Directiva de la Rama Estudiantil de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE) de la UANL. Laura Grimaldo, Hugo Chamorro y Mónica Montes son respectivamente: Presidente, Presidente Electo y Secretario, para el periodo 2003-2004. Por parte de ASHRAE asistieron el encargado del Comité de Actividades Estudiantiles, el Inq. Félix Rodríguez y el Secretario, la Lic. Patricia de Lara. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Agosto-Octubre 2003 José Orozco Robles, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad Materiales, “Sistemas avanzados de manufactura y su potencial aplicación a la industria mexicana”, 13 de Agosto de 2003. Jorge Enrique Leal Leal, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “La capacitación del docente en el desarrollo de estrategias de enseñanza-aprendizaje para el logro de un aprendizaje en matemáticas”, 18 de Agosto de 2003. Celeste Alonso Vázquez, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Propuesta para mejorar los procesos administrativos en una institución educativa oficial de la ciudad de Monterrey, Nuevo León”, 19 de Agosto de 2003. Faustino Zúñiga Reyes, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Análisis de las diferentes técnicas de acceso para los servicios de multimedia en los sistemas inalámbricos de tercera generación (3g)”, 26 de Agosto de 2003. Agapito Mendoza Torres, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Evaluación del desempeño docente en el área de matemáticas modulo I en la preparatoria Nº. 2 de la Universidad Autónoma de Nuevo León”, 28 de Agosto de 2003. Juan Alberto Torres López, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Análisis y soluciones en redes de cableado estructurado”, 28 de Agosto de 2003. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 Fabiola Iliana Dávila del Toro, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Optimización de la formulación AZS 43-2037”, 29 de Agosto de 2003. Ernesto Sánchez Elizondo, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Estudio sobre el perfil profesional del docente en el área de matemáticas en la preparatoria N° 2 de la U.A.N.L.”, 29 de Agosto de 2003. Sergio Alberto Villarreal Pérez, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Automatización, “Transferencia de operaciones de ensamble y prueba de válvulas de la industria aeroespacial de USA a México”, 29 de Agosto de 2003. Carlos Alberto Porras Mata, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Aplicación del benchmarking en el área medioambiental”, 5 de Septiembre de 2003. Roberto Silva Martínez, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Protocolo de interface a internet dial up mediante el esquema radius”, 8 de Septiembre de 2003. Laura Margarita Flores Rodríguez, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “El medio ambiente actual; producto del desarrollo”, 10 de septiembre de 2003. Guillermo Garza Robledo, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Perfil idóneo del maestro desde el punto de vista estudiantil”, 12 de Septiembre de 2003. 87 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Haydee Guadalupe Méndez Hernández, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Diseño e implementación del manual de procedimientos de una compañía dedicada a la comercialización de productos electrónicos”, 12 de Septiembre de 2003. Adriana Guadalupe Garza Álvarez, M.C. Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Análisis comparativo de jerarquía digital sincrona con respecto a jerarquía digital plesiocrona”, 17 de Septiembre de 2003. Elizabeth Guadalupe Lara Hernández, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control, “Diseño de sistemas digitales con lógica programable”, 26 de Septiembre de 2003. Jesús Roberto Martínez Rodríguez, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control, “Método para evaluar la calidad del aislamiento en terminales de media tensión a partir de pruebas de Hi–Pot”, 2 de Octubre de 2003. Rodrigo Fernández Valadez, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Reingeniería aplicada a un sistema de manufactura”, 16 de Octubre de 2003. 88 Esteban Quintanilla López, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Sistema para el control de las obras de la C.F.E. división Golfo Norte”, 23 de octubre de 2003. Eduardo Domínguez Gámez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Obtención del coeficiente de fricción mediante pruebas mecánicas”, 24 de Octubre de 2003. Carmen Esperanza Valdez Valenzuela, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Programa de reparto de productos petrolíferos”, 27 de Octubre de 2003. Jorge Luis Niño Garza, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Propiedades de escalamiento en la fractura de un acero hipoeutectoide”, 28 de Octubre de 2003. Ricardo Francisco Pérez Benavides, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Automatización, “Reducción de tiempos muertos de operación usando seis sigma”, 30 de Octubre de 2003. Adán Alberto Larez Córdova, M.C. Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Despacho de energía en mercados eléctricos competitivos”, 31 de Octubre de 2003. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Acuse de recibo REVISTA MEXICANA DE FÍSICA A NEW KIND OF SCIENCE La Sociedad Mexicana de Física, publica bimestralmente su Revista Mexicana de Física (USSB-0035-00IX) la cual está también disponible en línea en la dirección de Internet: http:// www.ejournal.unam.mx Esta publicación incluye reportes de investigación así como artículos sobre instrumentación y educación. La revista es editada con gran pulcritud y se observa que se cuidan aspectos importantes como la extensión de los artículos, la adecuada ilustración de los mismos con fotos y gráficos, y el uso del lenguaje tanto en inglés como español. También es importante puntualizar que la Revista Mexicana de Física, actualmente bajo la dirección de Alipo G. Calles Martínez, está indiciada en 21 organizaciones Internacionales y Nacionales. Para más información contactarse con la Sociedad Mexicana de Física, A.C. Apartado Postal 70-348, Coyoacán, 04511, México, D.F., México o al Tel. (525) 622-4946 o al Fax (525) 622-4848, del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la UNAM. (FJEG) Stephen Wolfram, el creador del popular paquete Mathematica, presenta este libro producto de cerca de veinte años de trabajo, en lo que él llama “un nuevo tipo de ciencia”, donde se enuncian descubrimientos basados en experimentos computacionales de los que se desprende un conjunto de sencillas reglas que, aplicadas a nivel atómico, permitirían reproducir los más complejos comportamientos de sistemas naturales. Wolfram afirma que las reglas por él descubiertas explican el comportamiento de sistemas mucho más complejos que los estudiados en teoría de catástrofes, teoría de la complejidad, y geometría fractal. Además de 256 reglas para autómatas celulares, Wolfram enuncia el principio de la equivalencia computacional, basado en la idea de que todo proceso, ya sea producto del esfuerzo humano o un proceso natural espontáneo, puede visualizarse como una operación de cómputo de sofistificación equivalente. Wolfram, Stephen. A new kind of science. ISBN I-57955-0088, Wolfram Media Inc. www.wolframscience.com Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 (MHR) 89 �Colaboradores Blanco Jerez, Leonor María Licenciada en Ciencias Químicas en 1971 en la Universidad Central de las Villas, Villa Clara, Cuba. Obtuvo el grado de Doctor en Ciencias técnicas en 1987. Desde 1994 es Maestra de Tiempo Exclusivo de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Recibió una Cátedra Patrimonial del CONACYT en 1994 y es miembro del SNI de México desde 1995. Fonseca Navarro, Daris Esmeralda Ingeniera Química, 1990, por la Universidad de Oriente, Cuba. Master en Ciencias Técnicas, 2003, en el ISMMM, Cuba. Ha desarrollado diferentes proyectos y presentado ponencias en congresos internacionales en el área de materiales. García Flores, Rodolfo Ingeniero Químico por la UNAM y doctor por la Universidad de Leeds (Reino Unido), con especialidad en Inteligencia Artificial aplicada a la toma de decisiones. Trabajó para una empresa química en Pudsey, Inglaterra, durante 2001. Labora en el programa de Postgrado en Ingeniería de Sistemas de la FIME-UANL. Más sobre su trabajo puede encontrarse en http://yalma.fime.uanl.mx/~rodolfo/ Garza Rodríguez, Luis Ángel Ingeniero Químico Ambiental y Master en Ciencias Químicas con orientación en Inorgánica por la UANL. Ha laborado en las empresas CYDSA y SINPROTEC. Actualmente desarrolla el proyecto llamado “ Síntesis de Ftalocianinas a Temperaturas bajas” financiado por CONACyT. Góngora Leyva, Ever Ingeniero Mecánico, 1993, por la Universidad de Holgui, Cuba. Ha desarrollado diferentes proyectos y presentado ponencias en congresos internacionales en el área de materiales. 90 Guzmán Anaya, Rigoberto Estudiante de noveno semestre de la carrera Ingeniero Mecánico Electricista. Actualmente colabora en la División de Ingeniería Mecánica de la de la FIME- UANL Juárez Alvarado, César Antonio Ingeniero Civil y Maestro en Ciencias con Especialidad en Ingeniería Estructural por la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. Realizó estancia de investigación en la Universidad Técnica de Neubrandenburg, Alemania. Doctor en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Es docente y Profesor Investigador de la FIC-UANL. Recibió la Medalla Diario de México y la distinción pública como el mejor Estudiante de México por sus estudios del doctorado, otorgada por el ATENALCYT. Obtuvo el Premio de Investigación UANL 2002. K. de Grinberg, Dora M. Licenciatura y doctorado en físico-química, 1953 y 1965, en la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires, Argentina. Maestría en Metalurgia en la Universidad de Sheffield en 1960. Ha trabajado en el IPN, en el Centro de Materiales y en el Posgrado de Ingeniería Mecánica de la UNAM donde ha permanecido desde 1983. Ha rcibido el Premio Dr. Enrique Beltrán (1992) y Premio de la American Society for Materials International (1996). Es Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Kharisov, Boris I. Estudió Radioquímica y Química Inorgánica en la Universidad Estatal de Moscú, Rusia, donde obtuvo en 1993 también su grado de doctor. Hasta 1989 trabajó en el Instituto de Tecnología Química en Moscú en el área de Radioquímica Aplicada. Desde Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �Colaboradores 1994 labora en la FCQ-UANL. Es co-autor de dos patentes, tres libros y más de 50 artículos científicos. Co-editor de tres números especiales en revistas internacionales sobre la química en Latinoamérica. Desde 2002 es miembro regular de la Academia Mexicana de Ciencias. Investigador Nacional nivel 1. Sus áreas de interés son las ftalocianinatos metálicos, la electrosíntesis directa de compuestos de coordinación y la química de elementos radiactivos. López Guerrero, Francisco Eugenio. Ingeniero Mecánico Electricista, Ingeniero en Control y Computación y Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas por la UANL. Doctor en Ingeniería de Materiales en la UANL trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Profesor de tiempo completo de la FIME-UANL. Martínez Frómeta, Osvaldo Ingeniero Mecánico, 1999, por el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, Cuba. Ha desarrollado diferentes proyectos y presentado ponencias en congresos internacionales en el área de materiales. Martínez Vega, Juan Jorge Licenciatura en Física (1982 FCFM-UANL). Maestría (1983) y Doctorado en ciencias de materiales (1986) por la Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique, Poitiers, Francia. Es profesor investigador con habilitación y Coordinador General de la Comisión de Relaciones Internacionales en la Universidad Paul Sabatier en Toulouse, Francia. Ha dirigido 11 tesis de doctorado y 7 de maestría. Es miembro de 6 comités de revistas científicas internacionales. Mata Cabrera, Francisco Ingeniero Industrial e Ingeniero Técnico de Minas por la Universidad de Castilla-La Mancha. Diplomado en Ingeniería de Materiales por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Master en Evaluación de Impacto Ambiental por el Instituto de Investigaciones Ecológicas de Málaga, Experto Universitario en Educación por la UNED. Es profesor Asociado en el Área de Ingeniería Mecánica en la Escuela Universitaria Politécnica de Almadén. Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 Méndez Rojas, Miguel Ángel Doctorado en Química en la Texas Christian University, en el área de cristalografía de rayos X. Profesor del Departamento de Química y Biología e Investigador del Centro de Investigaciones QuímicoBiólogicas de la Universidad de las Américas-Puebla. Es Investigador Nacional Nivel 1, con 16 publicaciones internacionales arbitradas. Sus áreas de interés son la síntesis y caracterización de materiales para óptica no-lineal, electrosíntesis directa de compuestos inórganicos y el estudio de las interacciones metalfármaco. Entusiasta divulgador, dirige el proyecto de divulgación científica ALEPHZERO. Morones Ibarra, J. Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la UANL. Obtuvo su doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es maestro de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL. Ortiz Méndez, Ubaldo Egresado de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencias de Materiales en la Universidad Claude Bernard de Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de la FIME-UANL, y miembro del SNI nivel 1. Ramírez Cruz, Francisco Ingeniero Mecánico Electricista por la FIME-UANL. Maestro en Ciencias de la Mecatrónica en la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Dirigió el Dpto. de Somatoprótesis de la Facultad de Medicina de la UANL. Profesor en la División de Ingeniería Mecánica de la FIME-UANL. Actualmente trabaja en su tesis doctoral sobre optimización para elemento finito con criterio de crecimiento biológico. Rechy de Von Roth, Ma. de los Ángeles Ingeniera Química por la Universidad de Guadalajara. Doctorado en el Instituto de Química de la Madera de la Universidad de Hamburg, Alemania. Posdoctorado en la Universidad de Dresden, Alemania. Profesora huésped en la Facultad de Ingeniería Civil en la Universidad Técnica de Neubrandenburg, en el Instituto de Física de la Madera de la Universidad de Hamburg en Alemania, en la Universidad del Bio Bio en Chile y en la Facultad 91 �Colaboradores de Arquitectura de la Universidad de Guanajuato. Profesora Investigadora y Coordinadora del Departamento de Tecnología de la Madera en la Facultad de Ciencias Forestales de la UANL. Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. Investigadora Nacional Nivel 1 en el SNI. Especialista en el área de corrosión metálica y materiales cerámicos. Rivera Villarreal, Raymundo Ingeniero Civil y Maestro en Ciencias en Ingeniería Estructural. Miembro de la Organización de Laboratorios de Ensayo y de la Investigación sobre Materiales de Construcción. Miembro Honorario del Instituto Americano del Concreto. Ha presentado trabajos de investigación en más de 27 países y obtenido premios y reconocimientos en el ámbito nacional e internacional. Profesor Emérito de la UANL. Es miembro del SNI nivel II. Jefe del Departamento de Tecnología del Concreto del Instituto de Ingeniería Civil de la UANL. Rodríguez Suárez, Ariana Ingeniera Mecánica, 1993, por la Universidad de Holguin, Cuba. Ha desarrollado diferentes proyectos y presentado ponencias en congresos internacionales en el área de materiales. Rodríguez López, Patricia Licenciada en Química por la UNAM. Maestría en Ciencias con especialidad en Ciencia de Materiales en el Instituto Politécnico Nacional. Doctor en Química, Especialidad en Materiales en la Universidad Complutense de Madrid. Profesora Investigadora del Programa Doctoral en 92 Sá Martins, Jorge S. Dr. en Física (1998, U. Federal Fluminense, Brasil), Postdoctorado en Universidad de Colorado (1999,Boulder, EUA). Profesor Adjunto de la Universidad Federal Fluminense desde 2002, ha sido pesquisador visitante en el Colorado Center for Chaos and Complexity y profesor visitante en la Universidad de Colorado de 1999 a 2002. Stauffer, Dietrich Doctor en Física por la Universidad de Munich. Postdoctorados en Munich y Saarbrucken, en Alemania, y en Urbana y Atlanta en los Estados Unidos. Profesor Asociado de la Universidad de Colonia (Alemania). Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2004 Volumen Volumen de la revista 7 Número Número de la revista 22 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2004, Vol 7, No 22, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2004 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020785 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Crecimiento biológico Fibras naturales Ftalocianinas Ingeniería concurrente Sistemas de climatización https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20744/Ingenierias_2003_Vol_6_No_21_Octubre-Diciembre.pdf f119ef654bbda5ef2ab1386b7c97d375 PDF Text Text ���Editorial: Vulnerabilidad de los sistemas eléctricos de potencia Ernesto Vázquez Martínez Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL, evazquez@gama.fime.uanl.mx La ocurrencia de grandes disturbios en distintas redes eléctricas del mundo pone de manifiesto el problema de la vulnerabilidad de los sistemas eléctricos de potencia. El ejemplo más reciente es el disturbio ocurrido en la interconexión Noreste entre Canadá y los Estados Unidos el 14 de agosto del 2003. Aunque aún no existen reportes técnicos que expliquen las razones del disturbio, la falta de redundancia y la obsolescencia en la red de transmisión fueron uno de los factores que contribuyeron a la ocurrencia del disturbio. El objetivo básico de un sistema eléctrico de potencia es el proporcionar la energía necesaria para el desarrollo de un país, objetivo que es crítico en países en vías de desarrollo. Para alcanzar este objetivo, es necesario generar, transmitir y distribuir la energía eléctrica desde los centros de generación, ubicados en base a la disponibilidad de fuentes primarias de energía, como son el gas, el carbón, el agua o la energía nuclear, hasta los centros de consumo, considerando en todo momento restricciones económicas, de seguridad, de confiabilidad y de calidad del servicio. Es evidente que la falta de suministro eléctrico a los consumidores tiene un impacto muy grande, pudiendo ser de índole técnica, social y política. Considerando el aspecto técnico del problema, la interrupción del suministro eléctrico ocasiona, entre otras cosas, que las líneas de producción se detengan, provocando en algunos casos daños a los equipos en dependencia del proceso del cual se trate (fundición de hojalata en hornos de inducción de arco eléctrico, por ejemplo), caos vial por ausencia de señalamientos viales, indisponibilidad de transporte de pasajeros (que opere con energía eléctrica), descomposición de materiales orgánicos bajo refrigeración, etc. Atardecer en Nueva York durante el apagón de agosto de 2003. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 3 �Editorial / Ernesto Vázquez Martínez Una interrupción de servicio eléctrico puede deberse a distintas causas, como un cortocircuito, la caída de estructuras de alta o media tensión, errores en la operación y control del sistema eléctrico y, en menor medida, por acciones de sabotaje. Sin importar las causas, es también evidente que es imposible que un sistema eléctrico de potencia sea totalmente inmune a estas situaciones, debiéndose aceptar las interrupciones del servicio eléctrico como una situación normal, aunque no deseable, en un sistema eléctrico de potencia. Por lo tanto, es necesario reducir los tiempos durante los cuales se pierde el suministro de energía eléctrica, sin importar la causa, y restaurar el sistema a su condición previa. Uno de los problemas que enfrentan las empresas de energía eléctrica, es la creciente complejidad de los sistemas eléctricos de potencia. Cada vez los equipos son operados cerca de sus límites de seguridad con el fin de satisfacer la demanda de energía; esto ha sido ocasionado por la construcción de grandes plantas de generación conectadas al sistema a través de líneas de transmisión muy largas, que impactan directamente en la estabilidad del sistema, aún en condiciones normales de operación. Una analogía para poder apreciar este problema es cuando una persona construye una pirámide con las cartas de una baraja, a medida que se incrementa la altura de la pirámide, ésta se vuelve inestable, y puede derrumbarse sola por la acción de su propio peso. En esta analogía la altura de la pirámide representa la complejidad del sistema eléctrico de potencia. Otro problema que enfrentan los sistemas eléctricos son los bajos niveles de redundancia en sus redes de transmisión, constituidas principalmente por líneas de transmisión de alto voltaje y transformadores de potencia. Esta debe tener la capacidad suficiente para transportar la energía desde las plantas de generación hasta los grandes centros de consumo, aún cuando ocurra un corto circuito que provoque la desconexión de elementos de la red, o en el caso de que algunos de sus componentes puedan estar fuera de servicio por mantenimiento. Cuando la red se ve disminuida en su capacidad de transmisión por alguna de estas circunstancias, uno o más de sus componentes puede sufrir una sobrecarga impidiendo mantener la capacidad de transmisión. En condiciones extremas, los elementos pueden ser desconectados en forma automática para evitar que sufran daños permanentes. Sin embargo, estas desconexiones diminuyen aún más la capacidad de transmisión, ocasionando mayores sobrecargas y la desconexión de otros elementos del sistema, incluso plantas de generación. Esto representa un 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Editorial / Ernesto Vázquez Martínez efecto dominó que conlleva a un gran disturbio, que se caracteriza por apagones generalizados en distintos puntos del sistema eléctrico de potencia. La redundancia en la red de transmisión de un sistema eléctrico de potencia se logra principalmente con la construcción de un mayor número de líneas de transmisión de alto voltaje, lo que representa inversiones millonarias. Por ejemplo, la construcción de un kilómetro de línea con un voltaje de distribución de 400,000 volts (el mayor que existe en México) es del orden de los 3 millones de pesos. Esto significa que es muy difícil mantener la capacidad de la red de transmisión, considerando el incremento anual de la demanda eléctrica, que en algunos casos puede ser más del 5%. En México ya han ocurrido grandes disturbios; uno de ellos que afectó todo el Sistema Interconectado Nacional, ocurrió el mes de Marzo de 1990 donde una gran cantidad de usuarios quedaron sin servicio de suministro de energía eléctrica, sumando un total de 3,000 MW. Mas recientemente, han ocurrido otros disturbios de menor magnitud, pero no menos importantes. En 1993 se presentó un apagón en 9 estados del occidente del país; en 1998 se presentó otro apagón generalizado que afectó los estados de Tamaulipas, Nuevo León y parte de Coahuila; de igual forma, en el año 2002 ocurrió un apagón en el sistema eléctrico de la península de Yucatán. Todo esto pone de manifiesto la vulnerabilidad operativa de los sistemas eléctricos de potencia que pueden colapsarse aún por pequeñas fallas o disturbios que se propagan a través de la red eléctrica y que pueden afectar todo el sistema. Para resolver esta situación es necesario que las empresas eléctricas cuenten con planes estratégicos de inversión para mantener actualizada la infraestructura de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica, que permita que el sistema eléctrico opere en forma segura, confiable y económica, en beneficio de los consumidores y del país. Este aspecto es crítico en el caso de los países en vías de desarrollo, como en México, donde la confiabilidad en el suministro de energía eléctrica representa una de las piedras angulares en el desarrollo del país. Considerando los niveles de inversión que se requieren para lograr este objetivo, es factible considerar la apertura del sector eléctrico a la inversión privada, siempre y cuando la operación y control del Sistema Interconectado Nacional permanezca bajo responsabilidad de la CFE, evitando así conflictos de intereses y asegurando el beneficio social para el país. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 5 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo Aplicación a plataformas marinas de acero Alejandro Ruiz Sibaja, Ce Tochtli Méndez Ramírez Facultad de Ingeniería, Universidad Veracruzana. Calle de la Pérgola s/n, Xalapa, Veracruz, 91090, México Tel: 00.52.22.88.42.17.56. Fax: 00.52.22.88.12.06.88 aleruiz@uv.mx Sergio Oller Martínez Universitat Politécnica de Catalunya c/Gran Capitán s/n, Barcelona 08034, España Tel: 00.34.93.401.56.69. Fax: 00.34.93.401.10.48 sergio.oller@upc.es RESUMEN En este trabajo se presenta un nuevo modelo constitutivo para estimar el crecimiento de daño por fatiga en plataformas marinas fijas. El modelo se basa en un tratamiento de la mecánica del daño continuo (MDC). Se muestra la teoría necesaria para evaluar la degradación en la resistencia del material por efecto de la fatiga ocasionada por carga cíclica. La técnica permite reproducir la evolución en el tiempo de la respuesta no lineal de la estructura. Se incluye una aplicación numérica en dos dimensiones para una plataforma fija sometida a carga de oleaje. Se discuten las curvas de evolución de daño y deterioro de la resistencia. PALABRAS CLAVE: Mecánica, daño continuo, fatiga, plataforma. ABSTRACT In this paper a new constitutive model to evaluate the damage growth due to fatigue in fixed offshore platforms is presented. The model is based on a continuum damage mechanics (CDM) treatment. It shows the basic theory to evaluate deterioration in materials strength by fatigue effects caused by cyclic loading. This formulation permits to reproduce temporal evolution of non-linear structural response. Finally, examples are included for a fixed offshore platform subjected to wave load. Damage history and strength deterioration curves are also discussed. KEYWORDS: Mechanics, continuum damage, fatigue, platform. 6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al INTRODUCCIÓN Más de un cuarto del petróleo de la Tierra y más del 15% del gas natural se encuentran bajo el mar. La extracción de hidrocarburos desde instalaciones costa afuera ha incrementado las demandas sobre la integridad de las plataformas marinas de acero que se utilizan para tal fin. Particularmente, en el entorno marino, se ha encontrado que es necesario diseñar las estructuras contra un posible daño por fatiga. La naturaleza del daño por fatiga que ocurre en las plataformas marinas de acero tiene su origen en el crecimiento de grietas. Las grietas surgen en las conexiones tubulares porque estas son regiones de alta concentración de esfuerzos y altos esfuerzos residuales. Además en esas zonas es común la presencia de defectos en la soldadura 1,2 . El estudio de fatiga requiere el comprender que este no es un fenómeno asociado al concepto clásico de plasticidad y/o daño y que la rotura de la pieza se produce bajo cargas que están aún en el intervalo elástico del comportamiento del material. 3 La estimación de la vida de fatiga en una estructura es difícil ya que la práctica de la ingeniería convencional se basa en curvas esfuerzo-log(N) y alguna regla de acumulación de daño. Esta aproximación se traduce en el uso de la regla de Palmgren-Miner la cual proporciona información sobre el número de ciclos hasta la falla, Nf, para una Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 amplitud de esfuerzos determinada. Un defecto conocido de este método es el hecho observado de que el daño por fatiga no siempre crece en forma lineal con el número de ciclos aplicados. En su lugar, la parte principal de la vida de servicio puede agotarse sin ninguna manifestación de reducción de la resistencia. De forma que el daño se vuelve evidente y crece en forma visible sólo hacia el final del tiempo de vida útil. Una segunda objeción ocurre cuando se tienen cargas cíclicas con amplitudes variables. En tal situación la regla de PalmgrenMiner pronostica el mismo valor de daño acumulado sin tomar en cuenta el orden de aparición de las diferentes amplitudes, hecho que es contrario a las observaciones experimentales.4 La aproximación alternativa se basa en el crecimiento de la grieta y recurre a la mecánica de la fractura. Esta técnica modela la situación física de forma más cercana y su principal objetivo es encontrar la resistencia residual en un cuerpo en función del tamaño de una grieta existente. Para esto se basa en una medida de la energía liberada, lo que conduce al desarrollo de un criterio de fractura para determinar el crecimiento de la grieta en cuestión. De esto se deduce que este método está limitado a aquellos casos en los cuales se conozcan la orientación y el tamaño de una grieta existente. Además la teoría no está bien desarrollada para el caso tridimensional y carece de una base de datos suficiente que confirme los resultados de pruebas controladas con las condiciones registradas en campo. 5 De lo anterior se desprende la necesidad de desarrollar una aproximación totalmente nueva para la predicción del comportamiento ante fatiga de un material virgen. Esta aproximación deberá ser totalmente independiente de la dimensión límite de la grieta y de los parámetros empíricos que se utilizan para pronosticar el crecimiento de grietas microscópicas. Esta descripción hace pensar que la estructura teórica mecánica de las formulaciones inelásticas continuas, como la plasticidad y el daño, es apropiada para el tratamiento del daño por fatiga sin las limitaciones que presentan las técnicas tradicionales comentadas en los párrafos precedentes. Es así que a continuación se presenta un modelo para estimar el crecimiento de daño por fatiga mediante la 7 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al mecánica del daño continuo (MDC) que se ha desarrollado en años recientes en la Universidad Politécnica de Cataluña.6 Tal modelo modifica la ley constitutiva del material y se basa en las propiedades termodinámicas de acumulación de daño con lo cual se abate el grado de empirismo presente en las metodologías descritas en este apartado. Además, el modelo propuesto permite introducir el fenómeno de pérdida de resistencia de los metales producido por los efectos combinados de fatiga, plasticidad y daño. Las expresiones que se muestran en el desarrollo siguiente pueden incluirse, mediante las subrutinas correspondientes, en programas de análisis estructural, de forma tal que la ley constitutiva del material considere el fenómeno de fatiga.6 FORMULACIÓN DEL MODELO DE DAÑO POR FATIGA Se define sólo el caso de fatiga isotérmica sin degradación. El tratamiento que se presenta difiere de aquel introducido por Chaboche,7 pues aquí no se define la evolución de la variable interna de daño en función del número de ciclos. En su lugar, se formula una función que modifica el umbral de discontinuidad (daño), y a través de esta modificación se provoca una evolución implícita de la variable interna de daño. Consiste en introducir el efecto del número de ciclos en la función de daño, exigiendo el cumplimiento simultáneo de las mismas: Sσ (S ij ) − f c (Sij , d )⋅ f red (N , S med , R ) = 0 Sσ (S ij )    − f c (S ij , d ) = 0 ⇒   f red ( N , S med , R)  ( ) ( ) Sσ′ Sij , N , R − f c Sij , d = 0 (1) (2) En la expresión (1) Sσ(Sij ) es el nivel de esfuerzos Sij en un punto del material, fc(Sij ,d) representa la evolución de la resistencia en ese mismo punto, la función fred(N, Smed, R) hace sensible el modelo de daño al fenómeno de fatiga, d es la variable interna de daño, N es el número de ciclos actual, R=Smin/ Smax es el factor de reversión de los esfuerzos y Smed el esfuerzo medio. La función S’σ(Sij , N, R) en la expresión (2) indica el efecto del número de ciclos y 8 del factor de reversión, sobre el estado de esfuerzos en el punto del material. El proceso mecánico descrito por las ecuaciones (1) y (2) permite acoplar fenómenos dependientes o no del tiempo y del número de ciclos. Por lo tanto el camino para alcanzar una determinada resistencia, resulta de la composición de dos rutas definidas en espacios independientes (figura 1). En la figura 1 también se observa esquemáticamente la evolución de la variable de daño global. S σ= S σ(K,fc,f red) ruta 1 ruta 2 evolución de la variable global de daño N q=q(d) Fig. 1. Distintas rutas para converger a un punto del espacio de esfuerzo equivalente. Curvas de Wöhler Las curvas de Wöhler (Figura 2), representan en ordenadas los valores de esfuerzo y en abscisas el número de ciclos necesarios para romper una pieza. De esta manera, se establece la relación de pérdida de resistencia en función del número de ciclos de carga. Después de varios millones de ciclos de carga la curva S – N se vuelve prácticamente horizontal. 8 La caracterización de la carga se realiza mediante su período T, su relación de amplitudes ∆S = Smax– Smin y su relación de reversión R = Smin / Smax. S max S 0f Sf Slim (R = -1) NF Nlim ≈10 7 Fig. 2. Curva de Wöhler y resistencia máxima en un punto. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al S lim R  1 = S of  +   1. 26 3. 3  (3) a través de una evolución de la resistencia máxima de la forma 9 : ( S max = S f0 exp − A (log N )α ) (4) 8000 7500 7000 (kg/cm2) Particularización de la función de reducción f r e d (N, Sm e d , R) para el acero A517 Es necesario deducir previamente las expresiones analíticas para las curvas de Wöhler. En el estado virgen (N = 0 ciclos), la resistencia es Smax = S0 f, y a su vez esta corresponde al umbral de resistencia instantáneo para un problema no cíclico. Se propone que cuando N → ∞ se alcanza el límite de resistencia a la fatiga: 8500 6500 esfuerzo máximo Las curvas de Wöhler permiten determinar la función f red(N, Smed, R) de disminución de resistencia por fatiga 6 . De la definición básica de estas curvas se observa que puede ocurrir una disminución de resistencia del material, aún para puntos del sólido sometidos a cargas por debajo del límite elástico. Se denomina NF al número de ciclos que necesita un punto del sólido sometido a un esfuerzo Sf, para alcanzar el umbral del comportamiento elástico. 5500 R=-1.0 simulación 5000 R=0.0 experimental R=0.0 experimental 6000 R=-0.5 experimental 4500 4000 0 2 4 ( 1 R  α 0 Slim = S 0f  +  = S f exp − A (log N )  1.26 3.3  R   1 ln  +  1.26 3.3  → A=−  7α ) (5) Para ajustar las curvas de Wöhler se adopta α = 4( 22R ) tal como recomiendan Suero y Oller. 9 Al graficar las expresiones (3), (4) y (5) se obtienen las curvas que se muestran en la figura 3. Se observa que la simulación numérica ofrece una buena reproducción de los datos experimentales.6,9 Los resultados obtenidos a partir de las expresiones para las curvas de Wöhler, ecuaciones (3), (4) y (5), se pueden tomar como base para definir las curvas de evolución de la resistencia límite a la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 8 ciclos de carga (log N) Fig. 3. Simulación numérica de las curvas de Wöhler. fatiga para el acero sometido a la acción de carga cíclica. Es así que resultan las siguientes aproximaciones6 : S f (N = 0 ) = S 0f (6) en donde: ( S f (N < N F ) = S 0f exp − B1 (log N ) β ) = S 0f f red ( N , Smed , R ) > S max ( N ) S f (N = N F )= S 0 f (7) ( exp − A (log N 7 Imponiendo Slim = Smax (N=N lim=10 ), se obtiene el límite de resistencia a la fatiga: 6 )α ) (8) ( S f (N F ≤ N ≤ Nlim ) = S f = S 0f exp − B1 (log N ) β = S 0f f red (N , S med , R ) (9) ( S f (N ≥ N lim ) = S f = S 0f exp − B2 (log N ) = S 0f f red ( N , S med , R) B1 = −  S apli ln  0  Sf     (log N F ) β , B2 =− ) β ) (10) S ln  lim 0  Sf ( 7) β     (11) 1/ α   S apli          ln  0     Sf      β = 4 2 2R ⋅C , N F = log−17    ln  1 + R     1.26 3.3   (12)     ( ) 9 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al En estas expresiones Sapli representa el nivel de esfuerzo aplicado en el punto de análisis. Las ecuaciones (6) a (12) se utilizaron para escribir una subrutina en lenguaje Fortran. 6 Esta subrutina se incorporó en un programa de análisis estructural10 para modificar su ley constitutiva de forma tal que se considere el fenómeno de fatiga de acuerdo con el modelo presentado en este trabajo. 2 5 4 4 3 3 1 D 2 1 t 2 secciones de integración APLICACIÓN NUMÉRICA Se considera una estructura típica de plataforma marina de acero (figura 4). El sistema cuenta con elementos tubulares estructurados en forma de torre. La plataforma tiene una altura de 42.50 m y está desplantada en una profundidad de agua de 37.50 m. Los elementos tubulares constituyen las dos piernas y un sistema de arriostramientos en “K”. Algunas características geométricas de los elementos estructurales se indican en la figura 4. Elemento D (cm) tw (cm) Arriostramiento Arriostramiento Arriostramiento Arriostramiento Arriostramiento Arriostramiento Pierna Pierna Pierna Pierna 60.960 60.960 66.040 66.040 76.200 76.200 154.940 154.940 154.940 154.940 1.270 2.540 1.270 1.588 1.588 2.220 3.490 1.588 3.175 1.905 Fig. 4. Modelo de análisis de plataforma marina de acero. La estructura se discretizó en 42 elementos vigatubo, con tres grados de libertad por nodo, y dos elementos masa con dos grados de libertad, esto hace un total de 44 elementos (figura 3). Los elementos viga-tubo de tres nodos consideran dos puntos de integración de Gauss. Cada uno de estos elementos tiene cinco secciones de integración (figura 5). Se usaron dos masas concentradas para reproducir los pesos de la cubierta y del equipo industrial. El modelo dinámico de la torre constó de 73 nodos. La longitud característica promedio de los elementos viga-tubo resultó de 377.00 cm. El estado del material se revisó en los puntos de integración de Gauss de cada barra y se consideró que el sistema está empotrado en el lecho marino. Se usaron las 10 1 × i 2 j × k elemento cuadrático de 3 nodos con dos puntos de integración Fig. 5. Elemento tubo cuadrático de 3 nodos en el plano. siguientes propiedades físicas del material: Es = 2.1 × 106 kg/cm2 , σ0 s = 2500.00 kg/cm2 , νs = 0.29, ρ s = 7.5 × 10-5 kg/cm3 . El peso total de la torre fue de 7.4556 × 106 kg, sin incluir pilotes y conductores. Este peso se concentró en la cubierta superior de la estructura. Las fuerzas de oleaje se modelaron según la ecuación de Morison11,12 . Los coeficientes de Morison que se utilizaron son C m = 1.05 y C D = 1.20. Conviene mencionar que el efecto de cargas secuenciales de oleaje sobre la vida por fatiga de las plataformas marinas de acero es un área de creciente interés en el cálculo de estos sistemas. Esto se debe a que el oleaje es una combinación de cargas de amplitud y período variables. En pruebas controladas de laboratorio se ha demostrado que las magnitudes relativas y el número de ciclos de aplicación de la carga, son variables importantes del problema 1,2,4,13. Por este motivo se consideró la acción de una secuencia de cargas de oleaje tal que, durante un período de dos meses, se aplicó a la plataforma una ola con altura H = 100 cm, longitud L = 3903.23 cm y período T = 5.0 s. Después de este lapso de tiempo se aplicó, durante 10 meses, una ola con altura H = 100 cm, longitud L = 2498.10 cm y período T = 4.0 s. A partir de ese momento se continuó con la acción de los máximos de la carga a fin de reproducir los efectos de la misma durante un intervalo de análisis de 25 años que es la vida útil de este tipo de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �2 resistencia (kg/cm estructuras. El uso de los valores extremos del proceso de carga de oleaje se justifica porque el curso de acción entre extremos consecutivos no se considera importante.13 Esto hace posible el uso de un algoritmo rápido de cálculo de fatiga basado en la mecánica del daño continuo. 6 La aplicación de la secuencia de cargas de oleaje, durante 25 años, originó la degradación en los arriostramientos del nivel más inferior de la plataforma, elementos 29, 30 y 32 del modelo de análisis. En la figura 6 se indican el nivel de daño y la fracción de la resistencia original al cabo de 25 años de carga de oleaje. ) Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al tiempo (s) daño Fig. 7. Evolución de la resistencia por daño y fatiga. d = 0.66; 0 . 3 4σ 0s Fig. 6. Degradación en los arriostramientos del nivel más inferior. Al mismo tiempo ayuda a fijar directrices sobre las acciones necesarias para prolongar su vida útil. De igual manera, estas curvas pueden utilizarse desde la etapa de concepción de la estructura pues permiten la evaluación de diferentes geometrías y combinaciones de carga. Esto proporciona una herramienta analítica para llevar a cabo estudios paramétricos que sirven de base para el desarrollo de recomendaciones de diseño. En la figura 7, se muestra la evolución de la resistencia por daño y fatiga en estos arriostramientos. Se observa el carácter tridimensional de la curva como consecuencia del acoplamiento entre los fenómenos de daño y fatiga. Del análisis de esta superficie se concluye que el elemento más afectado por la secuencia de cargas de oleaje es el elemento 30 pues en él se alcanza un valor máximo de daño de 0.72 (siendo 1.00 el daño total en la pieza) y una disminución de la resistencia de hasta 28% respecto de su valor original. La utilidad de las curvas del tipo de la figura 7 radica en que pueden incorporarse en una estrategia de inspección y reparación de la estructura. En este sentido la revisión de la resistencia residual de la plataforma marina permite establecer si se ajusta o no a los requisitos de diseño con que fue concebida. CONCLUSIONES Se ha presentado un modelo analítico, basado en la mecánica del daño continuo, para determinar la evolución de la resistencia del material en estructuras sometidas a carga cíclica. El modelo se ha particularizado para el caso del acero y la aplicación se ha realizado en plataformas marinas sometidas a carga de oleaje. Las ecuaciones mostradas permiten modificar la ley constitutiva del material e incluir este comportamiento dentro de programas de análisis estructural. Los resultados conseguidos en la aplicación permiten obtener gráficas de evolución de la resistencia por daño y fatiga que pueden utilizarse tanto para fines de revisión de una estructura construida como para propósitos de diseño de una estructura a proyectar. d = 0.29; 0 0 . 7 1σ s d = 0.72; 0 0 . 2 8σ s 32 29 30 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 11 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al Es necesario realizar una calibración más amplia del modelo presentado aquí para justificar su generalización. Sin embargo los resultados mostrados en este y otros trabajos 6,14 indican que el colapso progresivo por fatiga de la estructura está gobernado por el colapso de sus componentes próximas al fondo del mar y esta situación controla la capacidad resistente de la plataforma marina ante la acción del oleaje. En síntesis, la plataforma marina se comporta de manera semejante a una viga empotrada cuya sección más débil está próxima al sitio de empotre. Este es el comportamiento que se observa con frecuencia en plataformas marinas fijas.6,14 REFERENCIAS 1. Byers, W. G., Marley, M. J., Mohammadi, J., Nielsen, R. J., and Sarkani, S. (1997), “Fatigue Reliability Reassessment Applications: State of the Art Paper”, Journal of Structural Engineering ASCE, 123(3):277-285. 12 2. Dover, W. D. (1991), “Chapter 15: Fatigue Behaviour of Offshore Structures”, Volume II of “Offshore Structures”, Krieger Publishing Co. 3. Dowling, N. E. (1999), “Mechanical Behavior of Materials”, Prentice-Hall. 4. Kutt, T. V. and Bieniek, M. P. (1998), “Cumulative Damage and Fatigue Life Prediction”, AIAA Journal, 26(2):213-219. 5. Jubran, J. S. and Cofer, W. F. (1991), “Ultimate Strength Analysis of Structural Components Using the Continuum Damage Mechanics Approach”, Computers & Structures, 39(6):741-752. 6. Ruiz Sibaja, Alejandro (2001) “Análisis de Fatiga en Plataformas Marinas de Acero Mediante Mecánica Del Daño Continuo”, tesis doctoral, Universitat Politécnica de Catalunya. 7. Chaboche, J. L. (1974), “Une Loi Différentielle d’Endommagement de Fatigue Avec Acumulation Non Linéaire”, Revue Française de Mécanique, 50-51. 8. Partón, V. Z. (1990), “Mecánica de la Destrucción. De la Teoría a la Práctica”, Mir. 9. Suero, A. y Oller, S. (1998), “Tratamiento del Fenómeno de Fatiga Mediante la Mecánica de Medios Continuos”, Monografía CIMNE, 45. 10. ABAQUS Version 5.8-16 (1999), “Theory Manual”, Hibbitt, Karlson and Sorensen, Inc. 11. Brebbia, C. E. and Walker, S. (1979), “Dynamic Analysis of Offshore Structures”, NewnessButterworths. 12. Dean, R. G. and Dalrymple, R. A. (1998), “Water Mechanics for Engineers and Scientist”, Prentice-Hall. 13. Agerskov, H. and Pedersen, N. T. (1992), “Fatigue Life of Offshore Steel Structures Under Stochastic Loading”, Journal of Structural Engineering ASCE, 118(8):2101-2117. 14. Sudati Sagrilo, L. V. e Prates de Lima, E. C. (1997), “Un Procedimento Simplificado para Análisis de Confiabilidad Estrutural de Plataformas Marítimas Fixas”, Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, 13(2):149-163. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �La evaluación de Activos Intangibles Parte II. Implantación Miguel A. Palomo González Profesor de la jefatura de Ingeniería Industrial, FCQ-UANL mpalomo@ccr.dsi.uanl.mx RESUMEN El éxito en la implantación de un Modelo de Evaluación de los Activos Intangibles, de una organización o negocio, inicia por la definición del objetivo del modelo, para continuar con la identificación de los niveles organizacionales, los tipos de actividades específicas y, finalmente con los indicadores apropiados para medir los logros esperados. La robustez del modelo y su implantación, está determinada por una cultura organizacional que permita un sistema de incentivos robusto, que valore e incremente las competencias del personal y, que motive y desarrolle el compromiso del personal para alcanzar los logros negociados. PALABRAS CLAVE Activos de conocimiento, activos intangibles, activos intelectuales, administración del conocimiento, capital humano, capital intelectual, tecnología. ABSTRACT The successful implementation of an intangible assets evaluation model starts with the model’s objective definition, followed by the identification of the organizational levels, the related specific activities and, finally the effective indicators definition to measure the achievements planned. The model’s strength and its implementation is determined by an organizational culture, which must allows a strength incentive system for the employees, to value and increase the personal competences, and to motivate and create commitment in employees to reach the negotiated goals. KEYWORDS Intangible assets, knowledge capital, intelectual capital, knowledge management, technology. En el número 20 de INGENIERÍAS se publicó la primera parte de este artículo. INTRODUCCIÓN Inicialmente es de gran ayuda contestar la pregunta ¿Por qué queremos evaluar los activos intangibles? La respuesta puede ser para conocer su valor agregado o para ver su alineación con la misión y objetivos de la organización. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 13 �La evaluación de Activos Intangibles. Parte II. Implantación / Miguel A. Palomo González Si enfocamos el modelo hacia evaluar el valor agregado de los activos intangibles, un primer paso sería calcular el valor agregado generado para el negocio y una manera simple es por medio de la diferencia entre ventas (V) menos los costos variables (CV). Entonces la pregunta siguiente puede ser ¿Cómo podemos aumentar el valor agregado? y/ o ¿Cuáles son los activos intangibles que tienen mayor impacto en el incremento del valor agregado?, es decir, aparte de los activos tangibles, identificar los activos intangibles que más contribuyen al valor agregado del negocio con el fin de iniciar la administración de los activos intangibles (mantener e incrementar su valor agregado). EVALUAR EL VALOR AGREGADO DE LOS ACTIVOS INTANGIBLES A NIVEL NEGOCIO La tendencia natural de la dirección general es hacia medir el valor agregado (VA) de los activos intangibles (AI) (considerando implícita la alineación con la misión, estrategia y objetivos del negocio, aunque no necesariamente sea cierto) pero, a cada nivel de la organización, debemos distinguir dos categorías generales de actividades específicas, las actividades medulares relacionadas con los productos y servicios, y las actividades de soporte que indirectamente se relacionan con los productos y servicios. Las actividades medulares pueden ser evaluadas con proyectos de valor agregado o contribución monetaria; sin embargo, las actividades de soporte por su naturaleza, sólo pueden ser evaluadas monetariamente si tienen proyectos de valor agregado asignados, es decir, además de las actividades rutinarias, se deben definir proyectos de soporte de valor agregado (al igual que en las actividades medulares). Sólo así podemos asegurar que el modelo de evaluación de activos intangibles monetario tenga actividades específicas con proyectos orientados a medir el VA del negocio. Siguiendo la línea de que nos interesa el VA y nos concentramos en los productos y servicios medulares del negocio, el siguiente paso sería identificar en cada nivel de la organización, dirección, gerencias y jefaturas, aquellas actividades específicas ligadas a los procesos medulares que determinan el éxito de los productos y servicios del negocio. 14 ACTIVIDADES MEDULARES Los procesos y actividades medulares están relacionados con el concepto de administrar la cadena de valor. Cuando hablamos de administrar la cadena de valor, el primer pensamiento es la reducción de costos, con un enfoque interno al proceso. Sin embargo la reducción de costos no debe ser el objetivo principal, es una consecuencia de los proyectos de VA. Los proyectos de VA deben administrar y mejorar los recursos necesarios para entregar el producto o servicio de acuerdo a las necesidades del cliente, es decir, con un enfoque hacia el mercado. Entonces, la parte importante es implantar indicadores para medir que la cadena de valor sea eficiente, competitiva en costo y que entregue productos y servicios de acuerdo a la calidad y valor esperado para el consumidor. 14 Las actividades específicas van desde actividades relacionadas con los proveedores, recepción de insumos, manufactura, empaque, distribución y servicio al cliente. Dichas actividades deben ser medibles para implantar su mejora y aumentar su VA. A continuación presentamos algunos ejemplos de indicadores en las principales etapas, con el entendido de que cada negocio u organización deberá identificar los indicadores relevantes para ser competitivo en su mercado y ante su competencia. La selección y desarrollo de proveedores deberá estar basada en indicadores que aseguren un nivel de precios, tiempos de entrega y procedimientos de pagos y recepción de insumos. Los indicadores tendrán como fin monitorear y asegurar las relaciones cliente-proveedor. La manufactura o producción del producto o servicio deberá desarrollar indicadores de calidad, de volumen de producción, y productividad laboral. A nivel de distribución, nos interesa indicadores que permitan la coordinación entre órdenes de compra, almacenes, entrega (LAB), y procedimientos de facturación. Finalmente, el servicio al cliente deberá monitorear los rechazos del cliente y material no conforme, productos o embarques que rebasan la cantidad del pedido, y las quejas del cliente por el servicio del negocio. Visto así, el fin de los proyectos medulares de la cadena de valor aparenta ser el de mantener el volumen de ventas de los clientes actuales, pero su Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �La evaluación de Activos Intangibles. Parte II. Implantación / Miguel A. Palomo González objetivo primario debe ser el de aumentar el volumen de ventas y la contribución marginal por medio de nuevos clientes o nuevos mercados (no alcanzados hasta este momento con los productos y servicios actuales) y desarrollar los indicadores de VA apropiados para el negocio. El alcance de los Proyectos Medulares es lograr la estandarización de los procesos y optimizarlos gracias al expertise del personal. En este caso, los indicadores de medición pueden agruparse en 5 familias: calidad, ciclo de proceso, recursos utilizados, tiempos de entrega, costo, y productividad. 15 Cada familia de indicadores deberá ser aplicada a los niveles definidos por el negocio, dirección, gerencia, jefaturas y personal de primer nivel. Como ejemplo, los indicadores de dirección serían el incremento en unidades de ventas y su contribución marginal por producto; mientras que para el personal de primer nivel, la reducción del desperdicio y número de piezas rechazadas serían indicadores relevantes. Dímos por sentado que los productos y servicios corresponden a la misión y objetivos del negocio, definidos así durante la planeación estratégica del negocio. Al no haber una planeación estratégica formal, corremos el riesgo de empezar a medir y evaluar actividades específicas que no son relevantes para el negocio y su posible “valor agregado” no es reflejado en un incremento del beneficio significativo para el negocio. ACTIVIDADES DE SOPORTE En el caso de las actividades de soporte, lo más relevante son sus proyectos asociados al mercado, con impacto en el incremento del volumen de ventas en clientes actuales, desarrollo de nuevos clientes, o desarrollo de nuevos mercados y de nuevos productos/servicios (lo que implica también un aumento en el volumen de ventas). En este caso el desarrollo de las marcas y patentes son un ejemplo de proyectos de soporte con indicadores de evaluación, si tomamos en cuenta que los dos AI están protegiendo el producto/servicio, el mercado y/o el mercado potencial, según sea el caso. En el caso de las marcas, de la categoría propiedad intelectual, su evaluación como AI presenta ciertas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 características que debemos tomar en cuenta para determinar su contribución al beneficio. Por ejemplo, de una manera simple nos interesa el diferencial en VA con marca y sin marca, es una especie de benchmarking para determinar su VA, el problema es ¿contra quién comparamos? y ¿con qué datos se debe realizar el benchmarking?. Si queremos profundizar, a este análisis le debemos agregar el enfoque del consumidor, con indicadores como “la percepción del consumidor del valor de la marca”, entendida como lo que está dispuesto a pagar un consumidor por esta marca y no por otra marca de productos/servicios substitutos o no; también estaría asociado a “la lealtad del consumidor” y la “imagen de la marca en el consumidor”, entre otros, para poder evaluar la contribución marginal de la marca al VA del negocio. 16 Los estudios de “percepción”, “lealtad”, o “imagen” de la marca, difícilmente tendrían una validez estadística por la representatividad de la muestra (n) y por el nivel cultural del consumidor mexicano, que no está educado para contestar este tipos de estudios o para participar en clínicas de consumidores. El intento por realizar un estudio con validez estadística sería oneroso, consumiría tiempo y recursos para obtener resultados con una interpretación pobre. Además, debemos evaluar el mercado potencial o cobertura del mercado de la marca. El principal problema en nuestro país es la falta de estadísticas del mercado para tener un estudio de mercado confiable. El mercado mexicano está atomizado o concentrado y los números de base están a nivel agregado de la industria, sin reflejar los gustos y deseos no-satisfechos de los consumidores finales. 15 �La evaluación de Activos Intangibles. Parte II. Implantación / Miguel A. Palomo González Las técnicas con enfoque al consumidor están desarrolladas para el primer mundo y, en el mercado mexicano, segmentar el mercado y cuantificarlo es un ejercicio complicado. Sin embargo, cuando no se tiene la información pertinente por parte del consumidor, la técnica de valor presente neto con descuento es bastante confiable para la evaluación de un proyecto de soporte de marca. Las patentes es otro ejemplo de AI de propiedad intelectual, en donde el proyecto de soporte está ligado al mercado y debe estar asociado a las ventas adicionales y su contribución marginal, en productos actuales y nuevos. En este caso, se presenta la dificultad de evaluar la cobertura de los nuevos clientes y su volumen de ventas potenciales. Como se indicó antes, el problema es tener estadísticas confiables sobre el mercado y necesidades no-satisfechas de los consumidores que sean cubiertas con las patentes a desarrollar. Para un proyecto de soporte de patentes, como para la mayoría de los proyectos de soporte, el ROI o rentabilidad sobre la inversión sería la técnica más apropiada.17 Internamente esto presupone un plan tecnológico en el negocio, así como una cultura de innovación y de liderazgo tecnológico. COMPETENCIAS DEL PERSONAL Como mencionamos anteriormente, las evaluaciones de los proyectos medulares de VA se orientan principalmente hacia la estandarización y optimización de la cadena de valor, están bajo control interno del negocio y su contribución se enfoca en el cliente actual, en volumen de ventas, y en clientes nuevos hasta ahora no alcanzados. Dichos objetivos de VA y sus indicadores no serán alcanzados sin un personal competente con un expertise o saber-hacer (Know-How) sobre las materias primas, el proceso, el empaque, los canales de distribución, y el conocimiento de los clientes y los mercados que sirve el negocio. En el caso de los proyectos de marcas, el expertise o saber-hacer es sobre los productos, servicios, los clientes y mercados. Y lo mismo ocurre en el caso de proyectos de patentes, el personal debe tener 16 un expertise o saber-hacer sobre los conceptos de innovación y desarrollo de tecnología, además de los conocimientos de mercados. Sin lugar a dudas, la evaluación de competencias del personal es el factor clave del éxito del modelo de evaluación de los activos intangibles, mas que definir los indicadores y sus logros esperados por nivel.18 Paradójicamente, la evaluación de las competencias del personal es el factor que menos énfasis se le dá en la literatura y se presenta como implícito en el modelo de evaluación de los AI (lo cual no significa que no esté presente en la mente del personal). Probablemente porque implica definir un sistema de incentivos agresivo de acuerdo a los objetivos y los resultados esperados, y que deben ser negociados con el personal responsable de los proyectos de valor agregado de las actividades medulares y de soporte. El hecho es que un sistema de incentivos poco agresivo puede ser percibido como que el negocio tiene poco interés por lograr los objetivos y una pobre valoración del expertise del personal, lo que repercutirá en una pobre motivación y compromiso personal. Este punto está ligado a la cultura de la organización, el desarrollo de habilidades estratégicas y remuneración por arriba del promedio de la Industria. Un indicador base puede ser la rotación del personal clave y la falta de una medición de la alineación de los objetivos de la organización con los objetivos del personal. Los indicadores para evaluar las competencias del personal pueden ser, el nivel de preparación del personal clave del negocio, correlacionado con los años de antigüedad, los cursos especializados de actualización (no confundir con los seminarios de calidad orientados a la cultura de calidad), el nivel de remuneración con relación a otros negocios de la industria, y el monto financiero acumulado por ahorros en proyectos anteriores, entre otros. Por otra parte, en la implantación de los indicadores de competencias del personal, la raíz de las dificultades se encuentra en nuestra cultura diaria, la cuál está orientada a utilizar un lenguaje hablado y escrito con adverbios, pronombres plurales, impersonal y sin números (ejem: el discurso político mexicano), porque no se tienen las cantidades y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �La evaluación de Activos Intangibles. Parte II. Implantación / Miguel A. Palomo González números o probablemente porque si se dicen compromete a la persona y su credibilidad profesional. Considerando el contexto del mercado global del negocio, la falta de variables cuantitativas, estadísticas por segmento, y la credibilidad pobre de la fuente de información, forman un lastre para identificar y definir apropiadamente las variables competititivas del negocio u organización mexicana. Sin embargo, a la dirección general le interesan las cantidades y los números, no las palabras. El análisis se centró sobre un modelo de medición de AI con el fin de evaluar su VA monetario, pero es posible que en el caso de actividades de soporte el desarrollo de indicadores de desempeño sea también apropiado, lo cual nos sugiere implantar un modelo híbrido de evaluación que combine proyectos de VA y actividades específicas de soporte con un enfoque a la alineación con la estrategia, misión y objetivos del negocio. Es claro que los indicadores de medición presentados, para evaluar los activos intangibles, son solo un ejemplo. Reconocemos que cada negocio u organización presenta restricciones propias a su mercado y competencia, y que los indicadores desarrollados deberán ser de acuerdo a su realidad competitiva. Sin embargo, cualquiera que sea el caso, podemos mencionar la arquitectura para un modelo de evaluación de activos intangibles (fig. 1) y algunos principios generales para aplicar a actividades medulares y de soporte de los productos/servicios: • Mida lo que está relacionado con los productos, servicios, y expectativas de los clientes. • Defina indicadores de desempeño no-monetarios para las actividades de soporte de acuerdo a la estrategia, misión, y objetivos del negocio. • No puede mejorar lo que no se puede medir, • Los indicadores y logros de valor agregado deberán ser negociados con el personal. • Defina un sistema de incentivos que realmente motive y cree el compromiso personal, para alcanzar los logros esperados. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Objetivo del Modelo: Mediciones Niveles: - Direcciones - Gerencias - Jefaturas - Primer Nivel - Valor agregado. - Contribución a la misión. Logros Actividades: - Medulares - Soporte Indicadores: - Monetario - Desempeño Competencias del Personal Fig. 1. Arquitectura del Modelo de Evaluación de Activos Intangibles. • Los activos pueden contribuir a la rentabilidad del negocio, pero no todos los activos contribuyen a crear una ventaja competitiva. • No mida lo que no es útil o no sirve. • Puede implantar un modelo híbrido, con la condición de estar consciente de que es eso “un híbrido”, y • La implantación de un sistema de incentivos robusto está correlacionada con la cultura organizacional del negocio u organización. REFERENCIAS 14. “The ABC´s of SCM”. Christopher Koch. SCMRC-CIO. July 23, 2003, 6 p. www.cio.com 15. “Performance measurement”. Jerry L. Harbour, productivity press, 1997) 16. “Leap of faith: Branding and ROI”. William Trombetta. Pharmaceutical executive, Oct. 2001, 6p. 17. “Markets in intangibles”. Feng Gu and Baruch Lev. Boston University & NY University, May 2001, 33 p.) http://pages.stern.nyu.edu/~blev/ 18. Sveiby (Karl-Erik), op. cit. www.sveiby.com 17 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes Vicente R. Bermúdez Tamarit CMT-Motores Térmicos, Universidad Politécnica de Valencia Camino de Vera, s/n, CP. 46022, Valencia, España Teléfono: (34) 963877650. Fax: (34) 963877659 bermudez@mot.upv.es Simón Martínez Martínez FIME-UANL. Apdo. Postal 076 Suc F, CP. 64450, San Nicolás, N.L., México Teléfono: (52) 81-83294020. Fax: (52) 81-83320904 simartin@mot.upv.es 140 mm RESUMEN Un estudio experimental fue realizado con un motor Diesel de inyección directa (ID) empleando diferentes combustibles. La evaluación de la influencia de la composición del diesel sobre las emisiones se realizó en diferentes condiciones de carga y regímenes de giro, con el objetivo de determinar el efecto del contenido de compuestos aromáticos del diesel sobre las emisiones contaminantes. El trabajo se dirigió fundamentalmente a la caracterización de partículas, emisión de contaminantes, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos sin quemar. Los resultados obtenidos ayudan a definir la formulación del combustible más apropiada para reducir emisiones contaminantes. PALABRAS CLAVE Inyección directa, motor encendido por compresión, detector de ionización de flama por medio de hidrógeno, analizador de quimiluminiscencia, analizador no dispersivo en infrarrojo. ABSTRACT An experimental study was made in a direct injection (DI) Diesel engine using different fuels. The evaluation of the influence of the diesel composition over the pollutant emissions was made in different load conditions and engine speeds with the objective to fix the effect of the fuel aromatic content on the emissions. The aim was to conduct a characterization of particules, nitrogen oxides, soot and unburned hydrocarbons. The results help to define the most appropriate fuel formulation to reduce pollutant emissions. KEYWORDS Direct injection, compression ignited engine, flame ionization by hydrogen detector, chemiluminiscence analyzer, nondispersivo infrared analyzer. 18 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al NOMENCLATURA MEC = Motor encendido por compresión. ID/DI = Inyección directa. IDI = Inyección indirecta. EGR = Recirculación de gases de escape. F = Dosado. m = Masa. SUBÍNDICES f = Combustible. a = Aire. e = Estequiométrico. R= Relativo INTRODUCCIÓN Desde la última década del siglo XX, las normativas de emisiones contaminantes impuestas a los vehículos de automoción han sido cada vez más restrictivas,1 de esta forma se presiona a los fabricantes de motores para que construyan máquinas más eficientes y menos agresivas con el medio ambiente. En el caso de los motores encendidos por compresión (MEC), las emisiones contaminantes más problemáticas se centran, por un lado, en la emisión de humos y partículas, y por otro, en la concentración de óxidos de nitrógeno (NOx) e hidrocarburos sin quemar (THC). Lo anterior ha llevado a establecer normas de emisión de contaminantes cada vez más estrictas (tabla I) para proteger el medio ambiente, además de ser un parámetro base para la economía del área de automoción. El combustible utilizado en los MEC es uno de los principales responsables de las emisiones contaminantes de estos motores, ya que sus propiedades físicas y su formulación química repercuten en el proceso de mezclado, condicionando 2 y 3 las reacciones químicas de la combustión. Atendiendo a esta premisa, el presente trabajo ha tenido como principal objetivo, obtener la cuantificación de las emisiones producidas por un motor Diesel de inyección directa, funcionando con combustibles diesel de diferente formulación química. El estudio fundamentalmente se dirigió a determinar la relación entre el contenido de hidrocarburos aromáticos del diesel y las emisiones de humos, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos sin quemar. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Tabla I. Normativas europeas de emisiones contaminantes para vehículos ligeros (Directiva 1999/96/CE). Tipo de emisión EURO IV (2004) EURO II (1996) EURO III (1999) NOx + THC 0,90 g/km 0,56 g/km 0,30 g/km Partículas 0,05 g/km 0,025 g/km 0,10 g/km TRABAJO EXPERIMENTAL Para realizar el estudio experimental, se instaló el motor en un banco de ensayos dotado de sistemas e instrumentos que permitían controlar, tanto su punto de operación como la determinación de su desempeño. Se eligió un motor diesel de inyección directa, representativo de los modernos motores de encendido por compresión actualmente utilizados en los automóviles europeos. En la tabla II se muestran las características técnicas de este motor. SISTEMA DE MUESTREO DE EMISIONES El motor fue instalado en una sala de ensayos, que además de estar equipada con los sistemas de control mencionados en el apartado anterior, también cuenta con dispositivos de medida de emisiones gaseosas, tales como: H.F.I.D . (Detector de Ionización de Flama por medio de Hidrógeno), C.L.A . (Analizador de quimiluminiscencia) y N.D.I.R . (Analizador no dispersivo en Infrarrojo), Tabla II. Especificaciones del motor. Tipo de motor Turbo diesel-inyección directa Cilindrada 1900 cm3 No. de cilindros 4 Diámetro/carrera 80/90 mm Relación de comprensión 18,3 Potencia/régimen de giro 70 kW/4500 min -1 Par/régimen de giro 190 Nm/2000 min-1 19 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al una sonda de dilución para el muestreo de partículas, tal como se muestra en la figura 1, y un sistema de4 recolección de partículas basado en ciclones, diseñados y construidos especialmente para este estudio, en la figura 2A se muestra el sistema de ciclones utilizado durante la sesión experimental. El principio de funcionamiento de los ciclones se basa en el efecto que la fuerza centrífuga ejerce sobre las partículas. Como se aprecia en la figura 2B, se obliga a los gases a entrar a través de un tubo tangencial, describiendo una trayectoria tangencial, lo que hace que las partículas se depositen en el fondo mientras los gases salen por el tubo superior que se encuentra en el interior del cilindro. Debido a que la eficiencia en la recolección de este sistema de partículas se reduce a partículas con diámetro superior a las 5 µm, el tubo de salida de los gases tiene en su extremo inferior una rejilla que hace las veces de filtro. Su misión es atrapar las partículas de tamaño pequeño y servir de separador entre el tubo de salida y el cilindro. De este modo, se impide que las partículas queden suspendidas sin depositarse en el cono colector debido a las turbulencias creadas por la trayectoria de los gases. El muestreo de partículas se llevó a cabo utilizando una tasa de dilución (relación del caudal de gases de escape de la muestra Vs el caudal de aire utilizado para la dilución del total de la muestra) de 3.3 y un tiempo de muestreo de 180 segundos. Los filtros de la sonda de dilución se acondicionaron en una cámara climática a 22 ºC y 45 % de humedad, antes y después de ser utilizados en la sonda de 140 mm Fig. 2A. Ciclones utilizado en la sesión experimental. Trayectoria de los gases de escape en el interior del ciclón Trayectoria de las partículas Fig. 2B. Esquema de funcionamiento del ciclón recolector de partículas. muestreo. El pesado de estos filtros se realizó con una balanza analítica con una resolución de 0.01 mg. Fig. 1. Sonda de dilución y muestreo 20 PROPIEDADES FÍSICOQUÍMICAS DE LOS COMBUSTIBLES Se emplearon 4 combustibles, tres diesel de igual formulación base y diferente concentración de hidrocarburos aromáticos (5%, 15% y 25 % de aromáticos) y un diesel comercial. (tabla III). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al Tabla III. Características físico-químicas de los combustibles. Tipo de combustible Estándar 5% 15% 25% (Refere- Aromáti- Aromáti- Aromátincia) cos cos cos Aromáticos (%v) 30 4.3 14.2 24.4 Densidad a 15 ºC (kg/m3) 847.4 819.3 827.8 821.6 Temperatura del 95% de destilado (ºC) 360 318 311 317 Viscosidad (mm2/s) 2.64 2.2 2.34 2.01 0.0434 0.0043 0.0042 0.0047 Azufre (%m) Tabla IV. Condiciones de funcionamiento para cada combustible. Número de Cetano 49 51.8 50.7 Regímenes de funcionamiento 100 1 2 3 60 40 4 20 0 1250 2000 2250 Tipo de combustible Punto de Carga funciona(%) miento % de EGR Dosado relativo 5% de aromáticos 1 2 3 4 100 100 75 25 0.0 0.0 0.0 26.26 0.659 0.483 0.485 0.528 15% de aromáticos 1 2 3 4 100 100 75 25 0.0 0.01 0.0 33.19 0.754 0.537 0.536 0.608 25% de aromáticos 1 2 3 4 100 100 75 25 0.0 0.0 0.0 0.0 0.678 0.490 0.507 0.548 30% de aromáticos 1 1 1 1 100 100 75 25 0.0 0.0 0.0 32.7 0.733 0.524 0.515 0.618 54 CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL MOTOR Para la caracterización del comportamiento de los combustibles en el motor, se evaluaron 4 regímenes de trabajo que abarcaran el funcionamiento global de un motor de automoción. 5 En la figura 3 se pueden apreciar las condiciones de carga y régimen de giro de cada modo de operación seleccionado. Después de analizar el comportamiento del motor en cada régimen, se decidió realizar el estudio de los cuatro combustibles para los diferentes modos “1 80 y 2” (plena carga 1250 y 4000 rpm respectivamente) y “3 y 4” (carga parcial 2000 y 2250 rpm respectivamente), siendo éstos los modos representativos de régimen de giro con mayor cantidad de emisiones contaminantes, en la Tabla IV se presentan el contenido de recirculación de gases de escape (EGR) y el dosado relativo (FR) para cada combustible y punto de funcionamiento. FR=F/Fe (1) F=mf /ma (2) Fe=(mf /ma)e (3) 4000 rpm Fig. 3. Regímenes de carga y velocidad. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 RESULTADOS Las emisiones contaminantes producidas por los motores Diesel pueden estar condicionadas por diferentes parámetros, en los experimentos que se presentan en este trabajo sólo se han modificado las propiedades físicas y la composición química del combustible, así como las condiciones de operación del motor (carga, régimen de giro, % de EGR y dosado relativo). En las figuras 4 y 5, se muestran la masa específica de partículas para cada punto de funcionamiento de los diferentes combustibles, notándose que a plena carga y bajo régimen de giro 21 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al (punto de funcionamiento 1) hay un incremento significativo en la emisión de partículas al emplear el combustible estándar (30% aromáticos), sin embargo, a plena carga y alto régimen de giro (punto de funcionamiento 4) se mantiene aproximadamente constante la emisión de partículas, siendo totalmente independiente del tipo de combustible que se ha utilizado. Este comportamiento está condicionado por los fenómenos que intervienen en el proceso de formación de la mezcla aire – combustible, a 1250 rpm, las condiciones de movimiento de aire en el interior del cilindro son menos favorables para lograr que el aire y el combustible se mezclen adecuadamente, además de existir mayor dosado con respecto al punto de funcionamiento a 4000 rpm, estos dos parámetros tienen mayor incidencia al emplear combustibles con densidad y viscosidad más elevada, como es el caso del diesel estándar. Para los regímenes de carga parcial (puntos de funcionamiento 3 y 4), el comportamiento de las emisiones de partículas respecto al contenido de aromáticos del combustible es similar, pero en este caso también hay que destacar el efecto producido por la recirculación de gases de escape, como se observa en la figura 5, que al ser utilizado el combustible estándar a 2000 rpm y 32 % de EGR (punto 4), la masa específica de partículas se incrementa hasta rangos de aproximadamente 5 veces la fase inicial. En las figuras 6 y 7, se puede comprobar que el contenido de compuestos aromáticos sólo adquiere importancia, si la concentración de éstos es superior a un 25%., confirmándose que el efecto del % de EGR y del dosado es significativamente importante en la emisión de NOx, similares a los presentados en la referencia 6. A cargas parciales la utilización de Plena carga Plena carga 1.6 110 1.4 105 1.2 100 1 95 90 0.8 85 0.6 80 0.4 75 70 0.2 5 15 25 Aromáticos (% vol) Punto (1) 1250 rpm Punto (2) 4000 rpm Fig. 4. Masa de partículas vs % de aromáticos. Punto (1) 1250 rpm 75 4 65 3.5 55 3 45 2.5 35 2 25 1.5 15 1 5 15 25 Aromáticos (% vol) Punto (3) 2250 rpm 30 Punto (2) 4000 rpm Fig. 6 Emisión de NO x vs % de aromáticos. 4.5 5 15 25 Aromáticos (% vol) Carga parcial Carga parcial 30 Punto (4) 2000 rpm Fig. 5 Masa de partículas vs % de aromáticos. 22 5 30 5 15 25 Aromáticos (% vol) Punto (3) 2250 rpm 30 Punto (4) 2000 rpm Fig. 7. Emisión de NO x vs % de aromáticos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al recirculación de gases de escape permitió reducir hasta un 70 % las emisiones de NOx, mientras que en los regímenes a plena carga se observa que el menor exceso de aire en la mezcla para el punto de 4000 rpm, alcanzó incrementos del orden de un 20 % de estas emisiones respecto a las producidas a bajo régimen de giro (1200 rpm). Los resultados experimentales demuestran que no existe una dependencia bien definida entre el contenido de aromáticos y la producción de hidrocarburos sin quemar (figuras 8 y 9). Posiblemente las propiedades físicas tengan mayor repercusión en este caso, que la propia concentración de compuestos aromáticos. Trabajos previos 7, 8 y 9 han estudiado el comportamiento de la producción de hidrocarburos sin quemar, encontrando en sus resultados que el contenido de aromáticos no tiene influencia lineal en este proceso. Las emisiones de humos del motor tienen un comportamiento ascendente al incrementarse el contenido de aromáticos en el combustible, lo demuestran los resultados presentados en las figuras 10 y 11, este comportamiento es coherente con lo observado en la masa específica de partículas. Lo que confirma la correspondencia entre la magnitud de la Fracción Insoluble (masa de hollín y sulfatos presentes en las partículas muestreadas en la sonda de dilución) de las partículas y las emisiones de humos producidas. Estudios previos son los presentados en las referencias 10 y 11 , los cuales muestran similitud con los resultados obtenidos en este trabajo. CONCLUSIONES - El contenido de hidrocarburos aromáticos del combustible diesel, tiene un efecto significativo en la masa específica de partículas emitidas. Combus- Plena carga 1 Plena carga 5.5 0.9 5 0.8 4.5 0.7 4 0.6 3.5 0.5 3 0.4 2.5 0.3 2 0.2 1.5 5 15 25 30 1 5 Aromáticos (% vol) Punto (1) 1250 rpm Fig. 8. Emisión de THC vs % de aromáticos. 15 25 30 Aromáticos (% vol) Punto (2) 4000 rpm Punto (1) 1250 rpm Punto (2) 4000 rpm Fig. 10. Humos vs % de aromáticos. Carga parcial Carga parcial 1.2 1.2 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 5 15 25 30 Aromáticos (% vol) Punto (3) 2250 rpm Punto (4) 2000 rpm Fig. 9. Emisión de THC vs % de aromáticos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 5 15 25 Aromáticos (% vol) Punto (3) 2250 rpm 30 Punto (4) 2000 rpm Fig. 11. Humos vs % de aromáticos. 23 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al tibles con similar formulación base, al incrementar el contenido de hidrocarburos aromáticos en un 10 %, pueden originar hasta un 40% más de masa de partículas emitidas. Esta tendencia puede verse incrementada por otras propiedades físicas debido a su influencia en los procesos de atomización y evaporación del combustible. - El contenido de hidrocarburos aromáticos no tiene repercusión importante sobre las emisiones de óxidos de nitrógeno, sólo se encontraron efectos significativos modificando el % de EGR y la relación aire - combustible de la mezcla. - Los resultados demuestran que se pueden reducir las emisiones de humos y partículas, si se reduce el contenido de compuestos aromáticos del combustible. - El diesel estándar es el que tiene peor comportamiento respecto a las emisiones de humos y partículas. La causa de estos resultados es el efecto conjunto del alto contenido de hidrocarburos aromáticos, densidad y viscosidad elevadas, así como su menor volatilidad y número de cetano (índice que evalúa la inflamabilidad de los combustibles diesel) que el resto de combustibles evaluados. Los resultados obtenidos con los combustibles de igual formulación base, demuestran que es posible reducir las emisiones contaminantes realizando pequeñas modificaciones en las propiedades físico-químicas de cada combustible. RECONOCIMIENTOS Los autores desean agradecer a la Consellería de Cultura, Educación y Ciencia de la Generalitat Valenciana, por la financiación del proyecto GV00116-11, dirigido al estudio de las emisiones contaminantes de los motores Diesel de automoción. 24 BIBLIOGRAFÍA 1. Michael P. Walsh., “Global Trends in Diesel Emissions Regulations –A 2001 Update” SAE technical paper 2001-01-0183, 2001. 2. Heywood, J.B., “Internal combustion engine fundamentals”. Mc Graw Hill, New York, 1989. 3. Baumgard, K. y Johnson, J., “The effect of fuel and engine design on Diesel Exhaust Particle Size Distribution”. SAE technical paper 960131, 1996. 4. Arcoumanis., “Evaluation of A Cyclone-Based Particulate Filtration System for High-Speed Diesel Engines”. 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Kouremenos D.A., Hountals D.T., Pariotis E.G., Kouremenos A.D. y Papagiannakis R.G.., “Experimental Investigation to Determine the Effect of Fuel Aromatic Content on Gaseous and Particulate Emissions of IDI Engines” SAE technical paper, 2000-01-1172, 2000. 11. Payri, F., Bermúdez, V. y Martínez, S., “Caracterización de las Emisiones de Partículas de un Motor Diesel de Inyección Directa”. Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica”. Mérida, Venezuela, 2001. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada Liviu Sevastian Bocîi Secretario General Académico Universidad “Aurel Vlaicu” de Arad, Rumania. cancelar.uav@inext.ro RESUMEN Durante la frenada de parada desde altas velocidades mediante el freno con zapatas, las superficies de rodadura de las ruedas soportan regímenes térmicos que generan esfuerzos que afectan la seguridad de marcha. En este trabajo se presenta un programa de cálculo en el lenguaje Turbo Pascal que calcula, en función del tiempo, entre otros parámetros, la temperatura de la superficie de fricción de la rueda (xR = 0) y la temperatura de la rueda a distintas distancias. (xR = 5; 10; 15 mm). Resultados obtenidos con este programa han permitido observar que a la misma carga por rueda el aumento de la velocidad inicial de la frenada conduce a un incremento de la temperatura. PALABRAS CLAVE Freno con zapatas, temperatura, programa de cálculo. ABSTRACT During high speed braking, by means of the sabot brake, the running wheels (especially their running surfaces) are subjected to thermal dutycycles, which give raise to stresses the can be harmful for traffic safety. The present paper introduces a computer program, written in Turbo Pascal which, computes parameters, such as the temperature of the wheel friction surface (xR = 0) and the temperature at spots located at various distances from this surface (xR = 5; 10; 15 mm). It is shown that for the same wheel load, the increase of the starting braking speed leads to an increase in the wheel temperature. KEYWORDS Sabot brake, temperature, computation programme. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 25 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi INTRODUCCIÓN El continuo aumento de la velocidad de marcha de los vehículos ferroviarios ha representado un reto para los científicos. Los ensayos experimentales efectuados en ferrocarriles a alta velocidad han demostrado que el freno con zapatas necesita distancias de frenada muy grandes y por lo tanto para mantener la misma distancia entre señales, es decir el mismo espacio de frenada, se requiere desarrollar nuevos sistemas de freno y al mismo tiempo perfeccionar el freno con zapatas aumentando su desempeño. La mejora de la eficacia del freno con zapatas se ha logrado por los siguientes métodos: • La utilización de zapatas de una construcción especial; 5, 7, 9 • La optimización de los tiempos de frenada; • El montaje de dispositivos antibloqueo en cada vehículo. El perfeccionamiento del freno con zapatas se ha realizado mediante la introducción de controles eléctricos y distribuidores modernos que aseguran unas mejores características de frenada. La principal desventaja del freno con zapatas es la gran cantidad de calor producido por fricción, mismo que no puede ser disipado por los elementos del acoplamiento de fricción. En este trabajo se presenta un programa (no comercial) de cálculo, elaborado en el lenguaje TURBO PASCAL (Windows 98), que después de Freno de ferrocarril primitivo. La bajas velocidades establecían menos requisitos al diseño. 26 El uso de trenes de gran velocidad TGV se incrementa a nivel mundial gracias a su mejoramiento tecnológico. introducir como datos iniciales la carga por rueda, GR [daN]; el factor de masa γ [no dimensional]; la velocidad del principio de frenada V [km/h]; la longitud de la zapata [m]; el ancho de la zapata [m]; la desaceleración [m/s 2 ]; el coeficiente de conductividad térmica de los dos elementos del acoplamiento de fricción λR , λ K [W/(m°C)]; la densidad de los dos materiales ρ R, ρ K [kg/m3 ]; el calor específico cR, cK [J/(kg °C)] calcula, entre otros parámetros, la temperatura de la superficie de fricción de la rueda (xR = 0) y la temperatura de la rueda a distintas distancias (xR = 5; 10; 15 mm). MODOS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR EN LOS ELEMENTOS DEL ACOPLAMIENTO DE FRICCIÓN RUEDA-ZAPATA DE FRENO Después de un análisis, mediante el microscopio, de las superficies de fricción de los elementos del acoplamiento del freno con zapatas que están en contacto directo, se ha constatado que están formadas por “micro picos” y “micro valles” (ver la figura 1). Fig. 1. Aspecto microscópico de la superficie de fricción de los elementos del acoplamiento del freno con zapatas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi Asimismo, se puede observar que la superficie efectiva de contacto (Se) de los dos elementos es sólo una parte de la superficie nominal, la cual es determinada por la suma de las “micro picos” en contacto: n Se = S1 + S2 + .. . + Sn = ∑ Si i =1 (1) En la figura 2 se ha representado la zona de contacto de los dos cuerpos sólidos, distintos desde el punto del material y propiedades físico-mecánicas, poniendo en evidencia las líneas de flujo térmico. Fig. 2. Zona de contacto de los dos cuerpos sólidos poniendo en evidencia las líneas de flujo térmico. La transmisión de calor entre dos cuerpos sólidos de materiales distintos (λ1 ≠ λ2 -los coeficientes de conductividad térmica de los dos cuerpos sólidos) tiene lugar mediante un mecanismo combinado, es decir: • La conducción entre las zonas de contacto real; • La conducción por el fluido (aire) de los intersticios; • La convección y la radiación por el mismo fluido (aire). Considerando que la superficie de contacto efectiva es inferior que la nominal, la transmisión de calor se lleva a cabo en forma casi total, a través de las ”micro montañas” de las dos superficies de fricción. Los intersticios entre las zonas de contacto tienen formas más o menos reguladas (en estos hay aire). Debido a las dimensiones reducidas de los intersticios y a la gran presión de contacto, el efecto de la convección en el aire que está entre estos intersticios puede ignorarse. Asimismo, la existencia de una diferencia pequeña de temperatura entre las dos superficies de fricción produce una radiación térmica también despreciable. Puede decirse entonces que en el caso de la frenada de parada de los vehículos ferroviarios equipados con freno de zapatas, el principal fenómeno de transmisión de calor que tiene lugar entre la rueda de rodadura y las zapatas de freno es la conducción. FÓRMULAS UTILIZADAS PARA CALCULAR LA TEMPERATURA MEDIANTE EL PROGRAMA En la frenada de parada de vehículos ferroviarios provistos de freno con zapatas, la variación de la temperatura en puntos situados a una distancia xR (vea la figura 3) de la superficie de fricción de la rueda, en función de la temperatura ambiente (∆T), para un tiempo inferior a la duración de frenada (t < tb ) está dada por la relacion:2, 3, 8, 13, 14, 16, 17 x  − R 4⋅aR ⋅t  2⋅ t ⋅e qa ∆T (t < tb , 0) = ⋅ λ ⋅ρ ⋅c π ⋅ λR ⋅ ρ R ⋅ cR 1 1+ ⋅ K K K  f Fo λR ⋅ ρ R ⋅ cR  2 2  2 t  xR   − ⋅ 1− ⋅ ⋅ 1+   3 tb  4 ⋅ aR ⋅ t  (2)  xR   t  2 xR   xR   ⋅ 1− ⋅ 1+ ⋅  ⋅ 1− Φ    tb  3 4⋅ aR ⋅ t   λR  4 ⋅ a ⋅ t R        2 − Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 [°C] 27 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi El coeficiente de Fourier necesario para determinar el factor de corrección de la temperatura viene dado por la relación: y Rueda Zapata de freno x1 O O1 Fo(K, R ) = x aK ,R ⋅ t b b K ,R (5) λ es el coeficiente de difusividad ρ⋅c térmica [m2 /s], ρ es la densidad del material de los elementos del acoplamiento de fricción (ρ R -para rueda, ρ K – para zapata), λ el coeficiente de conductividad térmica (λR -para rueda, λK - para zapata), c - calor específico del cuerpo (cR -para rueda, cK – para zapata). donde: a = XR y1 Fig. 3. Esquematización de la rueda con la zapata aplicada para poner en evidencia la distancia xR Durante el enfriamiento (t > tb ) la correspondiente variación de la temperatura será dada por la ecuacion (3). El valor del flujo térmico específico que aparece al principio de la frenada (qa) es dado por la relación: qa = (1 + γ ) ⋅ GR ⋅ v2 g ⋅ SoR ⋅ t b [W/m2] (4) donde: ( 1 + γ ) es el factor de masa (experimental), v la velocidad [m/s], g la aceleración gravitacional [m/s2 ], tb la duración de la frenada [s], GR la carga por rueda [daN] y SoR la superficie de fricción de la rueda [m2 ]. PROGRAMA DE CÁLCULO La interpretación de los resultados El programa de cálculo de las temperaturas en puntos situados en rueda a la distancia xR desde la superficie de fricción de los elementos del acoplamiento de fricción del freno con zapatas, en el caso de la frenada de parada, ha sido elaborado en el lenguaje TURBO PASCAL conteniendo las siguientes instrucciones:2, 3, 6 INTRODATEINITIALE (la introducción de los datos iniciales) CALCULEPREG (cálculos preparatorios) CALCULULTEMP (cálculo de la temperatura) GRAFICA (gráfica) RESULTATE (resultados) xR2   −  2 t  xR2  qa 2  4⋅aR⋅t  − ∆T(t <tb, 0) = ⋅ ⋅  t ⋅e ⋅1− ⋅ ⋅1+  3 t 4 ⋅ a ⋅ t 1 λK ⋅ρK ⋅cK  π ⋅ λR ⋅ ρR ⋅cR   b  R     1+ ⋅ fFo λR ⋅ ρR ⋅cR  t  xR2  xR     xR  xR −Φ  ⋅  − ⋅Φ ⋅1− ⋅1+       tb  4⋅aR ⋅t  λR   4⋅ aR ⋅(t −tb)   4⋅aR ⋅t   t  2 xR2   [°C] ⋅ 1− ⋅1+ ⋅  t 3 4 ⋅ a ⋅ t R    b  x2 − R 4⋅aR⋅(t−tb ) 2 − ⋅ t −tb ⋅e 3 28 (3) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi Los datos iniciales necesarios para calcular la temperatura (también la representación gráfica de la variación de temperatura): • La carga por rueda GR [daN]; • El factor de masa γ [no dimensional]; • La velocidad del principio de frenada V [km/h]; • La latitud de la zapata [m]; • El grueso de la zapata [m]; • La desaceleración [m/s2 ]; • El coeficiente de conductividad para los dos elementos del acoplamiento de fricción λR, λK [W/ (m°C)]; • La densidad de los dos materiales ρ R, ρ K [kg/m3 ]; • El calor específico cR, cK [J/(kg °C)]. Los principales resultados de este programa son: • La duración de la frenada tb [s]; • La superficie de fricción S [m2 ]; • El flujo térmico q [W/m2 ]; • Las constantes de material de los dos elementos del acoplamiento de fricción: 300 300 272 244 216 f1( x ) 188 f2( x ) 160 f3( x ) 132 f4( x ) 104 76 48 20 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 3 6 9 12 15 18 21 24 27 x 30 30 Fig. 4. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 7000 daN, a = 1,3 m/s2, V = 160 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 400 400 362 324 286 f1( x ) 248 f2( x ) f3( x ) λ K ⋅ ρK ⋅ c K • La difusividad térmica de los dos elementos: a R, aK [m2 /h]; • El coeficiente de Fourier Fo , no dimensional; • El factor de corrección fFo no dimensional; • La temperatura [°C]. El programa calcula y presenta en forma sintética (tablas) los resultados enumerados, también mediante el procedimiento GRAFICA representa la variación de la temperatura en puntos situados a una distancia xR desde la superficie de fricción de la rueda en función del tiempo (la duración de frenada). A continuación, a manera de ejemplo, se analiza un caso mediante el programa, en coordenadas temperatura (f(x) sobre las figuras) – tiempo (x sobre las figuras). En este análisis ha representado la variación de la temperatura en puntos situados a una distancia xR (xR = 0; 5; 10; 15 mm) de la superficie de fricción de la rueda se han considerado la velocidad del principio de la frenada: V = 160; 200 km/h, dos cargas por rueda: G R = 7000; 9000 daN en las figuras 4 a 7 y cuatro desaceleraciones (a = 0,8; 1,0; 1,2; 1,3 m/ s2 ) - las figuras 8 a 13, para una carga de 10000 daN. 0 0 f4( x ) λ R ⋅ ρ R ⋅ cR 20 210 172 134 96 58 20 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 30 30 Fig. 5. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 7000 daN, a = 1,3 m/s2, V = 200 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 400 400 362 324 286 f1( x ) 248 f2( x ) f3( x ) f4( x ) 210 172 134 96 58 20 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 30 30 Fig. 6. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 9000 daN, a = 1,3 m/s2, V = 160 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 29 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi 550 550 400 400 497 362 444 324 391 286 f1( x ) f1( x ) 338 248 f2( x ) f3( x ) f4( x ) f2( x ) 285 210 f3( x ) 232 172 f4( x ) 179 134 126 96 73 20 58 20 20 0 3 6 9 12 0 15 18 21 24 27 x 0 30 Fig. 7. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 9000 daN, a = 1,3 m/s2, V = 200 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 350 20 30 350 24 27 30 30 308 f2( x ) 185 f3( x ) f4( x ) 152 f4( x ) 260 212 164 119 116 86 68 53 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 20 0 30 30 Fig. 8. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 0,8 m/s2, V = 160 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 400 3 6 9 12 0 15 18 21 24 27 30 x 30 Fig. 11. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 0,8 m/s2, V = 200 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras) 550 550 497 362 444 324 391 286 f1( x ) f1( x ) 338 248 f2( x ) f2( x ) 210 f3( x ) 285 f4( x ) 172 f4( x ) 232 134 179 96 126 73 58 20 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 30 30 Fig. 9. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 1,0 m/s2, V = 160 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 30 21 356 218 20 18 x f1( x ) f2( x ) f3( x ) 15 404 251 400 12 452 f1( x ) 20 9 500 500 284 20 6 Fig. 10. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 1,2 m/s2, V = 160 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 317 f3( x ) 3 0 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 30 30 Fig. 12. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 1,0 m/s2, V = 200 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi 575 hasta a = 0,8 m/s2 conduce a una disminución de la temperatura desde aproximadamente 310°C hasta 270°C, pero, al mismo tiempo, requiere una mayor distancia de frenada. • Asimismo, al aumento de la velocidad de principio de frenada (por ejemplo, desde V = 160 km/h hasta V = 200 km/h), a la misma desaceleración (a = 1,0 m/s2 ) y a la distancia xR = 15 mm, produce un aumento de la temperatura de la rueda desde 190°C hasta 270°C, considerando una carga por rueda GR = 10000 daN. 575 519.5 464 408.5 f1( x ) 353 f2( x ) f3( x ) f4( x ) 297.5 242 186.5 131 75.5 20 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 30 30 Fig. 13. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 1,2 m/s2, V = 200 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES El programa de cálculo presentado en este trabajo pone en evidencia, mediante el método iterativo, la temperatura de la corona de la rueda de rodadura, estableciendo la variación de este parámetro vs el tiempo (la duración de frenada). Del análisis de los diagramas presentados en las figuras 3 a 12 resultan las siguientes conclusiones: • A la misma carga por rueda, un incremento de la velocidad del principio de la frenada (desde 160 km/h hasta 200 km/h) produce un incremento de la temperatura en el interior de la rueda (especialmente en la corona) alcanzando valores de aproximadamente 267°C a una distancia xR = 10 mm de la superficie de fricción de los elementos del acoplamiento de fricción. • Para valores xR > 0 se observa una disminución de la temperatura de la rueda, pero hay que remarcar los valores de la temperatura. Por ejemplo, se obtiene el valor de aproximadamente 250°C a un régimen caracterizado por: GR =9000 daN, a = 1,3 m/s2 , V = 200 km/h, xR = 15 mm, valor que será transmitido por conducción en el disco de la rueda conduciendo, en él más desfavorable caso, a una rotación de la rueda sobre el eje. • A la misma velocidad de principio de frenada y la misma carga por rueda, la disminución de la desaceleración, por ejemplo desde a = 1,2 m/s2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 BIBLIOGRAFÍA 1. Adamsen, J. “Heating and cooling of Friction Brakes” Seminar on Braking , London 1986. 2. Bocîi, L.S. “Contribuciones a la frenada de los vagones de viajeros de alta velocidad” Tesis doctoral, Timisoara 1997. 3. Bocîi , L.S. Dungan , M. C. “Sistemas de frenada sobre los vehículos ferroviarios de velocidades grandes y muy grandes” Sesión de Comunicaciones Científicas de la Universidad “Aurel Vlaicu” Arad , mayo 1994. 4. Bocîi , L.S., Lammert , F., Dungan , M. 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Universidad Autónoma de Baja California, Mexicali. jffp_uabc@hotmail.com RESUMEN Los problemas de corrosión en componentes y equipos electrónicos en la industria electrónica de Mexicali, son ocasionados por la interacción de los factores climáticos y ambientales con los componentes electrónicos, presentes en el interior de las plantas industriales. Se diseñó y construyó una cabina para simular las condiciones del interior de planta y monitorear el comportamiento de los metales utilizados en la fabricación de componentes electrónicos: plata, cobre, acero al carbono, estaño y níquel. El diseño de la cabina sigue los lineamientos establecidos en el proyecto Iberoamericano TROPICORR-CYTED. PALABRAS CLAVES Corrosión, componentes electrónicos, TROPICORR-CYTED, contaminantes ambientales, condiciones interiores. ABSTRACT Electronic components and devices, produced by the electronics industry in the city of Mexicali, present severe corrosion damage. Due to the interaction between the metallic components, the climatic factors and the environment contaminants. A cabinet was designed to study the behavior of the metals used in the manufacture of electronic devices: silver, copper, steel, tin and nickel. The cabinet was designed in order to simulate the indoor conditions of the electronics industry following the rules of the Iberoamerica TROPICORR-CYTED project. KEY WORDS Corrosion, electronics components, TROPICORR-CYTED, environmental contaminants, indoor conditions. INTRODUCCIÓN El estudio de la corrosión de componentes electrónicos en interiores ha tomado importancia en varias zonas del país como Mexicali, Baja California, debido a problemas de manufactura ocasionados por corrosión en maquiladoras de la ciudad. Extensas zonas en el interior de plantas industriales no disponen ni de equipos de remoción de contaminantes: ácido sulfhídrico (H2S), polvo, bióxido de azufre (SO 2 ), Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 33 �Cabina de investigación de corrosión para la industria electrónica en interiores / Juan F. Flores Preciado, et al iones cloruro (Cl-), óxidos de nitrógeno (NOX), ni de equipos de aire acondicionado que controlen la humedad del ambiente. Los contaminantes que ingresan a las plantas se depositan sobre los componentes electrónicos, su higroscopicidad permite la absorción de humedad del ambiente, formándose un electrolito que facilita el proceso de corrosión. Incluso a baja humedad, el H 2S y el SO 2 provocan la sulfuración de plata y cobre originando problemas de soldabilidad. 1-3 Para investigar este problema de corrosión, se diseñó y construyó un sistema para monitorear el comportamiento de metales utilizados en la fabricación de componentes electrónicos: plata, cobre, acero al carbono, estaño y níquel, expuestos dentro de una cabina que permite la entrada de contaminantes y humedad como en un planta industrial. Este artículo analiza los factores que provocan la corrosión de los componentes electrónicos en interiores de plantas industriales, y las características de la cabina. CORROSIÓN EN EQUIPOS ELECTRÓNICOS La corrosión es la reacción de un metal o de una aleación con el medio y sus factores reactivos teniendo como consecuencia su deterioro o destrucción (4). En el equipo electrónico, la corrosión es definida como el deterioro de los componentes metálicos, resultado de una reacción con su ambiente. Gases corrosivos y vapor de agua, en contacto con los metales provocan el crecimiento de varios productos de la reacción química. A medida que la reacción química continúa, estos productos de corrosión forman capas insolubles sobre los circuitos produciendo fallas como cortos circuitos, picaduras, grietas y pérdida de masa del metal . Los contaminantes atmosféricos aceleran la corrosión a través de su acción sobre la conductividad eléctrica del proceso catódico y anódico. 5 Diseños actuales de equipos electrónicos requieren del uso de una gran cantidad de componentes y un rápido procesamiento de señales, resultando en componentes más pequeños y espaciamientos reducidos, así como elementos metálicos muy delgados. Niveles extremadamente 34 pequeños de contaminantes presentes en el ambiente donde se manufacturan estos equipos provocan problemas de corrosión. 5 Problemas de corrosión comunes en la manufactura de equipo electrónico son: la sulfuración de plata y cobre, el crecimiento de filamentos y cristales de sulfuro de plata y corrosión en recubrimientos metálicos. La figura 1 muestra un soporte de plata utilizado en la manufactura de microchips con productos de sulfuración que disminuyen la adherencia de la soldadura. Los zonas oscuras presentan sulfuros como productos de corrosión. 1 Fig. 1. Soporte de plata con problemas de sulfuración. La plata es muy sensible a la presencia de H2 S y SO 2 , formando sulfuro de plata (Ag2 S) en la superficie al reaccionar con H2 S presente en el ambiente, incluso en concentraciones menores a 1ppm. Estos contaminantes provenientes de emanaciones industriales y de los gases de escape de automóviles penetran a las plantas de manufactura (6) . Cuando hay una capa de Ag2 S suficientemente gruesa y una temperatura adecuada, comienza un proceso de crecimiento de pequeños filamentos de Ag2 S. Tal es el caso de filamentos de Ag2 S que provocan un sobrecalentamiento de un conector de plata. Los filamentos crecen en áreas expuestas al H2 S generando un aumento en la resistencia eléctrica del elemento originando sobrecalentamiento, interrupción en el flujo de la corriente y al final se produce una falla (figura 2). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Cabina de investigación de corrosión para la industria electrónica en interiores / Juan F. Flores Preciado, et al Fig. 2 Barbas de sulfuro de plata en conector. También el cobre es susceptible a este fenómeno originando sulfuro de cobre (Cu 2 S). Algunos componentes electrónicos son recubiertos en sus terminales con un mejor conductor como la plata pero si el recubrimiento presenta defectos, el vapor de agua y compuestos corrosivos penetran hacia el metal base ocasionando corrosión y desprendiendo el recubrimiento. 2 ACCIÓN DE LOS CONTAMINANTES EN EL INTERIOR DE PLANTAS INDUSTRIALES Los contaminantes y factores ambientales como la humedad, penetran a distintas zonas de plantas industriales (área de almacenaje, embarque y producción) por ventanillas y puertas. El ambiente corrosivo que se forma afecta a los metales con los que se manufacturan los componentes y equipos electrónicos. La presencia de humedad es crucial para inducir corrosión. La naturaleza electroquímica del proceso de corrosión implica la presencia de un electrolito proveniente de la atmósfera. La difusión del oxígeno proveniente del aire disuelto y de contaminantes a través de la capa acuosa es el factor que controla la velocidad de corrosión. 7 El electrolito formado por la humedad presente en el ambiente es un promotor de la reacción electroquímica; también proporciona una mayor velocidad de absorción de contaminantes y aumenta la corrosividad del electrolito. 7- 9 La velocidad de corrosión aumenta con la temperatura, por el incremento de la energía de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 activación de las reacciones químicas y electroquímicas acrecentando la velocidad de difusión en el electrolito. 9 Como resultado de los procesos de dilatación térmica que experimentan los metales ante los cambios cíclicos de temperatura, los óxidos que los recubren se rompen y desprenden. Así, una nueva superficie desnuda y activa se pondrá en contacto con el ambiente provocando una pérdida de masa.7 La sulfuración del cobre por acción del H2 S y SO2 ocurre incluso a baja humedad. El níquel en ambientes con ligera contaminación sufre poca corrosión visible; la intensidad de corrosión se determina por el contenido de dióxido de azufre y humedad. En la superficie del acero, aparecen óxidos y otros productos de corrosión en forma espontánea. El acero tiene una capacidad de protección limitada y es muy sensible a la humedad y al dióxido de azufre. La velocidad de corrosión de la plata en interiores y en exteriores está severamente afectada por la presencia de iones cloruro, H2 S y SO 2 . Los NOX aceleran el proceso de corrosión de la plata. El estaño rápidamente se cubre con una capa de óxido con buenas propiedades de protección, pero el contenido de cloro y cloruros en la atmósfera, ataca la capa pasiva y se incrementa la velocidad de corrosión, especialmente en combinación con una alta humedad (10) . En presencia de humedad iones cloruros reaccionan rápidamente con el cobre, estaño, plata y acero(6). Incluso en concentraciones muy bajas en el ambiente, estos gases corrosivos penetran la capa pasiva de ciertos metales y generan corrosión. Las partículas de polvo provocan un fuerte decaimiento de la resistencia a la corrosión de los metales por su adherencia en la superficie y su capacidad de absorber agua y ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ). Estas partículas contienen contaminantes adheridos como cloruros, que rompen la capa pasiva que protege la superficie iniciando procesos de corrosión. 7 CABINA DE SIMULACIÓN Identificada la relevancia de estudiar la corrosión en ambientes interiores de la industria electrónica, se diseñó y construyó un sistema para monitorear el comportamiento de metales utilizados en la fabricación de componentes electrónicos expuestos 35 �Cabina de investigación de corrosión para la industria electrónica en interiores / Juan F. Flores Preciado, et al dentro de una cabina, a la presencia de contaminantes atmosféricos y humedad, lo cual se realiza sin necesidad de transladarnos a las fábricas para colocar las probetas de estudio. Según sus dimensiones, (figura 3) y el material utilizado en su construcción (aluminio de 1/8 de pulgada), la cabina es un equipo liviano y de fácil manejo. Zonas que no cuentan con sistemas de filtración y purificación del aire interior, son críticas por la presencia de compuestos corrosivos provenientes de la atmósfera, que ingresan por ventanillas y puertas. La cabina cuenta con ventanillas en las paredes laterales que permiten la entrada de gases corrosivos y vapor de agua y al no contar con sistemas de remoción de contaminantes, se crea un ambiente corrosivo similar al de las plantas industriales (figura 4). Para el diseño del sistema, se consultaron las normas de la European Telecomunication Standar ETS 300 019 - 1-0, 1-3, que señalan las características de un sistema de estudio de ambientes donde se maneje equipo electrónico y de telecomunicaciones que no cuentan con equipos de control de temperatura, humedad y contaminantes. La tabla 1 presenta el equipamiento presente en el interior de la cabina para el monitoreo de contaminantes y factores climáticos, así como el funcionamiento de cada dispositivo. Otros Tabla I. Equipamiento para monitoreo de contaminantes y factores climáticos en la cabina. Fig. 3. Dimensiones de la cabina de simulación. Fig. 4. Cabina de simulación de condiciones de interiores. 36 DISPOSITIVO (Estandar) OBJETIVO FUNCIONAMIENTO Termohidrógrafo Medición de temperatura y humedad en el interior de la cabina. Registra la temperatura y humedad relativa en unas hojas especiales fijadas en un tambor accionado por un sistema de relojería. Plato de Sulfatación.ISO 9225-1992 Corrosion of metals and alloys - Corrosivity of atmospheres Measurement of pollution, (Sulfation plate). Exposición de una pasta de bióxido de plomo contenido en una caja de Medición del SO 2 Petri de área conocida. El presente en la SO 2 reacciona con el cabina. bióxido de plomo para formar sulfato de plomo. 12 Vela húmeda.ISO 9225-1992 Corrosion of metals and alloys - Determinación de Corrosivity of cloruros en la a t m o s p h e r e s - cabina Measurement of pollution, (Wet candle). Se recubre una superficie de área conocida con una gasa quirúrgica, inmersa en una solución fijadora de cloruros.La cantidad de cloruros depositados es determinada por análisis químico. 12 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Cabina de investigación de corrosión para la industria electrónica en interiores / Juan F. Flores Preciado, et al contaminantes como los NO X y polvo serán proporcionados por estaciones de monitoreo ambiental cercanas a las cabinas. En el estado de Baja California se instalaron dos cabinas; una en Mexicali (ambiente urbano-industrial) y otra en Ensenada (ambiente marino). La Figura 5 muestra la cabina instalada en Mexicali, en la azotea del Instituto de Ingeniería de Universidad Autónoma de Baja California. Como se observa no existen restricciones para el flujo libre de aire del exterior , se distingue en la parte inferior el termohidrógrafo y en la superior las probetas de estudio. CONCLUSIONES • Con la construcción e instalación de las cabinas de simulación en el estado de Baja California, se inicia un proyecto Iberoamericano que permitirá llevar a cabo una caracterización del ambiente que genera productos de corrosión en metales utilizados en la manufactura de componentes electrónicos, que han sido expuestos dentro de la cabina que por sus características simula las condiciones interiores de una planta industrial. • Las probetas de estudio están expuestos en el interior a corrientes de aire, humedad y contaminantes ambientales que circulan a través de las ventanillas instaladas con rejillas y malla para impedir la entrada de agua de lluvia o de basura. • Las cabinas están equipadas con una base para la colocación de equipo de medición de factores climáticos y de contaminantes, por ejemplo un termohidrógrafo para la medición de humedad y temperatura, una vela húmeda para la medición de cloruros y platos de sulfatación para la medición de sulfuros presentes en el interior de la cabina (Tabla I). Otros datos ambientales y meteorológicos serán proporcionados por estaciones meteorológicas de las ciudades donde se colocaron las cabinas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 REFERENCIAS 1. B.Valdéz, N.Rosas G., M. Carrillo B.,A. Botello L., J. Sampedro G., L.Veleva M., II NACE Mexican Section Corrosion Congress, Simposium 4. Corrosión de Plata en la Industria Electrónica. México 2002. 2. J.F. Flores. Desarrollo de una Cabina para el Estudio de la Corrosión de Metales Utilizados en la Industria Electrónica a Condiciones de Interiores. Tesis de licenciatura en Ingeniería Mecánica. Universidad Autónoma de Baja California. México, 2003. 3. A.Ortíz – Prado, R. Schouwenaars y S.M. Cerrud – Sánchez. Metodología para la simulación acelerada del deterioro que por corrosión atmosférica se presenta en equipo electrónico. México, Ingeniería Vol.III – No. 4 2002, pp 145156. 4. Labaria Mariaca Rodríguez, Joan Genescá Llongueras, Jorge Uruchurtu Chavarin, Luis Salvador Hernández. “Corrosión atmosférica (MICAT – México)” México, Plaza y Valdez Editores. 1999. 5. ASM Handbook Vol. 13 Corrosion. USA 1998. 6. Bella H. Chudnovsky, D.L. Swindler, J.R. Thompson. Silver Corrosion and Whiskers Growth on Power Contacts in Industrial Atmosphere of Pulp and Paper Plants. IEEE USA, 2001. 7. Juan Reyes Trujeque. Influencia de los principales factores climáticos y de la calidad del aire sobre la corrosión atmosférica de los metales en la costa sureste del golfo de México. México, Tesis de maestría en la Universidad Veracruzana. Julio 1999. 8. Sebastián Feliu/ Manuel Morcillo. Corrosión y protección de los metales en la atmósfera. España Ediciones Bellaterra, S.A. 1982. 9. Editor J.R. Davis,. Corrosion Understanding the basics. E.U.A. ASM International. 2000. 37 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908 Parte III. Mecanismos de integración, compra, litigio y arrendamiento César Morado Macías Archivo General del Estado de Nuevo León cmorado@mail.nl.gob.mx LA VENTA DEL MINERAL DE SAN PEDRO EN MONTERREY A LA TRANSNACIONAL ASARCO Dentro de los centros mineros que surgieron en Nuevo León, durante la última parte del siglo XIX, el caso del de San Pedro -ubicado al sur de la ciudad de Monterrey es particularmente significativo por varias razones. Primero: Propició el establecimiento de toda una comunidad, cuyas vidas giraron en torno al mineral. Segundo: Patentiza el acaparamiento que de las minas hicieron grandes compañías. The Mexican Lead, compró el mineral en 1898 a Maiz Hermanos, en más de 2 millones de pesos mexicanos, convirtiéndose en la mayor transacción económica jamás realizada antes, en Nuevo León. Tercero: Su volumen de explotación motivó la construcción de un ferrocarril mineral, con una longitud de 16 millas, para trasladar los metales explotados a las plantas fundidoras de Monterrey. Cuarto: Empezó a trabajar desde los años 50’s del siglo XIX. En los 80’s, en pleno resurgimiento y como propiedad de Joaquín Maiz, tuvo una importante producción destinada a las fundiciones, que luego se exportó a Estados Unidos. Para construir el ferrocarril minero, José A. Robertson y otros inversionistas norteamericanos, organizaron The Monterrey Mineral Railway and Company, que entre otros fines, proponía adquirir minas o propiedades minerales en cualquier estado de la República, fomentar los negocios de mineros, fundidoras y empresarios interesados. Iniciaron con un capital de 65 mil pesos pero con el compromiso de aumentarlo 5 millones, suma jamás proyectada hasta Carta dirigida al Gobernador de Nuevo antes de esa fecha (1894) en Nuevo León. León en demanda de “protección y El mineral fue explotado sistemáticamente ayuda para la negociación” en el durante la segunda mitad del siglo pasaestablecimiento de fundición.(AGENL) do. Para agosto de 1899 y aprovechando 38 En los números 19 y 20 de INGENIERÍAS se publicaron las partes I y II de este articulo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías el momento de expansión que en la región estaba ejerciendo la Mexican Lead Company - con sede en Nueva Jersey, E.U.A.- Joaquín Maiz, le vendió la mina. La transacción se realizó en Nueva York, E.U.A., el 24 de agosto de 1899. Robert S. Towne 32 entregó a Joaquín Maiz, un millón cien mil cuatrocientos setenta y ocho dólares, a cambio, éste cedió a la Mexican Lead, las 27 pertenencias de la mina de San Pedro -ubicada en el Cañón del Diente de la Sierra Madre al sur de Monterrey-, con grandes contenidos de fierro, plomo y plata. La venta incluyó: todos los metales en patio, edificios de la administración, planta eléctrica, tranvías, carros, herramientas y demás maquinaria.33 En propiedad de The Mexican Lead, tuvo San Pedro, una bonanza considerable y logró integrar una sólida comunidad minera enclavada en el Cañón del Diente, cuyo único contacto con Monterrey era el ferrocarril. Hasta entrada la década de los treinta ya en el siglo XX explotado por la ASARCO-, siguió enviando metales. Se había convertido ya en un importante centro de paseo para los regiomontanos. UN LITIGIO REPRESENTATIVO: La familia Milmo en la minería La importancia de la familia Milmo, en el proceso de desarrollo del capitalismo regiomontano es indiscutible, en particular de Patricio, su patriarca. Su presencia como inversionista minero adquiere relevancia si se considera su participación en la metalurgia, como elemento de desvinculación entre una y otra área. La Compañía Minera Fundidora y Afinadora de Monterrey, no fue la única plataforma desde donde irradió y convirtió capitales con el resto de los integrantes de la élite empresarial regiomontana. Su actividad empresarial y capacidad de asociación es verdaderamente titánica.34 En 1899, como gerente de la Compañía Minera de Fierro Mexicano, inició un largo litigio contra la Compañía Minera El Nilo, por posesión del fundo denominado «El Cinco de Mayo». Para noviembre de 1902, el Lic. Esteban Horcasitas, decidió editar el avance del conflicto durante los tres años que llevaba. Gracias a las 139 páginas de Horcasitas, abogado de la Cía. de Fierro Mexicana, entendemos la importancia jurídica y social de la contienda posesoria Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Entrega del mineral a la fundición. sobre la mina «Cinco de Mayo», ubicada en el Cerro del Carrizal, jurisdicción de Lampazos, sostenida primero ante la Secretaría de Fomento en México y después en los tribunales del estado de Nuevo León. 35 Al abrir el interdicto, señaló como constitutivos de despojo los hechos siguientes: 1) Haber practicado la Compañía Minera demandada, cinco tiros mineros, sobre la base más alta del «Cerro del Carrizal», terreno correspondiente al fundo minero «El Cinco de Mayo»; 2) Llevar operarios a trabajar en la explotación de los dichos tiros; 3) Haber construido jacales, para su permanencia en el mineral; 4) Formar patios mineros y sacar metal de los nuevos tiros; 5) Haber abierto una vereda; para subir y bajar las mulas que acarrearon el metal a la Estación «Golondrinas» del Ferrocarril Nacional Mexicano, con objeto de embarcarlo en furgones y conducirlo a la fundición. 36 La argumentación contraria, estuvo a cargo de Juan F. Burchard, destacado inversionista minero en la región apoyado por Ernesto de la Garza, que tampoco era novato en cuestiones de litigios. Para reforzar a Milmo, estaban sus conocidos Juan Weber y Eugenio Kelly. 3' Dada la dimensión de los intereses en conflicto, éste se prolongará toda la década para venir a concluir en 1908, con un acto cuyo lirismo quedó para la historia: la formación de la Compañía Minera Alianza y Concordia, S.A., concluyendo de esta manera diez años de lucha sin cuartel entre el carácter especulativo de algunos empresarios, en la lucha por reproducir sus capitales. Como era de esperarse, se impuso la lógica del capitalismo, ganaron los más grandes. 39 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías Sobresalían como accionistas en la «Nueva Unión y Concordia», Eugenio Kelly, Daniel Milmo, Gustavo A. Madero por sí y por Francisco Madero, Alfonso de Tárnava, Andrés Farías y Hermanos.38 Al igual que la mayoría de las empresas mineras en que participaban socios que tenían inversiones en otros rubros, ponían de manifiesto -a lo largo de más de 100 artículos- en sus estatutos, la posibilidad de realizar transacciones económicas en actividades afines; es decir, eran entidades con gran tendencia especulativa, típica del desarrollo capitalista. CONTRATO DE ARRENDAMIENTO: Las familias Ferrara, Guggenheim y el Presidente Porfirio Díaz Los contratos de arrendamiento, fueron el mecanismo central de vinculación entre las grandes fundiciones y los propietarios de las minas, cuando éstos no accedían a su venta o cuando a aquéllos no les interesaba comprarlas. Para ilustrar este tipo de relaciones empresariales, he recogido varios casos representativos. En 1902, Arturo Longega, cedió a la Compañía Minera Fundidora y Afinadora de Monterrey, varias minas ubicadas en Güenaceví (de nombre Garibaldi, San Guillermo, Flora, Purísima, Remo y La Cumbre), totalizando más de 100 pertenencias mineras. La Compañía arrendataria se comprometía a entregar el 50% de las utilidades netas obtenidas en las minas. El proceso de negociación y los términos en que se cerró, dependieron de la perspectiva empresarial del presidente de la empresa: Vicente Ferrara, sin duda uno de los hombres que mejor conocía la dinámica del desarrollo capitalista regional; así lo manifestaron, por un lado su nivel de participación directa en varios rubros industriales y su papel de promotor general del proceso, ante las autoridades públicas correspondientes. Sin embargo, debemos evitar caer en la falacia de concebir al empresario como «motor del desarrollo»; si bien su iniciativa es incuestionable, no debe olvidarse la existencia de coyunturas políticas y económicas que se han señalado con anterioridad. Se ha reiterado también la vinculación de la minería neoleonesa con el mercado norteamericano, un 90% de este mineral tenía ese destino. Participaban 40 Meyer Guggenheim con sus 7 hijos, de izquierda a derecha, destra Benjamin, Murray, Isaac, Meyer, Daniel, Salomon, Simon y William. en el proceso compañías fundamentalmente extranjeras, la Mexican Lead es un caso representativo: el 3 de agosto de 1899 la Compañía Minera de San Pedro, de las de mayor producción en la entidad, cedió en arrendamiento a la Mexican Lead Company, por un término de 25 años, todas sus propiedades mineras totalizando pertenencias; incluidas instalaciones, maquinaria, cables para el transporte de metales, casas, oficinas y en general toda clase de edificios.39 De lo extraído de los fondos mineros de San Pedro por la compañía arrendataria durante la existencia del contrato, la arrendadora tendría el treinta y tres y un tercio por ciento; esta participación sería entregada al representante de la arrendadora semanalmente, libre de todo gasto de extracción. Como garantía, la arrendataria, aseguraba un producto de treinta y tres y un tercio porciento de su participación que no bajaría de cuarenta mil pesos anuales en los primeros dos años y de cincuenta mil pesos en los siguientes. En los años en que no llegasen a producirse los valores estipulados, tendría la obligación de completarlos en efectivo. Se obligaba a conservar en buen estado de servicio los socavones, tiros, cañones y obras principales. Pagaría las contribuciones, y respetaría el contrato de compraventa de metales de la arrendadora con la Gran Fundición Nacional Mexicana, vigente desde junio de mil ochocientos noventa y ocho. Igualmente el de exclusividad con Rafael García Galán, sobre la tienda de raya del Mineral de San Pablo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías Los primeros dos años serían forzosos para ambas partes contrayentes. Vencidos éstos, podría la arrendataria en cualquier tiempo abandonar el arrendamiento devolviendo las propiedades, instalaciones y derechos expresados. La normatividad de éste y los demás contratos celebrados, no alteraban considerablemente el sistema de trabajo. Los objetivos continuaban siendo los mismos, aunque con un mayor potencial económico. Permanecería la «clásica» tienda de raya de los reales mineros, con que se abastecían de insumos, y las mismas deprimentes condiciones de trabajo para quienes arrancaban plata y plomo de las entrañas de la Sierra Madre Oriental. Otra gran empresa estadounidense, que enfocó su mirada y capital hacia Coahuila, fue la Kansas City Smelting and Refining Company, que venía trabajando desde 1880 los ricos distritos mineros de Sierra Mojada, y que constantemente remitía grandes remesas de minerales al otro lado del Bravo. Particularmente a la planta de los poderosos hermanos Guggenheim ubicada en Pueblo, estado de Colorado. Esta compañia americana dirigió su atención hacia la Compañía Minera La Camarguense, empresa fundada en 1893 por un grupo de siete grandes empresarios. Encabezaba la lista de accionistas el mismísimo presidente de la república, general Porfirio Díaz, representado por Gerónimo Treviño, quien además invertía por sí; le seguía Francisco Armendaiz, Manuel Z. de la Garza, Vicente Ferrara, Santiago Stopelli y José Visconti. Los dos últimos residentes en Santa Rosalía, Chihuahua, el resto en Monterrey, a excepción del presidente. Visconti, concentraba la mayor parte de las veinticuatro barras en que estaba dividido el capital de la compañía, destinada a explotar una mina del mismo nombre ubicada en la Sierra del Carmen, jurisdicción de la Villa de Múzquiz, perteneciente al distrito 40 de Monclova, Coahuila, con 26 pertenencias mineras. Para el mes de enero de 1895, Vicente Visconti y Manuel Z. de la Garza, en representación de la junta general de la compañía, la dieron en arrendamiento a la Consolidated Kansas City Refining Co; la arrendataria se obligaba a extraer todos los metales siempre que fuesen costeables. Ambas partes convenían en que la duración del contrato sería de doce años y que durante este período se dividirían los metales en los patios diaria, semanal o mensualmente, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 según su abundancia; con intervención de ingenieros de ambas compañías, en las proporciones de un tercio La Camarguense, y dos tercios para la Kansas City. Los metales cuyas leyes fuesen bajas y no pudiesen exportarse se pondrían aparte. La Camarguense, pagaría por cada onza de plata contenida en el metal, un peso cinco centavos; por cada libra de plomo, dos y medio centavos; y por cada onza de oro, diez y ocho pesos, basados en moneda de plata mexicana; en cuanto al oro, en moneda de igual denominación. Tenía además la ventaja de poder vender sus metales al mejor postor. Las compañías, en cualquier dificultad con motivos del contrato, se sometieron a jurisdicción de los tribunales del domicilio de La Camarguense. H. Huber, se obligaba a que la Kansas City con sede en New York, E.U.A., presentaría los documentos necesarios que justificaran haber llenado los requisitos Solicitud de Daniel Guggenheim al gobernador del estado de Nuevo León para establecer una empresa para beneficio de todo tipo de metales. (AGENL) 41 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías que el código de comercio exigía para poder celebrar contratos en el país y tener representación jurídica en él. De esta manera, adquiría concreción una forma de participación económica con grandes especificaciones y detalladas expectativas, en torno al destino de los capitales. Por ese entonces, la familia Guggenheim, controladores en su momento del mercado del plomo en el mundo, se hicieron presentes en Nuevo León -además de la ASARCO- a través de The Guggenheim Exploration Company, empresa organizada en 1899, bajo las siglas GUGGEMEX, con el objeto de explotar y desarrollar propiedades mineras en «cualquier parte del mundo». Ésta, dirigió su atención hacia la ciudad de más tradición minera en la entidad: Villaldama. Así, consiguió que la Compañía Minera del Carmen, le rentara no sólo un total de 27 minas, con más de 330 pertenencias mineras, sino toda la maquinaria, infraestructura, implementos y demás; incluyendo el ferrocarril mineral que salía de Minas Viejas hasta la Hacienda de Guadalupe, recorriendo 24 kilómetros. El contrato de arrendamiento iniciaba el primero de mayo de 1900 y vencería el 30 de abril de 1910. La compañía norteamericana se comprometía a adquirir los metales y a deducir los gastos de sus operaciones, explotaban básicamente plata y plomo. El precio al que se pagarían los metales era el siguiente: plata, por noventa y cinco por ciento de su contenido, el equivalente por kilogramo del precio Western Unión en Nueva York por onza troy, en moneda norteamericana o bien su equivalente en Embarcadero de la Unidad Guadalupe, Nuevo León, México.(Tomada del libro Historia de un éxito. Centenario de Peñoles) 42 mexicana, al tipo de cambio vigente, un kilogramo sería equivalente a 32.15 onzas troy. Plomo, cinco y medio centavos moneda mexicana, por un noventa por ciento de su contenido. Fierro, en exceso de materias insolubles, diecisiete centavos, moneda mexicana por unidad. Enseguida se especificaron -no se incluye por motivos de espacio-, las deducciones que se harían por el flete y la maquila, por cada tonelada métrica del mineral.41 Como éstos, se suscribieron múltiples contratos en los que el capital extranjero tenía gran participación. Grandes problemas se generarán con el enfrentamiento entre estos capitales y el carácter nacionalista del movimiento revolucionario, que se vio apoyado en gran parte por la crisis minera de 1906-1908, y cuya implicación social debe ser objeto de otras reflexiones; sobre todo si se considera a la presencia extranjera en Coahuila, como elemento que coadyuvó en construir a esta entidad, en sólida vanguardia del cambio social. CONCLUSIONES: Auge y crisis de una actividad minero-metalúrgica de exportación La economía de exportación, que en torno a metales se había generado en Nuevo León y Coahuila aunque no sólo en ellos-, teniendo en Estados Unidos su principal mercado, tenía en la dependencia de las políticas económicas norteamericanas, un grado enorme de vulnerabilidad. Si en 1890, el Arancel Mckinley había sido detonante de un gran desarrollo, en este lado del Bravo, la crisis financiera del país vecino ocurrida en 1907, combinada con una baja de los metales industriales en el mercado mundial, vendría a echar por tierra las ilusiones de muchos pequeños y medianos empresarios tanto norestenses como extranjeros. Como todo trastorno en el sistema capitalista, el impacto de tal desajuste económico fue proporcional al potencial financiero de los inversionistas. La mayor parte de las minas quedaron paralizadas. Terminó todo intento de inversión en la región y las fundiciones tuvieron grandes problemas de solvencia económica y abastecimiento de minerales. En el estado de Chihuahua el caos fue casi total, cerrando incluso las minas de Santa Eulalia y Santa Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías Paila desplantadora para separar el oro y la plata del plomo. Fundición 2, Monterrey, Nuevo León, México. (Tomada del libro Historia de un éxito. Centenario de Peñoles) Bárbara, trabajadas por la ASARCO. Anterior a esto había reducido considerablemente los salarios de los mineros. Para nuestra región el impacto no fue menos desastroso, cientos de minas se vieron paralizadas; como consecuencia de lo anterior, en 1908, la Fundición número dos pasó a ser arrendada por la ASARCO –que debido a su enorme capital logró mantenerse en pie, no sin serios problemas-. La número tres que era de su propiedad, al parecer continuó laborando. La Nuevo León Smelting, primera metalúrgica de las tres anteriores, ya había dejado de funcionar desde muy atrás. La que sí se vio afectada fue la Fundidora Monterrey, que tuvo que contraer varios préstamos con bancos de la capital del país, y disminuyó de manera considerable su producción ese año y los siguientes. Por si fuese poco, a la crisis minera vino a sumarse la de otro sector, también básico en la economía de la región: la agricultura. Desde 1906 y hasta 1909 se dejó sentir en Coahuila, Chihuahua y Nuevo León una gran sequía produciendo estragos enormes, particularmente en los campos algodoneros de La Laguna, y en el peculiar desarrollo alcanzado por la industria del guayule y textil en Coahuila. Cabe señalar la baja de plata, que afectó la zona minera de Sierra Mojada y la salvación del negocio del carbón, que logró sobrepasar el caos económico gracias a la demanda de las fundiciones que continuaron funcionando. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 En Nuevo León y Chihuahua además del fracaso de la actividad minera, escasearon los productos básicos y aumentó la inquietud social por el desempleo. En la primera de estas dos entidades, la Cámara de comercio actuó en forma prudente combatiendo el aumento desproporcionado de los artículos y con ello desórdenes mayores. La vulnerable economía del noreste mexicano, sucumbía ante el dinamismo del mercado internacional y la circunstancia norteamericana; transitaba de la ilusión al desencanto, a través de una coyuntural economía de exportación, responsable de su origen y final. En algunos distritos mineros empezaron la recuperación a partir de 1910. En la mayoría no llegó nunca. En otros, como Villaldama Nuevo León, el verdadero auge fue posterior. Para entonces, hartos de los bajos salarios y la explotación extranjera, los mineros y campesinos coahuilenses, van a incorporarse a la revolución. Al margen de los altibajos propios de los ciclos económicos, el saldo del proceso fue que algunos puntos geográficos de Nuevo León y Coahuila que durante tres siglos habían tenido poca relación con Monterrey, se incorporaron a su dinámica productiva configurando una red de relaciones que no sólo fueron económicas, ello según lo apuntamos al inicio de este ensayo, evidencia una configuración regional que algunos extienden a todo el noreste mexicano (Coahuila y Nuevo León ponen los metales, Monterrey las metalúrgicas, y Tamaulipas el puerto de Tampico para exportarlos a Europa); una región cuya ductibilidad no es fija ni permanece inmutable, pero que aquí hemos querido caracterizar como válida para el período porfiriano a través del ferrocarril. Casa redonda de la Fundición número dos de Monterrey, N.L., México. 43 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías ANEXO II Glosario de términos Fuente: Sariego, Juan Luis et al. El Estado y la Minería Mexicana. Política, trabajo y sociedad durante el siglo XX. México, FCE/SEMIP, 1988, pp. 541-558. Afinación: Proceso metalúrgico para la obtención de metales de alto grado de pureza. Amalgamación: Proceso químico metalúrgico para recuperar mineral. Beneficio de minerales: Operaciones mineras y metalúrgicas tendentes a producir metales o concentrados en escala industrial. Concesión minera: Derecho que otorga el gobierno federal a personas físicas y/o empresas para explorar, explotar y beneficiar los minerales existentes. Cianuración: Proceso químico metalúrgico para beneficiar mineral. Concentración: Proceso metalúrgico para separar un mineral de la ganga. Depósito: Sinónimo de criadero o yacimiento mineral. Ensaye: Análisis químico por vía húmeda. Exploración: Investigación con objeto de descubrir yacimientos minerales. Ferrería: Fundición. Flotación: Proceso mecánico - metalúrgico para beneficiar mineral. Fundición: Instalación metalúrgica equipada con hornos para fundir mineral. Fundo: Propiedad minera. Góndola: Carro minero de carga que rueda sobre rieles. Hacienda de beneficio: Sinónimo de planta de beneficio. Lixiviación: Proceso químico - metalúrgico para recuperar mineral. Lote minero: Fundo o propiedad minera. Ley: Contenido de cierto metal en una tonelada métrica de un mineral determinado. 44 Metal afinado: Producto metálico final de alto grado de pureza, procedente de un tratamiento metalúrgico. Metales: Según la legislación minera, metales son todos los cuerpos simples que en química se dividen en metales y metaloides. Metales industriales: Antimonio, arsénico, bismuto, cobre, estaño, fierro, mercurio, manganeso, plomo, tungsteno, zinc (según la legislación minera). Metales preciosos: Oro, plata y platino. Mina: Conjunto de excavaciones con propósito de explotar minerales con valor económico. Minerales de alta ley: Mineral rico o de buena calidad. Pertenencia: Fundo minero. Lote minero. Medida equivalente a una hectárea en la superficie. Planta de beneficio: Instalaciones en donde se separan y recuperan metales. Planta metalúrgica: (Hacienda de beneficio) Establecimiento en donde se llevan a cabo procedimientos metalúrgicos. Precipitados: Productos resultantes de la precipitación en sistemas hidrometalúrgicos. Los obtenidos por el método de cianuración se llaman cianuros y por lixiviación, sulfuros. Tiro: Obra minera colada verticalmente. Pozo de entrada. Veta: Cuerpo mineral de forma tubular. Yacimiento: Depósito natural o asociación de minerales útiles con suficiente extensión y concentración de sus valores para ser objeto de una explotación. NOTAS Fundición 2. Monterrey, N.L., México.(Tomada del libro Historia de un éxito. Centenario de Peñoles) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías 32 Towne, junto con los Guggenheim, Robertson, y Flynn, es de los empresarios norteamericanos con mayor presencia económica en la región. Cabe recordar que hacia 1890 había organizado la Compañía Metalúrgica Mexicana propietaria de la fundición de San Luis Potosí. 33 AGENL. Fondo Notarios. Protocolo de Tomás Pacheco. Tomo 49, folios 660-666. 34 Mario Cerutti. «Patricio Milmo; Empresario Regiomontano del siglo XIX» en Formación y Desarrollo de la Burguesía en México. Editorial siglo XXI. México, 1978, pp. 231-266. 35 Conflicto de posesiones de fundos mineros. Alegato de buena prueba del señor licenciado Estaban Horcasitas, apoderado de la Compañía Minera de Fierro Mexicana en el interdicto de recuperar la posesión del fundo minero «cinco de mayo» contra la Compañía Minera el Nilo. Monterrey, noviembre de 1902, pp. 5 36 Ibídem. 37 La Compañía Minera de Fierro Mexicana se fundó en 1887, por Patricio Milmo, su futuro yerno Eugenio Kelly, Daniel Milmo, y Juan Weber. Patricio Milmo sería el gerente para México y Juan Weber para el exterior. 38 AGENL. Fondo Notarios. Protocolo de Crispiniano Villarreal. Tomo 2, folios 36-38. 39 AGENL. Notarios Protocolo de Tomás Pacheco. Tomo 49, folios 817-820. 40 AGENL. Notarios, Acta constitutiva de la Compañía Minera La Camarguense. Protocolo de Anastasio Treviño, Tomo 24, folios 149-152. 41 AGENL. Notarios, Contrato de arrendamiento de The Guggeheim Exploration Company con la Compañía Minera del Carmen. Protocolo de Tomás Pacheco, Tomo 50, folios 498-514. BIBLIOGRAFÍA -Benavides Hinojosa, Artemio. El general Bernardo Reyes. Vida de un liberal porfirista. Ediciones Castillo. Monterrey, México.1998. -Cerutti, Mario. Burguesía y Capitalismo en Monterrey, 1850-1910. México. Claves Latinoamericanas,1983. 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ABSTRACT The main techniques for the synthesis of transition metal complexes of C60 , C 70 , and higher fullerenes are presented. It is shown that metal-fullerene complexes can be obtained by four general reaction types. The electrochemical route, gas-phase synthesis and treatment with microwaves and ultrasound as non-traditional synthetic techniques are also discussed. KEYWORDS Fullerenes, ligands, synthesis, complexes. INTRODUCCIÓN El carbono siempre ha sido uno de los elementos químicos más usados por la humanidad a lo largo de su historia. Desde hace muchos años se conocen tres formas alotrópicas del carbono, tales como el grafito, el diamante, así como el hollín, que es producido durante la combustión incompleta del carbón natural o de hidrocarburos. Sin embargo, a pesar de su larga historia, hace menos de 20 años fue descubierta otra forma alotrópica del carbono: el buckminsterfullereno o futboleno, también conocido en general como el fullereno C 60 , al cual se sumaron posteriormente otros ejemplos. Lo anterior abrió paso a numerosas investigaciones relacionadas a la química de los fullerenos y sus potenciales aplicaciones en la ciencia de los materiales. En este artículo se describen las propiedades estructurales y las principales técnicas sintéticas empleadas en la obtención de complejos metálicos entre algunos fullerenos y metales de transición. 46 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas ESTRUCTURA El C60 , como una molécula estable y única, fue inicialmente identificado en 1985. 1 Pocos años después estuvieron disponibles a los químicos, en cantidades útiles, otros fullerenos como, son el C70 , C76 , 2 C78 , C84 . La mayoría de los estudios sobre la química de los fullerenos han sido sobre el C60 , el cual es la especie más abundante formada durante el proceso de generación de fullerenos por vaporización de grafito en un arco eléctrico, un proceso ampliamente empleado. Además del C60 , este proceso produce cantidades significativas de fullerenos de orden mayor, de los cuales el C70 es la segunda especie en abundancia. Se forman cantidades aislables de C76 , C78 , y C84 (figura 1) junto con otros fullerenos mayores, en menor concentración. Fullerenos mayores que el C74 pueden existir en varias formas isoméricas (por ejemplo, 2 isómeros para el C76 , 5 para el C 78 , 7 para el C80 , 9 para el C82 , 24 para el C84 y 450 para el C100 ).3,4 C60 C70 C76 C78 (isómero 2) C82 (isómero Cs ) C84 (isómero D2 ) Fig. 1. Estructuras de algunos fullerenos. Se sabe que las cavidades de los fullerenos pueden alojar una amplia variedad de átomos en su interior: desde metales, los cuales transfieren carga a los carbonos de los fullerenos, hasta átomos altamente reactivos como nitrógeno, los cuales se protegen en el interior de la cavidad, e incluso, átomos muy inertes como los gases nobles. Este último tipo de compuestos ofrece la oportunidad de examinar los efectos de las fuerzas de Van der Waals sobre la jaula de carbonos (figura 2) 5 y resultan especialmente peculiares porque fueron descritos por vez primera por un investigador mexicano durante su postdoctorado en la Universidad de Yale (Hugo A. Jiménez Vázquez).6 La química estructural de los fullerenos y otros compuestos fullerenoides ha sido descrita por Balch. 7 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Fig. 2. Perspectiva de la estructura de (0.09Kr@C60/ 5 0.91C60)·{NiII(OEP)}·2C6H6. La mayoría de los trabajos sobre complejos metálicos de fullerenos ha involucrado al C60 , pero un número sustancial de estudios se han llevado a cabo también con C70 . Debido a las limitaciones en disponibilidad de los fullerenos iniciales, sólo en unos pocos casos se han reportado reacciones entre complejos metálicos y fullerenos de orden mayor tales como el C76 , el C78 , y el C84 .2 La coordinación directa de centros metálicos a fullerenos, hasta el momento ha conducido casi exclusivamente al aislamiento de compuestos con coordinación tipo h2 -, incluso cuando se adicionan los metales en mayor proporción. 2 Se ha demostrado8 que el C 60 puede enlazarse a una variedad de cúmulos metálicos por medio de enlaces π tipo η2 -C60 , µ−η2 :η2 -C60 , y µ3 -η2 :η2 :η2 C60 (figura 3), actuando como ligantes donadores de 2e-, 4e-, y 6e -. Los complejos con cúmulos metálicos del tipo µ3 -η2 :η2 :η2 -C60 muestran una estabilidad electroquímica sorprendente y una comunicación electrónica inusualmente alta entre el C60 y los metales componentes de los cúmulos metálicos. En un estudio teórico sobre la formación de complejos metálicos con enlaces tipo η5 - y η6 -con C 60 y C 70 ,9 se propuso que ciertos fragmentos organometálicos podrían vencer las interacciones desfavorables que surgen de los orbitales π dispersos en los anillos de cinco y seis miembros del C60 y del C70 formando así los complejos deseados. Cálculos computacionales semiempíricos para una serie de complejos de C60 MCn Hn y C70 MCn Hn sugirieron que es posible estabilizar complejos η6 - de C60 y C70 47 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas Complejos π M M M η 2 - C60 M M µ-η 2 :η 2 -C60 M µ3 -η 2 -:η 2 :η 2 -C60 Complejos σ − π mixtos M M M M M µ3 -η1-:η 2:η1-C 60 M µ3-η1-:η1:η2-C60 Fig. 3. Modos de enlace en complejos de cúmulos metálicos con C60.7 utilizando los fragmentos organometálicos adecuados. Ecuaciones isodésmicas del tipo CmHmMCn Hn + Ck → Ck MCn Hn + CmHm, donde k = 60, 70, m = 5, 6, y n = 3-6, indican que C 3 H3 Co y C 3 H3 Rh son fragmentos ideales para estabilizar complejos de tipo η6 C60 . Aunque en comparación los complejos h5 - son menos favorables, recientemente Nakamura y colaboradores reportaron un método muy eficiente para llevar a cabo la síntesis de complejos con coordinación tipo η5 -, obteniéndose un “bucky-ferroceno”, un híbrido entre un ferroceno y un fullereno metálico (figura 4).10 M η5 - C60 Fig. 4. Modo de enlace η5- en complejos tipo “buckyferroceno”.10 48 La capacidad de los fullerenos de actuar como ligantes η6 en complejos con metales de transición ha sido examinada.11 Las energías para las reacciones de intercambio: (C 6 H 6 )M(CO) 3 + Cn → Cn M(CO)3 + C6 H6 ; n = 60, 70, 78, 84, M = Cr; n = 60, 70, M = Mo, W; (C6 H6 )M(CmHm) + C60 → C60 M(CmHm) + C6 H6 , m = 3, M = Co; m = 6, M = Cr fueron estimadas. SÍNTESIS La síntesis de complejos metálicos de fullerenos puede llevarse a cabo a través de cuatro clases generales de reacciones que son típicas en la química organometálica clásica: 1. Adición del metal al enlace C-C olefínico en uniones de anillos 6:6 para formar complejos de coordinación tipo η2 (un ejemplo: el tratamiento de C60 con OsO4 en presencia de piridina (py) produce C60 O2 OsO2 (py) 2 y C60 {O2 OsO2 (py) 2 }2 ). 2. Reducción del fullereno para formar la correspondiente sal de fullerido (un ejemplo: la interacción de C60 con {(η 5 -C 5 H 5 )Fe I(η 6 C 6 Me 6 )} produce [(η 5 -C 5 H 5 )Fe II (η 6 C6 Me 6 )+](C60 -), entre otros productos). 3. Adición de grupos ligantes al fullereno de forma que el centro metálico se una al fullereno a través de algún tipo de grupo puente (un ejemplo: C60 en tolueno reacciona con Fe 2 S2 (CO)6 dando C60 S2 Fe 2 (CO)6 ). 4. La formación de sólidos en los cuales el fullereno y un complejo metálico co-cristalizan (un ejemplo: se mezclan soluciones de C60 o C70 con el ferroceno, cristalizándose los aductos C60 .2{(η5 C5 H5 )2 Fe} y C70 .2{(η5 -C 5 H5 )2 Fe}, respectivamente).2 El último tipo de reacción puede involucrar cierto grado de transferencia de carga entre los componentes individuales. Las técnicas sintéticas para la obtención de complejos metálicos de fullerenos han sido revisadas.2,12 En particular, para los complejos 12 organometálicos de los fullerenos, la mayoría de éstos involucran enlaces π, y aparte de los fullerenuros de alquillitio, el área de síntesis de complejos σ no ha sido explorada, habiendo aquí un vasto potencial de exploración. Ejemplos selectos de compuestos sintetizados se presentan en las tablas I a III. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas Tabla I. Ejemplos selectos de complejos metal (o no metal)-fullereno C60. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 49 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas Tabla I. Continuación. Ejemplos selectos de complejos metal (o no metal)-fullereno C60. Además de las cuatro técnicas principales de síntesis mencionadas, los complejos metálicos de fullerenos puede producirse a través de una ruta 13 electroquímica. Así, ha sido reportada la metalación electroquímica y arilación de C 60 para producir complejos exohédricos del tipo C60 ML2 (M = Pd, Pt; L = Ph 3 P). El método se basa en la generación electroquímica de aniones de C 60 2- y su reacción subsecuente con complejos [M(Ph3 P)2 Cl2 , MCl2 ] de metales bivalentes. Las propiedades electroquímicas de los fullerenos y sus derivados en solución han sido revisadas.14 La síntesis en fase vapor también se usa en la producción de derivados de fullerenos, en particular sales de fullereno con metales de transición y lantánidos, MxC60 en forma de películas (M = Ag, Au, Al, In, Sn, Pb and Sm).15 El espectro de absorción UV-IR y el espectro de transmisión de IR del MxC60 sugieren que ocurre un proceso de transferencia de carga y que se forman enlaces entre los metales y el C 60 . Los átomos metálicos pueden estar puenteando moléculas de C60 formando un polímero lineal o puenteando complejos binucleares para M = Ag, Au, Al, In, Sn y Pb. Para las sales de fullerenos con lantánidos del tipo SmxC60 , los átomos de Sm 50 podrían estar enlazados a los anillos de cinco miembros de la jaula del C60 y complejos de SmxC6 0 , estructuralmente similares al ferroceno, podrían estar formándose. Una generalización de la técnica de vapor metá2 lico ha sido discutida en la referencia . Los vapores metálicos fueron obtenidos por desorción laser del metal en el interior de una celda de condensación y combinados con fullereno vaporizado proveniente de un horno calentado por resistencias eléctricas. La reacción en la mezcla fue inhibida por helio a baja presión y analizada empleando espectrometría de masas de tiempo de vuelo. Se hizo énfasis en el hecho de que este estudio por espectrometría de masas fue uno de los primeros en demostrar que los fullerenos son capaces de enlazarse a iones metálicos de transición. En particular, las reacciones en fase gaseosa entre un arreglo de cúmulos iónicos de carbono, C n +, y Fe(CO)5 demostraron que el C60 + y el C70 + muestran reactividades únicas las cuales llevaron a la abundante formación de iones C 60 Fe(CO) 4 + y C70 Fe(CO)4 +. A través de disociaciones inducidas por colisiones de C 60 Fe(CO)4 + se puede llegar a formar C60 Fe(CO)n + (n = 3, 2, 1, 0) mientras que reacciones secundarias de C60 Fe(CO)4 + con Fe(CO)5 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas Tabla 2. Ejemplos selectos de complejos metal (o no metal)-fullereno C70 . Tabla III. Ejemplos selectos de complejos metálicos de fullerenos de orden mayor. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 51 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas forman C 60 Fe 2 (CO)8 +, C60 Fe 3 (CO)8 +, C60 Fe 3 (CO)9 +, y C60 Fe 4 (CO)11 +. Complejos metálicos de C60 y C70 con una variedad de co-ligantes han sido reportados durante la última década. Entre ellos, algunos complejos de fosfinas como (h2 -C 60 )[Pt(PPh3 ) 2 ] 8 16 y h 2 17 C70 Pd(PPh3 )2 fueron recientemente descritos. La complejación de buckminsterfullereno C60 con metales de transición, en especial complejos del tipo MnC60 , ha sido discutida en la referencia 18 . En 1999 se reportó en la referencia 19 un método original para la síntesis de derivados y complejos metálicos con C70 al hacerlo reaccionar con reactivos organocuprosos, obteniendo productos como los que se muestran en la figura 5. Los complejos metálicos obtenidos pueden ser empleados como catalizadores para reacciones en química orgánica. R R R H M H R R R R R R - I Fig. 5. Derivados y complejos de C70 reportados en la referencia 19. R son grupos alquilo C1-10 o grupos alquilo C6-14 sustituidos o sin sustituciones, M es un metal del grupo de los alcalinos, de transición o lantánidos. Los detalles de varias técnicas sintéticas de complejos metálicos de fullerenos fueron descritos en la referencia 20 . Una serie de compuestos de fullerenos de orden mayor fue aislada y estructuralmente caracterizada. Así, el fullereno endohédrico Sc 3 N@C78 y Sc 3 N@C78 ×[Co(oep)]×1.5C6 H6 ×0.3CHCl3 (H2 oep = octaetilporfirina),21 Sc 3 N@C80 -C 10 H 12 O2 (un cicloaducto Diels-Alder de Sc 3 N@C 80 ) [22], Lu3 N@C80 ×5(o-xylene), y Sc 3 N@C80 ×5(o-xylene)23 fueron reportados. Sin embargo, el número de complejos de fullerenos mayores reportados es considerablemente menor en comparación a los derivados metálicos con C60 y C70 . COMPLEJOS DE LIGANTES CONTENIENDO FULLERENOS Los ligantes que contienen fullerenos (figura 6) incluyen moléculas relativamente simples, tales como fulleren-fosfidas, así como algunas otras 52 O P O R N OEt R1 O O N O H n N Fe N Me NM e O N H O O N O O N H N O Fig. 6. Algunos ejemplos de ligantes conteniendo fullerenos.2 estructuralmente más complejas que incluyen grupos polipiridínicos, metalocenos, éteres corona y porfirinas. La unión de estructuras más complejas se consigue por lo regular a través de ciclopropanaciones con diazometano o a través de la adición de iluro de azometina. Las fulleren-fosfidas se preparan por la adición directa de la fosfida al C60 con la protonación posterior del anión formado. Los ligantes polidentados de fósforo pueden ser obtenidos por series de reacciones a partir de C 60 (OH)x. Por ejemplo C60 (OH)12 reacciona con PClPh2 formando C60 (OPPh2 )12 que, a su vez, permite obtener complejos con metales de transición. Así, C60 (OPPh2 )12 {RhCl(CO)2 }6 {RhCl(CO)}3 fueron sintetizados a partir de C 60 (OPPh2 ) 12 y {RhCl(CO)2 }2 .2 Fullerenos químicamente modificados con grupos olefínicos o acetilénicos pueden actuar como ligantes a través de estas unidades extras. Ejemplos de tales compuestos son {2-H,1-(Me 3 SiCºC)C60 }Co (CO)6 24 2 y {2-H,1-(Me 3 SiCºC)C60 }Ni2 (η5 -C5 H5 )2 . Entre este tipo de complejos, es interesante mencionar la síntesis y caracterización de una díada uni25 da a través de un péptido al C60 (figura 7). En este trabajo, la síntesis y estudios conformacionales de la díada [Péptido = AibGlu(OR)-Ala-Aib-Glu(OR)-Ala; Aib = α-ácido aminoisobutírico; R = (CH2 CH 2 O) 3 Me] es descrita, en la cual una fulleropirrolidina y un complejo de trisbipiridinrutenio (II) (Ru-bpy) se localizan en los extremos terminales C- y N-de un hexapétptido helicoidal, respectivamente. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas 2 PF 6N N N N Ru O 2+ N Peptido N N Fig. 7. Una díada unida a un C60 a través de un péptido. GENERALIZACIÓN DE LAS TÉCNICAS SINTÉTICAS APLICADAS Al analizar los métodos sintéticos de los complejos de fullerenos en varios artículos de revisión y experimentales, se puede concluir que una gran variedad de las técnicas clásicas y de las poco comunes, utilizadas en la química organometálica y de coordinación, se aplican al trabajar con los fullerenos. En particular, las reacciones de adición y “redox”, aplicadas en la obtención de complejos “metal-fullereno”, son muy comunes en la preparación de compuestos organometálicos usuales y no usuales. Además, la habilidad de los fullerenos para co-cristalizarse con un gran número de diferentes moléculas incrementa considerablemente las posibilidades sintéticas en comparación con los compuestos organometálicos comunes. Sin embargo, desde el punto de vista de los autores, no todas las posibles técnicas sintéticas se han utilizado extensivamente para la obtención de nuevos complejos con fullerenos. En particular, aunque el uso de ultrasonido y microondas han sido aplicados en la preparación de fullerenos y nanotubos de carbono, la mayoría de los investigadores prefieren utilizar las técnicas tradicionales organometálicas en soluciones no acuosas para la obtención de sus complejos metálicos. Al respecto de las reacciones con uso de iones metálicos, producidos por la evaporación de metales elementales, esta técnica se está aplicando frecuentemente a pesar de las dificultades correspondientes (necesidad de alto vacío y equipo especial para la evaporación de metales, entre otras). La técnica electroquímica se utiliza no solamente para la obtención de los compuestos de fullerenos, sino también para la evaluación a fondo de las propiedades de éstos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Debido a las limitantes de espacio de este manuscrito, sólo los resultados principales de cada técnica sintética reportada han sido presentados en esta breve revisión bibliográfica. Para aquellos interesados en obtener mayor información acerca de la química organometálica de los fullerenos, se recomiendan excelentes artículos de revisión, publicados recientemente en la revista Chemical Reviews, así como en otras revistas internacionales. CONCLUSIONES El número creciente de publicaciones en el área de compuestos entre los fullerenos y metales de transición, así como en áreas relacionadas a este nuevo alótropo del carbono, como el estudio de los nanotubos de carbono, muestra claramente que en menos de dos décadas los fullerenos C n han llegado a ser objeto de mucha atención para investigadores que trabajan en nuevos materiales y en la síntesis de nuevos compuestos químicos. El fullereno más sencillo, C60 , ya no se considera un ligando exótico, sino que es actualmente un ligando “regular” en la química de metalo-complejos. Una búsqueda exhaustiva para encontrar nuevas aplicaciones útiles, en particular como catalizadores en varios procesos químicos, está en proceso en laboratorios alrededor del mundo. Se espera que los fullerenos lleguen a establecerse como uno de los modelos principales en el estudio de procesos nanotecnológicos. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Prof. Alan L. Balch (Universidad de California, USA) por el permiso de reproducir fórmulas estructurales, difundidas en sus publicaciones. REFERENCIAS 1. Kroto, H.W.; Health, J.R.; O´Brien, S.C.; Curl, R.F.; Smalley, R.E. Nature (1985), 318, 162. 2. Balch, A.L.; Olmstead M.M. Chem. Rev. (1998), 98, 2123-2165. 3. Olmstead, M.M.; Hon Man Lee; Stevenson, S.; Dorn, H.C.; Balch, A.L. Chem. Commun. (2002), 2688–2689. 53 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. 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(2000), 122(49), 12220-12226. 55 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica Parte III Oscar Mauricio Barajas Pinzón Calle 155 No. 28-A-1º Interior Apto. 404 Bogotá, D.C., Colombia. oscar@impsat.net.co www.oscarbarajas.com LA ERA ESPACIAL A principios de siglo XX, el maestro de escuela ruso Konstantin Eduardovisch Tsiolkovski (1857–1935) era considerado como un excéntrico cuyas teorías apenas tenían relación con la realidad. Sin embargo, la era espacial había nacido en la humilde morada que habitaba ese maestro, por lo que fue llamado el “padre de la astronáutica”. Aunque jamás lanzó un cohete, las contribuciones de Tsiolkovsky a la ciencia de la navegación espacial fueron inconmesurables. Ya en 1883 expuso los principios que permiten el desplazamiento de un cohete en el vacío, y en “Sueños de la Tierra y el Cielo”, publicado en Moscú en 1895, enunció las posibilidades de un satélite espacial. Más tarde, en 1903, comenzó a publicar por capítulos su libro “Exploración del espacio interplanetario mediante aparatos a reacción” que sentó la teoría del vuelo de los cohetes y las perspectivas de la navegación espacial. La contribución principal de Tsiolkovski consistió en recomendar la utilización de propulsores líquidos, que además de permitir prestaciones mejores que los sólidos, podrían controlarse con mayor facilidad tras la ignición. Ello resalta el elevado nivel de las ideas de Tsiolkovski; no obstante sus cuadernos de notas y obras impresas fueron completadas más adelante con nuevos conceptos que, de una u otra forma, se plasmarían en realizaciones técnicas prácticas. Consideró la posibilidad de controlar el vuelo de los cohetes en el exterior de la atmósfera mediante aletas situadas tras la tobera, o mediante la inclinación de la propia tobera. Apuntó la posibilidad de emplear combustibles de distintos tipos, como gasolina, queroseno, alcohol y metano; ideó diversos métodos para regular el flujo de los propulsores de la cámara de combustión, con la utilización de válvulas mezcladoras y recomendó la refrigeración de la cámara de combustión y de la tobera mediante el paso de uno de los líquidos a través de una camisa de doble pared. En sus primeros diseños de cabinas para naves espaciales tuvo presente las necesidades de los organismos vivientes, e incluyó dispositivos para absorber el dióxido de carbono y los olores; por otra parte, reconoció la importancia de que la tripulación se mantuviera en posición tendida, con la espalda apoyada sobre los motores, durante los momentos de aceleración. El problema de la aceleración en el vuelo en cohetes le preocupó de tal modo que incluso recomendó la inmersión de los pasajeros en un líquido de densidad igual a la del cuerpo humano. Propuso también la construcción de naves espaciales de doble pared, 56 Tsiolkovsky En los números 19 y 20 de INGENIERÍAS se publicaron las partes I y II de este artículo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón para conseguir protección suficiente frente al calentamiento y enfriamiento excesivos, y como medida de precaución ante la posibilidad de que un meteorito atravesara la pared exterior de la aeronave. Por otra parte, Tsiolkovski aconsejó aprovechar el oxígeno líquido de los depósitos de combustible para suministrar oxígeno gaseoso a la cabina presurizada, y también predijo que un hombre protegido por un traje espacial y sujeto por una especie de cadena podría salir al exterior de la nave y permanecer en el vacío. El precursor ruso consideró asimismo que podría aprovecharse el efecto giroscópico para estabilizar los cohetes en vuelo, y recomendó la utilización de cohetes de varias etapas o múltiples (que llamó “trenes de cohetes”), de modo que cada etapa se desprendiera del conjunto a medida que su combustible se agotara, como único medio para alcanzar la velocidad necesaria para el vuelo espacial. Tsiolkovski anticipó el desarrollo de estaciones espaciales y describió el traslado al espacio de componentes plegados para su posterior despliegue y montaje; asimismo predijo que llegaría el momento en que se contruirían estaciones espaciales en las cuales el oxígeno y la alimentación necesaria para los seres humanos se obtendría de la vegetación cultivada en las propias estaciones. En su escrito “El avión cohete” (1930) Tsiolkovski analizaba las ventajas e inconvenientes de los aviones cohete en relación con los propulsados a hélice para el vuelo de gran velocidad en la alta atmósfera. En 1909 el norteamericano Dr. Robert H. Goddard acometió una amplia investigación teórica sobre la dinámica de cohetes. Tres años después midió el empuje de un cohete de combustible sólido encendido en el interior de una cámara de vacío, con lo que probó la posibilidad de que los cohetes funcionaran en el espacio exterior. De este modo se abandonó definitivamente la creencia, hasta entonces muy arraigada, de que los Goddard en el lanzamiencohetes únicamente to de su primer cohete. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 podían funcionar en la atmósfera. Los trabajos posteriores del Dr. Goddard se orientaron al diseño de un cohete sonda práctico que permitiera obtener datos de las capas superiores de la atmósfera fuera del alcance de los aviones y globos sonda. Como Tsiolkovski, reconoció además las enormes posibilidades de los cohetes de combustible líquido. Su determinación le valdría un lugar imperecedero en la historia: el 16 de marzo de 1926 consiguió lanzar, en Auburn (Massachussets), el primer cohete de combustible líquido del mundo. Esta proeza fue superada, por un escaso margen, por el alemán Johannes Winkler, que el 21 de febrero de 1931 lanzó un cohete cerca de Dessau; estaba propulsado por metano y oxígeno líquidos. Aunque en esa ocasión apenas superó los 3 m de altura, tres semanas después alcanzó una altura de 90 Johannes Winkler. m, tras ser equipado con estabilizadores. El inventor alemán Max Valier, tras experimentar cohetes de combustible sólido en automóviles, trineos y vehículos en carriles, interesó en sus investigaciones al Dr. Paul Heylandt, dueño de una fábrica de gases industriales, que fabricaba oxígeno líquido. Aunque Valier no recibía un salario, fue autorizado a emplear un máximo de 6000 marcos en la construcción y experimentación de cohetes en dicha fábrica; no obstante, por razones de seguridad los ensayos únicamente tenían lugar de noche y en los fines de semana. Con la ayuda de Walter Riedel, uno de los ingenieros de la firma, Valier construyó y ensayó un pequeño motor con envoltura de Max Valier acero. 57 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón Valier creía que el camino hacia los viajes espaciales pasaría por una evolución gradual del automóvil cohete al avión cohete y luego a la nave espacial. Ello explica que Valier no se convirtiera en el primer europeo en lanzar un cohete de combustible líquido en vuelo libre. Se había propuesto ensayar sus cohetes en vehículos tripulados. Hermann Oberth , el inspirador de los trabajos alemanes sobre cohetes, era profesor de física y matemáticas. Nació en 1894 en Transilvania, actualmente integrada en Rumania. En 1923 publicó un reducido volumen titulado “Die Ratete zu den Planetraumen” (“ El cohete en el espacio interplanetario”), en el que además de sentar las bases del funcionamiento de los cohetes en el vacío afirmaba que, si se dispusiera de empuje suficiente, podrían fabricarse cohetes capaces de dar la vuelta a la Tierra. Oberth experimentó diversas combinaciones de propulsores. Quizá más Hermann Oberth significativo sea el hecho de que describiera con cierto detalle la forma de un cohete (el modelo B) que creía capaz de explorar las capas altas de la atmósfera. Aunque nunca se construyó, el modelo B excitó la imaginación de otros adelantados, y en 1927 se formó un grupo de entusiastas conocido como “Verein Fur Raumschiffahert e. V.” Sociedad para la Navegación Espacial. La primera reunión tuvo lugar en una cervecería de Breslau y conduciría al desarrollo de técnicas que habrían de estremecer al mundo (pues la sociedad había de convertirse en la cuna de científicos que atravesaron por primera vez las fronteras del espacio). Entre los primeros miembros se encontraban Johannes Winkler, Max Valier, Willy Ley, Hermann Oberth, Rudolf Nebel, Walter Hohmann, Guido Von Pirquet, Eugen Sanger, Franz von Hoefft, Kurt Hainish, Klaus Riedel, Rolf Engel y Wernher von Braun quien ingresó en ella en 1930, a la edad de 18 años. 58 Hitler, que había llegado al poder de Alemania en 1933, comenzaba a extender su influencia, y las fuerzas armadas vieron sus presupuestos engrosados. La Luftwaffe estaba interesada en instalar motores cohete en sus aviones, y el ejército en Wernher von Braun sus cohetes balísticos como medio para ampliar el alcance de la artillería convencional. Así pues, se decidió establecer un centro de investigaciones de cohetes en las proximidades de la localidad de Peenemunde, en la costa alemana del Báltico, donde podían lanzarse con seguridad a distancias superiores a los 300 Km. El enorme centro, cuya construcción se prolongó durante dos años, contaba con instalaciones de ensayo y laboratorios perfectamente equipados, que poco tiempo atrás sus ocupantes no podían ni soñar. Von Braun reclutó a parte de los entusiastas que habían colaborado en los cohetes Mirak y Repulsor en el Raketenflugplatz. Fue en Peenemunde donde se completó el diseño del Cohete A-5 cuyos lanzamientos tuvieron lugar, sin sistemas de guiado, en 1938. El primer vuelo con control giroscópico completo tuvo lugar en el otoño de 1939 (al comienzo de la Segunda Guerra Mundial). Allí se probarían también los cohetes A-4, los cuales evolucionarían hacia los Cohetes V-1 y V-2, con los cuales se bombardeó Londres durante el conflicto bélico mundial. Cohete V-2 en vuelo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón También los soviéticos progresaban en el dominio de la cohetería. El 17 de agosto de 1933 se lanzaba en Moscú el GIRD 09, que empleaba como propulsores oxígeno líquido y gasolina gelatinizada, y alcanzó una altura de unos 400 m. El GIRD X, primer cohete soviético de combustible enteramente líquido, alcanzó casi 80 m el 25 de noviembre Grid 09 de 1933. Debe señalarse que Goddard en Estados Unidos, a pesar de trabajar con fondos mucho más limitados, alcanzó también logros con cohetes girocontrolados, y resulta interesante comparar los progresos durante este periodo. El Ingeniero Norteamericano instaló en 1932 un giróscopo de 10,2 cm en un cohete, con su eje de giro en el eje longitudinal del segundo. El eje de giro del giróscopo permanecía vertical, y cuando el ingenio se desviaba 13 grados de la vertical se cerraban contactos eléctricos que desencadenaban una acción rectificadora: una de las cuatro aletas aerodinámicas se abría, y simultáneamente se interponía en el chorro de gases una de las cuatro aletas deflectoras. Aunque el primer lanzamiento, el 19 de abril de 1932, fracasó por la pérdida de empuje del motor, y, se alcanzó tan solo una altura de 40m aproximadamente, bastó para observar el efecto estabilizador del giróscopo. Cuando el equipo llegó al lugar en donde había caído el equipo, observó que los deflectores estaban intactos, indicio de que habían funcionado. Goddard junto a uno de sus cohetes experimentales. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 En los años siguientes Goddard realizó nuevos progresos con los estabilizadores automáticos. Uno de sus cohetes, lanzado el 8 de marzo de 1935, contaba con un sencillo péndulo en lugar del giróscopo, que emitía señales correctas cuando el cohete se desviaba más de 10 grados de la vertical. Este cohete alcanzó una velocidad de 700 millas por hora y cayó a 9000 pies de la torre de lanzamiento. Este precursor norteamericano de la cohetería llegó aún más lejos. En el verano de 1937 lanzó con éxito un cohete en el que el control se efectuaba mediante una junta universal, y que alcanzó una altitud de 626 m, aunque el vuelo se malogró por la apertura prematura del paracaídas. Su longitud era de 5.6 m y contaba con una pieza de cola móvil, depósitos de combustible sujetos mediante alambres y un barógrafo a bordo. A fines de la Segunda Guerra Mundial, los aviones polimotores alcanzaban un techo de tan solo 10 Km, y los globos sonda científicos eran capaces de elevarse, en el mejor de los casos, únicamente a 32 km (en 1952 y posteriormente durante el Año Geofísico Internacional, se lanzaron en Estados Unidos cohetes sonda con instrumentos desde una altitud de 30 km, a la que fueron elevados los globos; estos ingenios conocidos como rockoons, trasladaron cargas de 9 kg a altitudes del orden de 100 km). Al finalizar la guerra, los Estados Unidos y la Unión Soviética contaban ya con los medios necesarios para penetrar las capas superiores de la atmósfera y trasladar a ellas cargas de equipos científicos considerables. Naturalmente se trataba del cohete V-2. En los últimos años de la guerra los alemanes habían trazado planes para emplear el V-2 con esos fines. El Instituto de Investigación de Física Estratosférica había desarrollado y ensayado instrumentos de medidas especiales para registrar el espectro ultravioleta del sol, las presiones atmosféricas y las temperaturas a diversas altitudes, el flujo de radiación cósmica y de otros tipos, y también un dispositivo para recoger muestras de aire. Se lanzaron dos misiles sin instrumentos para verificar las características de vuelo en tales misiones. No obstante, las exigencias bélicas en las postrimerías de la guerra determinaron la suspensión de este programa planeado para el V-2. 59 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón Con el fin de la guerra, los cohetes V-2 existentes y los componentes cayeron en manos de norteamericanos, soviéticos, franceses y británicos. Los primeros, y en menor medida los segundos, acometieron amplios programas para aprovechar el armamento capturado y alcanzar los objetivos que se habían trazado los alemanes: la investigación científica de la alta atmósfera mediante cohetes capaces de alcanzar grandes altitudes. En el otoño de 1945 se habían embarcado en Alemania, con destino a los Estados Unidos, componentes para la fabricación de más de 100 V2, que debían montarse y lanzarse en el nuevo campo de pruebas de White Sands, en Nuevo México. La finalidad primordial de estos misiles consistía en recoger datos sobre el entorno físico y las radiaciones de alta atmósfera, y en adiestrar a los norteamericanos, civiles y militares, en el montaje, comprobaciones y lanzamiento de cohetes de grandes proporciones. La familia de cohetes sonda engendrada por el V-2 de la Segunda Guerra Mundial fue la antecesora de proyectiles mucho más potentes, capaces de atravesar las fronteras del espacio y enviar robots de exploración. El año Geofísico Internacional vio nacer, además, un medio para estudiar el espacio fuera del alcance de los cohetes sonda y sus capacidades de carga. Se trata del satélite científico, capaz de orbitar a altitudes en las cuales la colisión con las escasísimas moléculas de aire produce una resistencia despreciable. Tales observatorios científicos podrían permanecer en órbita durante años, con la única limitación de la vida operativa de los instrumentos científicos, de sus sistemas de telemetría y del suministro de energía. El concepto de satélite artificial se había considerado en Estados Unidos años atrás. En 1945 el Bureau of Aeronautics (administración de la aviación naval norteamericana) emprendió el estudio de un artefacto de este tipo con la finalidad de situar instrumentos científicos en el espacio. Un año más tarde la USAAF estudió un informe análogo elaborado por la Douglas Aircraft Company. Este documento contenía el diseño preliminar de una “nave espacial circunterrestre experimental”. Ya el 4 de octubre de 1951 M.K. Tijonrakov, uno de los principales diseñadores de cohetes soviéticos, 60 afirmaba que la tecnología de su país estaba a la par con los Estados Unidos, y que era capaz de situar un satélite artificial en órbita alrededor de la Tierra. En el transcurso de la conferencia mundial para la paz que se celebraba en Viena, el 27 de noviembre de 1953 Alexander N. Nesmeianov, de la Academia de ciencias de la URSS declaró “ La creación de un satélite artificial de la Tierra constituye una posibilidad real”. Posteriormente, durante una conferencia del comité especial para el Año Geofísico Internacional que tenía lugar en Barcelona, el 11 de Septiembre de 1956 un delegado soviético declaró que su país situaría en orbita un satélite artificial ese mismo año. El 4 de Octubre de 1957 los Estados Unidos y el mundo entero constataron con gran sorpresa que no se trataba de propaganda, sino de una realidad. La URSS acababa de situar en órbita el Sputnik1, el primer satélite artificial de la Tierra. Se trataba de un satélite esférico con un diámetro de 58 cm y un peso de 83.6 kg. Contenía instrumentos para medir la densidad y la temperatura a lo largo de toda su órbita, que oscilaba entre 227 y 941 km. Por otra parte recogió datos sobre la concentración de electrones en la ionósfera. El 3 de noviembre los Soviéticos lanzaron el Sputnik 2. La capacidad de carga de 508 kg comprendía la perrita Laika e instrumentos para estudiar los efectos de la ingravidez en su cuerpo. Por otra parte portaba también sensores para medir el entorno de radiaciones en el espacio. El Sputnik de la antigua URSS. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón Posteriormente los Estados Unidos lanzaron al espacio el Explorer 1, réplica norteamericana del Sputnik, un poco más pequeño y menos pesado. El valor científico del satélite radica en el descubrimiento de lo que luego se conocería como cinturones de Van Allen. Este episodio marcó uno de los hechos más interesantes de la Guerra Fría (y tal vez el verdadero legado de esa Guerra para la Humanidad), la Carrera Espacial entre los Estados Unidos y la Unión Soviética. Posteriormente se irían rompiendo marca por marca la salida del hombre al espacio y su llegada a la Luna, evento que divide la trascendencia tecnológica de la humanidad en dos, dando preponderancia a los desarrollos realizados por Estados Unidos a través de su agencia NASA. PROCESOS MODERNOS Y MATERIALES INTELIGENTES Históricamente, la mayoría de las aleaciones se preparaban mezclando los materiales fundidos. Más recientemente, la pulvimetalurgia ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión. El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo. Entre las aleaciones que pueden obtenerse por pulvimetalurgia están los cermets. Estas aleaciones de metal y carbono (carburos), boro (boruros), oxígeno (óxidos), silicio (siliciuros) y nitrógeno (nitruros) combinan las ventajas del compuesto cerámico, estabilidad y resistencia a las temperaturas elevadas y a la oxidación, con las ventajas del metal, ductilidad y resistencia a los golpes. Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 La plata fina, el oro de 14 quilates, el oro blanco y el platino iridiado son aleaciones de metales preciosos. La aleación antifricción, el latón, el bronce, el metal Dow, la plata alemana, el bronce de cañón, el monel, el peltre y la soldadura son aleaciones de metales menos preciosos. Debido a sus impurezas, el aluminio comercial es en realidad una aleación. Las aleaciones de mercurio con otros metales se llaman amalgamas MICROMÁQUINAS Y NANOTECNOLOGIA El 29 de diciembre de 1959, el físico estadounidense Richard Feynman dio una conferencia ante la American Physical Society titulada “Hay mucho sitio en lo más bajo”. En aquella conferencia, Feynman trató sobre los beneficios que supondría para la sociedad el que fuéramos capaces de manipular la materia y fabricar artefactos con una precisión de unos pocos átomos, lo que corresponde a una dimensión de 1 nm, aproximadamente. Feynman pronosticó correctamente, por ejemplo, el impacto que tendría la miniaturización sobre las capacidades de los ordenadores electrónicos; también predijo el desarrollo de los métodos que se emplean Richard Feynman en la actualidad para fabricar circuitos integrados, y la aparición de técnicas para trazar figuras extremadamente finas mediante haces de electrones. Incluso planteó la posibilidad de producir máquinas a escala molecular, que nos permitirían manipular moléculas. Cuarenta años después de aquella conferencia, los expertos que trabajan en el campo de la nanotecnología están empezando a poner en práctica algunas de las ideas propuestas originalmente por Feynman, y muchas más que no se previeron entonces. Para captar intuitivamente la longitud de un nanómetro, consideremos un cabello humano. Típicamente suele tener un espesor de unos 100 micrómetros (µm). Una bacteria normal es unas 100 veces más pequeña, con un diámetro de alrededor de 61 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón 1 µm. Un virus del resfriado común es aproximadamente 10 veces menor, con un tamaño de unos 100 nm. Una proteína típica de las que componen la envoltura de dicho virus tiene unos 10 nm de espesor. Una distancia de 1 nm equivale a unos 10 diámetros atómicos, y corresponde a las dimensiones de uno de los aminoácidos que componen esa proteína. Por tanto, puede verse que 1 nm supone una tolerancia dimensional extremadamente pequeña, pero ya hay varias tecnologías que están próximas a alcanzarla. El término ‘nanotecnología’ fue acuñado por Nomo Taniguchi en 1974 en relación con la fabricación de productos mediante métodos de mecanizado. Taniguchi mostró cómo la tendencia a aumentar la precisión de fabricación estaba llevando inexorablemente al punto en que, en el año 2000, las piezas fabricadas con un mecanizado “normal” tendrían una precisión de 1 µm, mientras que el mecanizado “de precisión” supondría una precisión de 10 nm y el “ultrapreciso” de hasta 1 nm. Sus predicciones demostraron en muchos casos ser correctas. Este tipo de nanotecnología forma parte de un grupo denominado a menudo ‘nanotecnologías de arriba abajo’, que se acercan a la precisión necesaria gradualmente, sobre todo mediante refinamientos de métodos de fabricación anteriores. En 1964, Gordon Moore, de la empresa estadounidense Fairchild Semiconductor Corporation, predijo que el número de transistores que se podrían fabricar en un chip se duplicaría cada año. La llamada ‘ley de Moore’ sigue cumpliéndose de forma aproximada, aunque en la actualidad el número se duplica cada dos o tres años. La última tecnología en chips comerciales, como el Pentium de Intel, tiene una anchura de línea de unos 300 nm, con aproximadamente 1,5 millones de transistores en cada chip. Algunos dispositivos especializados, como los chips de memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM), que pueden almacenar hasta 64 millones de bits de información, tienen más de 64 millones de transistores. En los primeros años del siglo XXI, las anchuras de línea mínimas de los chips comerciales deberían disminuir hasta 100 o 200 nm en componentes como los chips de DRAM, que podrían almacenar más de 1.000 millones de bits. 62 Algunos ejemplos de estos dispositivos, que se aproximan a la región de la nanotecnología, ya se han probado en el laboratorio. Y EL FUTURO... La problemática actual de la humanidad plantea grandes retos para la Ingeniería Mecánica. Por una parte, no existen procesos verdaderamente eficientes para tratamiento y manejo de agua potable, transporte de alimentos, manejo eficiente de energía eléctrica, hidráulica, eólica, térmica o generada por hidrocarburos. La Ingeniería Mecánica tenderá a asociarse con conceptos medioambientales y ecológicos para su desarrollo. La manipulación en las microestructuras de aleaciones producirá metales especiales, compuestos avanzados y materiales inteligentes que auto corrigen defectos, con grandes capacidades en resistencia mecánica, térmica y química. La corrosión se podrá manejar económicamente, y tal vez tienda a desaparecer. Se utilizarán nuevos combustibles, más económicos en su producción y menos contaminantes, lo que exige el desarrollo de motores adaptados para su uso. Las máquinas se asociarán más con el Ser Humano. El reemplazo de partes humanas como huesos por aleaciones especiales de Titanio, o cartílagos por mezcla de plástico y células vivas marcarán un hito en el desarrollo de la biomecánica. La exploración espacial seguirá a su ritmo, planteando más retos en cuanto al desarrollo de hábitats adecuados para la supervivencia de la humanidad en el espacio exterior. El uso seguro de la energía atómica y su masificación en todo el mundo será un hecho. La exploración y explotación del mar en todas sus dimensiones implica el desarrollo de artefactos y equipos capaces de trabajar sometidos a grandes presiones hidráulicas. El desarrollo de arcologías facilitará la construcción de colonias espaciales y submarinas. Nacerá la Industria de Gravedad Cero, la minería planetaria y de asteroides. Aprenderemos a manipular las estructuras atómicas de compuestos de diversos materiales para sacar de ellos el máximo provecho, hasta de la piedra misma. Tal vez volvamos al Sílex para transformarlo atómicamente y revelar su secreto, que fue el que nos sacó de las cavernas y nos impulsó al cielo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón BIBLIOGRAFÍA 1. Letis. Guía del Estudiante. 18a Edición 2000 2001. 2. Hancock, Graham. Las Huellas de los Dioses. Ediciones Grupo Zeta. Bilbao. 1998. 3. 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(81) 8865-2288 Fax: (81) 8865-2807 e-mail: mmolina@hylsamex.com.mx www.iss-mexico.org.mx Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 63 �ANFEI XXX Conferencia nacional de ingeniería: La eficiencia terminal en los programas de ingeniería Conclusiones y recomendaciones INTRODUCCIÓN El Comité Académico, después de analizar cada una de las ponencias que se presentaron, escuchar las exposiciones orales de las mismas, así como conocer los puntos de vista del auditorio sobre cada una de ellas, ha hecho una serie de reflexiones, que a manera de introducción de estas conclusiones se pueden resumir de la siguiente manera: La eficiencia terminal, este concepto final del proceso educativo, afecta económicamente a la sociedad y repercute en el seno de las familias, debido a la pérdida de oportunidades futuras de aquellos alumnos que no lograron terminar su carrera; por otro lado, señala fríamente a las instituciones educativas que se está fallando en dos de los tres conceptos medulares del Plan de Desarrollo Educativo Nacional: en la calidad y en la equidad. Sin embargo, todo proceso que no es eficiente es perfectible. ¿Qué hacer ahora que se tienen información y datos reales que antes sólo se intuían? ¿Qué hacer ahora que los datos muestran un fenómeno complejo, en el que aún no se ha llegado a un acuerdo de cómo medirlo? ¿Qué hacer ahora que cada día aumenta el compromiso de muchos directivos y docentes por encarar esta problemática? Es evidente que una buena eficiencia terminal proporciona en las Instituciones Educativas satisfacciones en el cumplimiento de su función so- cial, y en los alumnos, por el cumplimiento de su tarea de aprender. Sin duda alguna la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería tiene un reto aún mayor que el que representó hacer posible esta convocatoria, en la que se han escuchado valiosas sugerencias plasmadas en las originales ponencias. Para la ANFEI bien vale la pena asumir el reto y compromiso de convertirse en un vigilante continuo de la eficiencia terminal, parámetro de suma importancia en el proceso educativo. Pero se debe ir más allá del diagnóstico y del análisis que enseguida presenta. Como toda organización, la ANFEI debe proponer recomendaciones concretas que más adelante se comentan. CONCLUSIONES No hay un acuerdo en cuanto a la medición de la eficiencia terminal, lo que impide la realización de estudios comparativos y hacer generalizaciones de muchas de las conclusiones. Sin embargo, hay coincidencia, entre todos los ponentes, en el sentido La XXX Conferencia Nacional de Ingeniería, organizada por la Asociación Nacional de la Facultad y Escuelas de Ingeniería, se realizó del 18 al 20 de Junio de 2003, siendo la institución sede la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Chihuahua, en la ciudad de Chihuaha, México. 64 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �ANFEI XXX Conferencia nacional de ingeniería... Conclusiones y recomendaciones que el índice de eficiencia terminal refleja en cierta medida la calidad de los programas y las instituciones, ya que al analizar sus valores y comportamiento se está identificando una serie de evidencias directamente relacionadas con él, tales como rendimiento escolar, aprobación, reprobación, rezago, deserción, egreso y titulación. Se acepta como definición generalizada de la eficiencia terminal: “la proporción de estudiantes que concluyen un programa en determinado momento, frente al total de los que iniciaron un cierto número de años antes”. Esta definición requiere precisiones y acuerdos para que resulte de mayor utilidad. Sin embargo, según lo ha reportado la ANUIES en sus anuarios estadísticos para el área de ingeniería y tecnología tomando como base el primer ingreso del año 1996 y el egreso y la titulación del año 2001 se obtiene un índice de eficiencia de egreso del 61% y como índice de titulación del 39%. Para el conjunto de todas la áreas del conocimiento tomando como base el primer ingreso y los egresados y titulados en los mismos años los índices fueron 70% y 45% respectivamente. De acuerdo a las ponencias los principales factores que afectan la eficiencia terminal son: • Deficiente formación en los ciclos previos de estudio. • Falta de orientación educativa y falsas expectativas de lo que esperan de la ingeniería. • Limitaciones socioeconómicas y culturales de los estudiantes. • Distracción del estudio por necesidad de trabajar. • Falta de compromiso de algunos profesores sea por que ya no cambian, o por desconocimiento de la pedagogía y la didáctica. • Empleo de métodos de enseñanza obsoletos. • Rigidez excesiva en los planes de estudio. • Escasa vinculación entre teoría y práctica. • Inexistencia de programas integrales de apoyo a los estudiantes. • Falta de estímulos por la crisis de la profesión y la incertidumbre de su futuro. Existe un interés serio, comprometido y genuino por parte de los programas educativos de ingeniería; las acciones emprendidas y sus resultados en torno Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 al tema de la eficiencia terminal, constituyen un rico y variado mosaico de estrategias y acciones institucionales efectuadas, tendientes a mejorarla. Es un consenso generalizado el que las asignaturas correspondientes a las Ciencias Básicas son las que generan en mayor proporción el rezago, la deserción y como consecuencia, problemas en la eficiencia terminal. Se están llevando a cabo estrategias novedosas para mejorar la eficiencia terminal ya experimentadas en algunas instituciones, tales como la retroalimentación oportuna de deficiencias en la enseñanza, la búsqueda del mejoramiento de la acreditación de las asignaturas de matemáticas y la actualización y flexibilización de los marcos legales institucionales. La tesis como única opción para la titulación, está siendo cuestionada por la mayoría de los programas de ingeniería. Se vieron enriquecidos los trabajos novedosos expuestos en conferencias anteriores sobre la producción de apoyos o medios tecnológicos con base en la computadora; para hacer más amigable el aprendizaje, ofrecerles a los alumnos material digital de apoyo para sus clases, y para efectuar trabajos de clase desde su hogar utilizando la Internet. Las aportaciones presentadas sobre los índices, las metodologías y los modelos para evaluar la eficiencia terminal, constituyen un rico acervo que se ofreció a las instituciones de educación superior para utilizarlas en su propia autoevaluación. 65 �ANFEI XXX Conferencia nacional de ingeniería... Conclusiones y recomendaciones Existe una decidida voluntad por renovar, revisar, adecuar o crear planes de estudio que se abren decididamente a la flexibilidad y ofrecen a los alumnos nuevas y necesarias asignaturas, seminarios, talleres o actividades extracurriculares para contribuir a su formación integral en las facetas humana, social, artística, creativa e indagadora; también hay proyectos novedosos de programas que le brindan a éstos una vía amigable para conducirlo desde la licenciatura hasta el doctorado en tiempos adecuados, dando alternativas a través de salidas laterales. Se están llevando a cabo trabajos novedosos por parte de varias instituciones de educación superior en ingeniería, con los programas de educación media superior con objeto de buscar conjuntamente las causas y tomar acciones a fin de que los nuevos alumnos que reciben lleguen con mejores conocimientos, habilidades y actitudes para favorecer su ingreso, la aprobación en los primeros semestres, y como consecuencia, concluir exitosamente sus estudios. Ya se cuenta con medios que pretenden fortalecer y mejorar significativamente la eficiencia de los académicos por áreas del conocimiento; y múltiples acciones desarrolladas para coadyuvar a la formación integral de nuestros profesores, sobre todo para el mejoramiento de la práctica docente en lo concerniente a habilidades y actitudes en el aula; ya que las IES están concientes que su desarrollo depende también de los programas educativos de ingeniería. La orientación vocacional que se ofrece a los alumnos, debe ser oportuna, adecuada y pertinente desde el inicio o antes del bachillerato, y si es posible desde la primaria; por lo que se deben buscar mecanismos para fortalecerla. El nuevo paradigma educativo según el cual el profesor es una guía y facilitador de los aprendizajes significativos de los estudiantes va siendo ya una realidad en los programas de ingeniería. Sin embargo, todavía falta mucho por hacer para que sea una forma de aprendizaje consolidada en el las IES. El problema de la baja eficiencia terminal no sólo es atribuible a los alumnos, sino también a los profesores donde posiblemente sea mayor la responsabilidad. 66 RECOMENDACIONES Tomando como base este concentrado de aspectos derivados de los conceptos vertidos de las ponencias y las conferencias magistrales, se presentan las siguientes recomendaciones: Es importante precisar las distintas maneras de evaluar la eficiencia terminal de los programas de ingeniería. Por lo tanto, se recomienda que al presentar los índices se indique con claridad en qué forma se están definiendo. De no ser así, la eficiencia terminal resulta irrelevante o se presta a comparaciones injustas. La forma de definir la eficiencia terminal debe estar vinculada al uso que se pretenda dar al índice correspondiente. Para comparaciones de tipo general puede ser suficiente el empleo de indicadores gruesos; en cambio, puede ser necesario llegar a estudios por cohorte generacional si se pretende analizar, por ejemplo, el impacto de determinadas acciones emprendidas por las instituciones para mejorar los índices. Es conveniente que la ANFEI difunda las características de los distintos índices de eficiencia terminal que se están empleando, y que con el consenso de las instituciones recomiende algunos índices comunes que permitan hacer evaluaciones a lo largo del tiempo, comparaciones entre tipos de instituciones, con los índices de otras carreras y con los índices de otros países. Cada institución deberá seguir elaborando índices complementarios según sus propios requerimientos internos de evaluación. La ANFEI deberá apoyar a las escuelas de Ingeniería en el desarrollo de algoritmos y técnicas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �ANFEI XXX Conferencia nacional de ingeniería... Conclusiones y recomendaciones para hacer estudios de eficiencia terminal de acuerdo a las necesidades de cada una, apoyándose en los avances que han tenido algunas instituciones afiliadas. Con el objeto de contar en el futuro inmediato con programas integrales, que atiendan a los alumnos desde antes de su ingreso hasta después de su egreso y aseguren su permanencia, buen desempeño y desarrollo integral, se recomienda procurar el establecimiento de sistemas de seguimiento longitudinal de alumnos con bases de datos en las que se incorpore información individual que cubra desde antes del ingreso y hasta después del egreso de cada estudiante. ANFEI deberá coordinar el desarrollo de un sistema nacional de información reflexiva que pueda proporcionar la guía necesaria para analizar las características de los estudiantes desde que ingresan hasta que se gradúan, para obtener evidencia de que los que ingresan a las carreras de Ingeniería no solamente progresan hacia la culminación de sus estudios, sino que lo hacen dentro de un tiempo razonable. Es absolutamente imprescindible disponer de suficiente información cuantitativa y cualitativa sobre la eficiencia terminal de cada IES, para fundamentar políticas al respecto y estar en condiciones de implantar medidas que mejoren la situación prevaleciente. Los cursos remediales, propedéuticos, semestres cero o actividades de este género se han visto ampliamente favorecidos como medio para nivelar los Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 conocimientos antecedentes y, aunque hay evidencias de que son eficaces, no son eficientes para las instituciones; por lo cual se deberá tener siempre presente que no son la solución definitiva del problema, sino que deberán seguir haciéndose esfuerzos para garantizar que los estudiantes que ingresen a los programas de ingeniería, tengan una muy alta probabilidad de egresar con éxito. Las acciones relacionadas con las tutorías ofrecidas a los alumnos, deberán ser planeadas integralmente. Las escuelas de ingeniería están llevando a cabo distintas acciones para mejorar la calidad de sus procesos y así elevar la eficiencia terminal, es importante que la ANFEI haga un seguimiento puntual de estas acciones y su correspondiente eficacia. La rica variedad de los procesos y productos didácticos que están desarrollando los profesores para apoyar el trabajo docente y el aprendizaje significativo de los alumnos en el aula; deberá ser fomentada en los estudiantes para propiciar que construyan su propio proceso de aprendizaje. La eficiencia terminal, con toda su importancia, no debe desvincularse del contexto general de cada institución. Depende de muchos factores endógenos y exógenos, algunos de los cuales no pueden ser modificados por lo que las instituciones educativas hagan o dejen de hacer. La eficiencia terminal no debe verse como una cifra a incrementar a toda costa, sino como un indicador que permita mejorar la calidad de los servicios educativos y formar de manera eficiente a los ingenieros requeridos para el desarrollo del país. 67 �Enredándose Netiqueta Parte II. Listas de discusión y de noticias Fernando J. Elizondo Garza Catedrático e investigador de la FIME-UANL fjelizon@hotmail.com LISTAS DE DISCUSIÓN Y DE NOTICIAS Es común que científicos y tecnólogos busquen comunicarse con sus pares para discutir aspectos de su área de interés. Antiguamente esto se realizaba en los congresos y en las revistas, pero implicaba el tiempo entre los congresos o la periodicidad de las revistas. Actualmente mediante las listas de discusión vía Email es posible mantener un intercambio de ideas prácticamente diario. Estas listas si no son bien manejadas, o si no se cumplen con las normas de Netiqueta, pueden volverse un problema por crecer demasiado en cantidad de mensajes, trivialidad de los mismos o por actitudes desagradables y fuera de lugar de algunos de sus miembros. A continuación se mencionan algunos de los aspectos básicos de Netiqueta a considerar en las listas de discusión. Se decidió incluir algunas recomendaciones ya comentadas en la parte I, pero aplicables al tema de esta entrega, con el fin de darle unidad. Darse de alta o baja Para subscribirse o anular una suscripción a una lista de interés, no envíe un mensaje a la dirección de Nota del editor: La primera parte de este artículo se publicó en el No. 20 de INGENIERÍAS. 68 la lista, sino a la dirección administrativa de la lista, de lo contrario, su solicitud llegará a todos los miembros, pudiendo causar molestias (piense que los mensajes a las listas son multiplicados tantas veces como personas inscritas hay en la misma, causando un aumento totalmente innecesario de tráfico en la Red). Antes de participar Algunas listas están moderadas, es decir, existe una persona que lee cada mensaje destinado a la lista y decide si lo deja pasar o no. Antes de escribir, obtenga y lea las reglas de moderación de la lista, y evite inconvenientes. Lea durante varios días la lista antes de escribir por primera vez. Las listas pueden poseer una FAQ (Frequently Asked Questions, preguntas más frecuentes), que contiene una descripción de los temas a tratar en la lista y sus respuestas más frecuentes. Es una buena idea leer la FAQ antes de escribir. No se salga de tema Envíe mensajes siempre dentro del tema que trata la lista. Generalmente queda totalmente prohibida la difusión de información que no esté relacionada con los objetivos de la lista de discusión. Los administradores se reservan el derecho de cancelar la suscripción de cualquier miembro en el caso que haya una violación grave de las reglas básicas de cortesía o de “Netiqueta”. Una lista de discusión no es una herramienta promocional, por lo que está prohibido el envío de información publicitaria sin el consentimiento de los moderadores de la lista. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Enredándose: Netiqueta. Parte II. Las listas de discusión y de noticias / Fernando J. Elizondo Garza Si desea responder a un mensaje, pero se trata de un respuesta privada, envíe un e-mail a l destinatario en lugar de a la lista completa. Normas generales de discusión Se recomienda que cada nuevo participante se dé a conocer ante los otros miembros de la lista por medio de una presentación concisa. La emotividad es una parte importante de cada debate, y cada persona tiene su propio estilo de redactar y presentar sus ideas, pero hay que ser cuidadoso con el humor, el sarcasmo y otro tipo de lenguaje que pueda ofender a otros miembros participantes de la lista. Cada miembro debe identificarse claramente (nombre, apellido, título profesional, país de origen) cada vez que envía un mensaje a la lista. Normalmente, su programa de correo electrónico le permite usar una firma automatizada al final de cada mensaje. Las firmas no deben sobrepasar las 4 líneas de longitud. Además del contenido, cuide su ortografía, es una manera de conservar el nivel profesional de la lista de discusión. Si usted usa ideas, comentarios o cualquier material que no es suyo, por favor indique la fuente y la procedencia. Cuidado con la utilización de siglas y abreviaturas. Por favor tenga la amabilidad de explicar su significado (no es necesario repetir los nombres completos cada vez; sólo es necesario escribir el significado la primera vez). Cuidado con la utilización de mayúsculas. En el Internet, ESCRIBIR EN MAYÚSCULAS significa gritar y debe usarse con mucha precaución. Cuidado con la utilización de signos que representan emociones, pueden malinterpretarse si no se han definido con anterioridad. Las siglas más comunes y aceptadas son las siguientes: :-) es una sonrisa (vista de lado); de la misma manera, :-( es un puchero, ;-) es un guiño de ojo, :-0 es una cara sorprendida, etc. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Enviando mensajes a la lista de discusión Una de las reglas básicas de discusión en el Internet es decir algo interesante lo más pronto posible. No olvide que en este medio de comunicación, los lectores pueden fácil y rápidamente borrar su mensaje y pasar a otro. Así que, cada vez que envíe un mensaje a la lista: • Use títulos descriptivos en la cabecera del mensaje (“Subject”/Asunto). Esto le servirá de indicación a los miembros sobre el contenido de cada mensaje enviado. En otras palabras, como lector, usted va a poder elegir qué mensaje leer y cuál borrar sin necesidad de abrir individualmente todos los mensajes recibidos diariamente. • Sea breve de manera que mantenga la atención de su lector. En otras palabras, evite escribir largos párrafos o largos mensajes. Estos foros de discusión no son un lugar apropiado para publicar ensayos personales, tesis, y documentos completos. Si usted desea compartir alguna información más o menos densa y larga, envíe un resumen a la lista (por ejemplo, los resultados de un estudio científico) y ofrezca a los miembros la posibilidad de enviarles el texto completo. • No agregue documentos adjuntos (‘Attachments’) a su mensaje, a menos que lo permita la lista y sean imprescindibles. No anexe imágenes o fichas de cualquier tipo cuando envíe un mensaje a una lista de discusión. En el caso de que ésta sea su intención es mejor describir el material, ponerlo a 69 �Enredándose: Netiqueta. Parte II. Las listas de discusión y de noticias / Fernando J. Elizondo Garza disposición de los miembros de la lista y enviarlo individualmente a los interesados. Desde el punto de vista técnico y lingüístico hay que prestar atención a los siguientes puntos: • Respetar el idioma oficial del grupo. • Trate de no escribir líneas que contengan más de 80 caracteres, puesto que algunas personas que usen otros programas podrían tener problemas para leerlas. • En lo posible no use caracteres ASCII mayores a 127. Es decir, no use acentos, ni eñes, ni símbolos raros que no estén directamente en el teclado, ya que en el camino que recorre su mensaje pueden ser mal “traducidos” por otra computadora y transformarse en otro tipo de símbolos. • No envíe datos privados (como la dirección), salvo que fuera necesaria su difusión. Contestando mensajes de la lista de discusión No cambie nunca el asunto (‘Subject’) del mensaje al cual está contestando, de manera que se pueda mantener una lógica de discusión fácil de entender para todos los miembros. En la cabecera del mensaje, deberían normalmente aparecer las letras “RE” (de ‘Reply’) seguido del título del mensaje original. Por ejemplo, si usted está contestando a un mensaje sobre “sustitución de freon 12”, el asunto de su mensaje debería decir “RE: Sustitución de Freon 12”. No incluya el mensaje original (eso es, el mensaje al cual usted está contestando), ya que si todos los miembros repiten los mensajes anteriores al contestar (quoting), el tamaño de cada respuesta consecutiva a un mensaje sobre un tema preciso va a crecer y crecer. Si es necesario, solo repita algunas líneas sin las cuales sería difícil para un lector poner su mensaje en contexto. Por ejemplo, es recomendable repetir la pregunta a la cual usted está contestando. Las listas son técnicamente administrada por un programa automatizado, el cual redistribuye a todos los miembros los mensajes enviados a una lista de discusión. Así que es posible que algunas veces se pierda la lógica secuencial de las respuestas a un mensaje. Por ejemplo, es posible que usted reciba varias respuestas similares a una pregunta, o que reciba una respuesta a una pregunta que ya ha sido respondida. En ese sentido, lea todo los mensajes relativos a un tema particular antes de contestar. Frecuentemente, las preguntas sencillas son respondidas con bastante rapidez. Una lista de discusión es un foro público, así es que hay que evitar discusiones de tipo ‘uno a uno’, al menos en casos excepcionales en que el diálogo sea de interés general. Si su respuesta es personal, por favor envíe su mensaje a la dirección electrónica personal del individuo en cuestión. Es una costumbre de cortesía en listas como ésta de agradecer personalmente o de forma pública (en el caso que uno reciba muchas respuestas) a la lista a las personas que respondieron a una pregunta. En la medida de lo posible, si la respuesta fuera de índole privada responder los mensajes vía e-mail. COMENTARIOS FINALES Puede observarse de los listados anteriores que las reglas de Netiqueta se centran en varias líneas principales: • Evitar malos entendidos • Evitar pérdidas de tiempo • Optimizar los recursos computacionales • Ser éticos • Estar en contexto Cuando trabajamos en Internet es primordial nunca olvidar: • Que hay humanos más allá de la pantalla. 70 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Enredándose: Netiqueta. Parte II. Las listas de discusión y de noticias / Fernando J. Elizondo Garza • Y por supuesto no hacer a los demás lo que no deseamos para nosotros. Para los que usamos las opciones de comunicación que ofrece Internet como una herramienta de trabajo, las reglas de Netiqueta resultan de gran utilidad y hacen la comunicación ingenieril más eficiente y agradable. BIBLIOGRAFÍA 1. Victoria Shea. Netiquette, 1994, ISBN: 0-96370251-3. 2. Victoria Shea. 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Mauro Suárez Gerente de tecnología, Vitromex Octubre 22 “Los ingenieros en materiales, ¿Somos importantes? ¿Tú qué piensas...?” Dr. Alberto Pecina Moreno Profesor investigador jubilado del Instituto Tecnológico de Saltillo Octubre 22 “Nanomateriales” Dr. Moisés Hinojosa Profesor investigador FIME-UANL Noviembre 19 “Educación y sociedad” Dr. Luis Córdova Alvelais Profesor, Facultad de Medicina, Universidad Autónoma de Coahuila Para más información Dr. Efraín Almanza Casas Jefe del Dpto. de Metal-mecánica e-mail: almanza@fenix.its.mx Tel. y fax: 01 (844) 4389-537 y 01 (844) 4389-515 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 71 �Eventos y reconocimientos I. XXX CONFERENCIA NACIONAL DE INGENIERÍA En la Cd. de chihuahua, Chihuahua, del 18 al 20 de Junio de 2003, en las instalaciones de la Universidad Autónoma de Chihuahua, que fungió como institución sede, se realizó la XXX Conferencia Nacional de Ingeniería organizada por la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería (ANFEI). El tema central de este evento fue “la eficiencia terminal en los programas de ingeniería” sobre el que se presentaron un total de 48 ponencias divididas en seis áreas: Cursos, aulas (número de alumnos por aula, tipos de aulas, aulas interactivas, etc); Índices (reprobación, materias, tutorías, asesorías), Generales Dr. Guillermo Fernández de la Garza, Presidente de la Asociación de Ingenieros Universitarios Mecánicos y Electricistas, recibe de manos del director de la FIME MEC Rogelio Garza Rivera un diploma por la conferencia magistral “la eficiencia terminal en su concepción integral. 72 (apoyo psicopedagógico, número de horas destinadas a materias básicas, etc.) Estrategias (qué se puede hacer para mejora de la educación) y Posgrado (titulación por posgrado). Al congreso asistieron más de 350 académicos y profesionales de la ingeniería pertenecientes a 192 instituciones de educación superior afiliadas a la ANFEI. Durante el evento también se llevó a cabo la Asamblea General Ordinaria de la ANFEI, en la que se analizó el ingreso de nuevas instituciones de educación superior a la Asociación y se definió la Bernando Fontana de la Cruz de la UNAM y Reyes Guadalupe Encinas Montoya del Tecnológico de Agua Prieta quienes participaron como conferencistas en la XXX Conferencia Nacional de Ingeniería Alumnos que se hicieron merecedores al Reconocimiento como Mejores Egresados de Ingenieria 2002 otorgado por la ANFEI. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Eventos y reconocimientos sede para la próxima Conferencia Nacional. Durante la Conferencia se entregaron reconocimientos a los mejores egresados de ingeniería en el 2002, además del Reconocimiento al Mérito Académico. II. RECONOCIMIENTO AL MÉRITO ACADÉMICO ANFEI 2003 Con el propósito de distinguir a aquellos académicos que están siendo actores para el logro de la excelencia académica, la ANFEI entregó dentro de su XXX Conferencia Nacional de Ingeniería el Reconocimiento al Mérito Académico ANFEI 2003. Esta distincion se entrega en base a la decisión de un jurado calificador integrado por distinguidos académicos de reconocido prestigio nacional e internacional quienes evalúan las propuestas enviadas por las facultades de ingeniería de todo México. Los profesores galardonados este año fueron el Mtro. Manuel Reyes Cortés de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Chihuahua, el M.C. Fernando J. Elizondo Garza de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, el Dr. Jorge Welti Chanes de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de las Américas, Puebla y el Ing. Jacinto Viqueira Landa de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México. El M.C. Fernando J. Elizondo (Der.), acompañado por el director de la FIME M.E.C. Rogelio Garza Rivera, despues de recibir el Reconocimiento al Mérito Académico ANFEI 2003, durante la XXX Conferencia Nacional de Ingeniería, en la Cd. de Chihuahua. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 III. INAUGURACIÓN DE OFICINA DE MARCAS Y PATENTES EN LA UANL El viernes 29 de Agosto del 2003 se inauguró la Oficina de Marcas y Patentes del Centro de Transferencia de Tecnología de la UANL ubicada en el sexto piso de la Biblioteca Universitaria “Raúl Rangel Frías”. Lic. Mayra Núñez titular de la oficina Regional Norte del Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial junto con el Dr. Luis J. Galan Wong, Rector de la UANL y el Dr. Rodolfo Quintero del CTT de la UANL cortan el listón durante la inauguración de la Oficina de Marcas y Patentes de la UANL. Los objetivos de la Oficina de Marcas y Patentes son facilitar la vinculación de la Universidad con la sociedad y los medios de producción, difundir el desarrollo tecnológico para generar recursos y emplearlos en la investigación, promover la protección de proyectos científicos y proteger e impulsar los proyectos científicos. Esta oficina cuenta con personal especializado en el área de biotecnología, química e ingeniería. Su desempeño profesional se desarrolla en búsquedas tecnológicas, redacción de patentes y como consultores en el ámbito de la propiedad industrial. De igual forma se brindarán servicios en las áreas de marcas y derechos de autor de usuarios externos. Para mayor información puede comunicarse a: E-mail: ctt@r.uanl.mx Tel: 8329-4248 Fax: 8331-9128 73 �Eventos y reconocimientos IV. XII CONGRESO INTERNACIONAL DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES La semana del 17 al 21 de Agosto de 2003 se llevó a cabo, en Cancún, Q.R., México, el XII Congreso Internacional de Investigación en Materiales organizado por la Academia Mexicana de Ciencia de materiales. Los 23 simposia que formaron esta edición del congreso cubrieron tópicos como: materiales nanoestructurados y nanotecnología, biomateriales, aspectos ambientales en ciencia de materiales, procesamiento de cerámicos, materiales estructurales y otros. Participaron en el evento alrededor de 400 investigadores. Además se presentaron nueve conferencias plenarias, una mesa redonda sobre nanotecnología, se ofrecieron cursos sobre temas como “simulación mediante dinámica molecular” y “celdas de combustible”. En este importante evento científico nacional, investigadores de la FIME-UANL organizaron el simposio sobre “Procesamiento de Cerámicos”, además se presentaron un total de 11 trabajos por parte de estudiantes y profesores de FIME. Entre los trabajos presentados podemos mencionar: - R. Cabriales, V. González. Aldol condenzation as a new rute to syntetise novel lumniscent polymers. - P. Zambrano, J. Villalobos, P. Tapia, D. Ledezma. Characterization of surface roughness parameters to evaluate quality in machining. - E. Zavala, U. Ortiz, J. Hernández, O. Kharissova. Influence of fused silicon based substrates on the growth of carbon nanotubes by microwave heating. - N. de la Garza, M. Guerrero-Mata, R. Colás, R. Viramontes, C. Lizcano. Microstuctural and surface characterization of hot and cold rolled low carbon steels. - J. Niño, M. Hinojosa, V. González. Título: Microstructure and self-affine fracture surface parameters in a hypoeutectoid steel. - J. Aguilar, A. Pérez. Microwaves as an energy source for producing zeoiltes. 74 Algunos de los participantes del Simposio sobre procesamiento de cerámicos (Ceramics processing) organizado por la FIME-UANL. De izquierda a derecha: A. Belén Cabrera, M. Domínguez, G. Domínguez, C. Long, J. Aguilar (Chairman) y M. Hinojosa (Cochairman). - J. Sánchez, M. Hinojosa, V. González. Scaling properties of the fracture surface of a crystalline polymer. - L. Chávez, M. Hinojosa, V. González. Self-affine crack propagation in opal glass. - M. Castillo, M. Hinojosa, V. González. Self-affine rupture lines, mechanical properties and the structure of paper. - M. Rodríguez, U. Ortiz, O. Kharissova, J. Aguilar. Synthesis of boron carbide sol-gel precursor. - A. García-Loera. Thermoset / thermoplastic submicrometer morphologies obtained by a reaction phase separation. Una participante entusiasta (Gloria Domínguez) muestra una imagen del número 15 de la Revista Ingenierías al final del evento. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Junio-Julio 2003 José Eulalio Contreras de León, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Investigación sobre el efecto de la Hercynita en la microestructura y propiedades de una combinación refractaria base MgO-CaZrO3 ”, 5 de Junio de 2003. Jesús Alberto González Rodríguez, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Diseño de Productos, “Análisis de ruptura de parabrisas en el empaque y el transporte”, 06 de Junio de 2003. Jesús Alberto González Oliva, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Ahorro en costo de manufactura por la utilización de recubrimientos superficiales en brocas para operaciones de barrenado de fundición gris”, 09 de Junio de 2003. Ángeles Máyela Toledo Borrego, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Administración de tecnologías emergentes aplicado al comercio electrónico”, 30 de Junio de 2003. Fernando Morales Rendón, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de adhesibilidad entre una aleación de aluminio A319.0 y una camisa de aluminio base a i -si -cu -mg para aplicaciones automotrices”, 02 de Julio de 2003. Óscar Leonardo Hernández Espinosa, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Los sistemas de información como herramientas que ayudan a integrar información Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 del personal entre los departamentos de recursos humanos de una organización del ramo cervecero”, 07 de Julio de 2003. Verónica Medina Garza, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Pasado, presente y futuro de la biblioteca de la F.I.M.E.”, 09 de Julio de 2003. Gabriela Alfonso Morales, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Propuesta para mejorar los procesos administrativos en una institución educativa oficial de la ciudad de Monterrey, Nuevo León”, 14 de Julio de 2003. Miguel Ángel Cervantes Álvarez, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “La tutoría académica como una herramienta para mejorar la calidad en la educación superior”, 14 de Julio de 2003. José Adrián Mendoza Liñán, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Definición de estrategias fiscales con respecto al crédito al salario en una administración pública municipal”, 17 de Julio de 2003. Fernando Aranda Sánchez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Aspectos cinéticos y morfológicos en la cristalización del polipropileno isotactico (i-pp)”, 18 de Julio de 2003. Nelson Federico Garza Montes de Oca, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caraterización microestructural y superficial de aceros laminados en caliente y en frío”, 25 de Julio de 2003. 75 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Adanary Ponce Sánchez, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Factor de desarrollo en las organizaciones”, 28 de Julio de 2003. Ismael Uribe Méndez, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Aplicación de cultura organizacional y cultura de calidad en la preparatoria No. 23”, 29 de Julio de 2003. José Alberto Nieto Martínez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Soldabilidad de aceros HSLA termo galvanizados”, 30 de julio de 2003. El INSTITUTO MEXICANO DE ACÚSTICA Invita al 10º CONGRESO INTERNACIONAL MEXICANO DE ACÚSTICA 26, 27 y 28 de Noviembre de 2003 Puebla de los Ángeles, Puebla, México. Instituciones colaboradoras: Cenidet, Colegio de Ingenieros en Comunicaciones y Electrónica, Centro Nacional de Metrología, Instituto Politécnico Nacional, Tecnológico de Veracruz, Universidad Autónoma de Nuevo León, Universidad de Guadalajara, Universidad de Guanajuato, Universidad Tecnológica Vicente Pérez Rosales (Chile), Universidad de Buenos Aires (Argentina). Temáticas: Acústica Arquitectónica, Audio, Educación, Instrumentación, Música, Normalización, Ruido, Tópicos Generales y Vibraciones. INFORMACIÓN Comité Organizador: Instituto Mexicano de Acústica. Coordinador General M.C. Sergio Beristain; sberista@hotmail.com Dra. Rebeca de la Fuente García; rdfuente@avantel.net Apartado Postal 12-1022, Col. Narvarte 03001 México D. F. Tel. (01 55) 5682-2830, 5682-5525, Fax (01 55) 5523-4742. Región Norte: M.C. Fernando Elizondo Garza; fjelizon@hotmail.com Región Occidente: Dra. Martha G. Orozco M.; morozco@maiz.cucba.udg.mx 76 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Acuse de recibo Revista de la SOMIM A través de la revista Ingeniería Mecánica, Tecnología y Desarrollo, la Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica, A.C. , SOMIM, difunde los resultados de investigación y desarrollo tecnológico originales generados en universidades, centros de investigación y en la industria. Esta publicación arbitrada presenta semestralmente material de las diferentes áreas de la mecánica. En su número de mayo de 2003, en lo relativo a formato, presenta un nuevo diseño y estructura. En cuanto a artículos se incluye, entre otros, una propuesta de R. Chicurel y A. González de un sistema de recuperación de energía de frenado para un vehículo eléctrico, un estudio sobre intercambiadores para un ciclo Brayton irreversible realizado por G. Aragón et al. Con carácter de invitado se presenta un trabajo de J. Ángeles refente a un manipulador posicionador triaxial. La revista también incluye información de SOMIM, además de congresos. Para más información puede comunicarse con el Editor, el Dr. Francisco J. Solorio Ordaz, al teléfono (55) 5622-8101 o al e-mail: fjso@servidor.unam.mx (FJEG) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Revista EL ASHRAE JOURNAL La revista de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE, por sus siglas en inglés) publica mensualmente artículos sobre los temas que dan su nombre a la asociación, pero con un enfoque que atrae el interés general. Un ejemplo de esto son los artículos que aparecieron recientemente sobre un aspecto que concierne a todos; el ruido. En este caso se tomó como medio ambiente el salón de clases y las razones por las que los niños requieren silencio (Febrero 2003). En un número más reciente (Agosto de 2003) se comenta la utilidad de un estándar sobre requerimientos de ventilación para mantener la calidad del aire en recintos cerrados, mostrando un balance entre el diseño y el control que puede tener aplicaciones en otras áreas. En el último ejemplar (Septiembre 2003) se aborda nuevamente al ruido pero en este caso sobre las medidas que se pueden seguir para disminuirlo. Para mayor información consulte la revista en la siguiente dirección. http://www.ashrae.org (JAAG) 77 �Colaboradores Barajas Pinzón, Oscar Mauricio Ingeniero Mecánico y maestría en Automatización Industrial por la Universidad Nacional de Colombia en 1995 y 2001 respectivamente. Cursos especializados en Manejo de Catástrofes Naturales en Francia, Holanda, Bolivia, Ecuador, Perú, Cuba y Colombia. Trabajó en la Cruz Roja Colombiana de 1997 al 2001. Actualmente es Ingeniero Supervisor de Facilidades (depuración del petróleo) en la Occidental de Colombia. Bermúdez Tamarit Vicente R. Ingeniero Mecánico por el Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría en 1983. Doctorado en Ingeniería Industrial en la Universidad Politécnica de Valencia en 1995, donde actualmente es catedrático de tiempo completo. Sus líneas de investigación son: renovación de carga, combustión, emisiones contaminantes, técnicas experimentales. Tiene especialización en motores de combustión interna alternativos. Recibió el premio especial de investigación por el Ministerio de Educación Superior de Cuba en 1991. Bocîi, Liviu Sevastian Ingeniero Mecánico por el Instituto Politécnico “Traian Vuia” de Timisoara, Rumania. Doctor Ingeniero en Ciencias Técnicas, por la Universidad Politécnica de Timisoara. Fue Profesor Visitante en la Universidad del País Vasco/EHU, donde realizó especialización en el dominio de Relaciones Internacionales. Actualmente es Catedrático de la Universidad “Aurel Vlaicu” de Arad, en Rumania. Elizondo Garza, Fernando Javier Ingeniero Mecánico Electricista egresado de la FIMEUANL. Diplomado en Administración de Tecnología en el CINVESTAV del IPN. Maestría en Ingeniería Ambiental por la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. 78 Actualmente es catedrático y consultor de la FIME. Director de la revista Ingenierías. Flores Preciado, Juan F. Flores Ingeniero Mecánico con mención honorífica por la Universidad Autónoma de Baja California, México. Ha sido becario del Instituto de Ingeniería de la UABC y participa en el proyecto Iberoamericano TROPICORRCYTED sobre corrosión en la industria electrónica, coautor de un artículo internacional. Kharisov, Boris I. Estudió Radioquímica y Química Inorgánica en la Universidad Estatal de Moscú, Rusia, institución en la que obtuvo también su grado de doctor. Hasta 1989 trabajó en el Instituto de Tecnología Química en Moscú en el área de Radioquímica Aplicada. Desde 1994 labora en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Es autor de más de 25 artículos científicos publicados en revistas tanto del país como del extranjero. Martínez Martínez, Simón Ingeniero Mecánico egresado de la FIME-UANL, en el año de 1994. Realizó su maestría en Ingeniería Mecánica en la FIME-UANL en 1998. Actualmente realiza sus estudios de doctorado en Ingeniero Industrial en la Universidad Politécnica de Valencia. Méndez Ramírez, Ce Tochtli Ingeniero Civil por la Universidad Veracruzana, México, en 2001. Desde fines del 2001 trabaja con programas de análisis y diseño estructural, con los cuales ha elaborado proyectos estructurales en los puertos de Manzanillo, Colima y Veracruz, en México. Desde octubre de 2001 labora en la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Veracruzana, en Xalapa, como Técnico Académico de tiempo completo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Colaboradores Mendez-Rojas, Miguel Ángel Profesor del Departamento de Química y Biología e Investigador del Centro de Investigaciones QuímicoBiólogicas de la Universidad de las Américas-Puebla. Obtuvo su doctorado en Química (Ph.D.) en Texas Christian University, en el área de cristalografía de rayos X. Es Investigador Nacional Nivel 1, con 16 publicaciones internacionales arbitradas. Sus áreas de interés son la síntesis y caracterización de nuevos materiales para óptica no-lineal, electrosíntesis directa de compuestos inórganicos y el estudio de las interacciones metal-fármaco. Entusiasta divulgador, dirige el proyecto de divulgación científica ALEPHZERO. Morado Macías, César Licenciado en Filosofía y Maestro en Educación por la Facultad de Filosofía y Letras de la UANL, donde actualmente imparte cátedra. Coordinador del Archivo Histórico del Archivo General del Estado de Nuevo Léon. Autor de varios libros sobre historia regional del noreste mexicano. Doctorante en Ciencias Sociales por la Universidad de Guadalajara. Oller Martínez, Sergio Ingeniero Civil por la Universidad Nacional de Salta, Argentina, en 1979. Especialización en Análisis Estructural Avanzado en la Universidad de Roma, Italia, en 1983. Doctorado en Ingenieria Civil en la Universidad Politécnica de Cataluña, España, en 1988. Ha realizado numerosas publicaciones en prestigiosas revistas internacionales y congresos de la especialidad. Actualmente es Profesor de la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Politécnica de Cataluña y Profesor Visitante del Laboratorio de Estructuras de la Universidad Nacional de Tucumán. Palomo González, Miguel A. Profesor en la Jefatura de Ingeniería Industrial, en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León, tiene estudios de Doctorado en “Estrategia Internacional de la Empresa” (I.A.E., Grenoble, Francia) y especialidad en “Administración de Tecnología” (Battelle Memorial Institute, (Columbus, Ohio, E.U.A.). Ruiz Sibaja, Alejandro Ingeniero Civil por el Instituto Tecnológico de Tapachula, México, en 1987. Maestro en Ciencias con especialidad en Análisis Estructural en el Instituto Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Politécnico Nacional, México, en 1991. Master en Ingeniería Sísmica y Dinámica Estructural en la Universidad Politécnica de Cataluña, España, en 1997. Doctorado en Ingenieria Civil en la Universidad Politécnica de Cataluña, España, en 2001. Ha publicado en prestigiosas revistas internacionales y congresos de la especialidad. Actualmente es Profesor e Investigador de la Facultad de Ingenieria Civil de la Universidad Veracruzana. Schorr W. Miguel Licenciado en Química y Maestro en Ingeniería de Materiales por el Instituto Tecnológico de Israel. Su línea central de trabajo es el control de la corrosión en sistemas y ambientes industriales, y ha laborado en diversas universidades, instituciones de investigación y desarrollo, así como en empresas en México, Israel, Venezuela, Japón, Argentina, SudÁfrica, los Estados Unidos y Europa. Ha publicado 100 artículos. En los últimos años ha llevado a cabo estancias como profesor visitante en las Universidades del Mayab, de Baja California y de Campeche. Actualmente es asesor en el laboratorio de Materiales y Corrosión de la UABC. Es editor de la revista internacional “Corrosion Reviews”. Valdez Salas, Benjamín Ingeniero químico, maestro y doctor en química por la UAG donde fue investigador. Profesor-Investigador del Instituto de Ingeniería UABC, fundador/Coordinador de la Red Nacional de Corrosión. Ha publicado 35 artículos en revistas internacionales sobre corrosión, biodeterioro de materiales y medio ambiente, 55 artículos de divulgación en revistas y diarios, dos libros y capítulos en libro. Ha ganado premios nacionales en materiales y corrosión. Pertenece desde 1996 al SNI. Premio al mérito académico 1999 por la UABC en Ciencias e Ingeniería. Miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Asesor para la industria. Vázquez Martínez, Ernesto Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones en 1988, y Maestría y Doctorado en Ingeniería Eléctrica en 1991 y 1994 respectivamente, en la Universidad Autónoma de Nuevo León, México. Desde 1996 es Profesor Investigador del Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la UANL y es responsable del Laboratorio de Sistemas Eléctricos de Potencia y Protecciones. Es miembro del IEEE. Su área de investigación es la aplicación de técnicas de inteligencia artificial en sistemas eléctricos de potencia. 79 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2003 Volumen Volumen de la revista 6 Número Número de la revista 21 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2003, Vol 6, No 21, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2003 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020784 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores ANFEI Corrosión Gas-oil Ingeniería mecánica Metálicos de fullerenos Ruedas de ferrocarril https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20743/Ingenierias_2003_Vol_6_No_20_Julio-Septiembre.pdf 530afda7cedfe346250c26cc14c7aad8 PDF Text Text ���Editorial: Las ftalocianinas y la industria de pigmentos Boris I. Kharisov Facultad de Ciencias Químicas-UANL bkhariss@hotmail.com En la actualidad, una de las estrategias para reforzar el desarrollo económico de México se enfoca a incursionar en la producción de satisfactores de elevado contenido tecnológico y alto margen de utilidad. Resulta claro que la situación actual, caracterizada por la producción y exportación de bienes de baja tecnología y escaso margen de ganancia, es altamente desventajosa. Por eso es importante identificar áreas de oportunidad hacia donde se puedan concentrar las acciones de investigación, desarrollo e inversión. Una de tales áreas puede ser el campo de las ftalocianinas y la industria de pigmentos, en esta breve discusión me gustaría abordar algunos aspectos de estos compuestos con objeto de llamar la atención de la comunidad ingenieril nacional. La ftalocianina (Pc o PcH2 ), y sus derivados con varios grupos orgánicos e inorgánicos y numerosos complejos con casi todos los metales (PcM), pertenecen a una clase importante de macrociclos de color azul intenso que son muy estables térmicamente, químicamente, no son tóxicos o contaminantes y tienen diversas aplicaciones en la industria, principalmente en la producción de pigmentos. Ftalocianinas metálicas clásicas Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 3 �Editorial / Boris I. Kharisov La primera ftalocianina fue descubierta a principio de los años 30 del siglo pasado y actualmente el interés en estos compuestos no se ha perdido, al contrario, el número de patentes y artículos de investigación publicados aumenta cada año. La mayor parte de las patentes están dedicadas a la optimización de la producción de Pc y PcCu a partir de sus precursores más baratos: urea, anhídrido ftálico y ftalimida. Para mejorar las técnicas de síntesis tradicionales con uso de urea y anhídrido ftálico, se buscan y utilizan nuevos catalizadores y promotores (los clásicos son molibdato de amonio y tetrametilurea, respectivamente), solventes y sus mezclas, variando temperaturas, tiempos y otras variables de los procesos. Al mismo tiempo, se han reportado métodos poco comunes para esta área, tales como: calentamiento con microondas sin uso de solventes, tratamiento ultrasónico (que también se utiliza para cumplir el objetivo contradictorio - descolorizar y destruir el macrociclo), uso de la “electrosíntesis directa” (electrólisis con ánodos de sacrificio), uso de irradiación ultravioleta e incluso láser. Una serie de artículos tratan de la interacción entre las aleaciones metálicas y precursores de ftalocianina que se lleva a cabo más fácilmente debido al gradiente de concentración de metal en la superficie de la aleación. En realidad, el uso de aleaciones abre la ruta para producir ftalocianinas polinucleares, así como separar la aleación en el caso en que solo un metal reacciona con el precursor. Las ftalocianinas Pc y PcM son altamente estables hasta más de 500o C, lo cual no es típico para materiales orgánicos, debido a la única conjugaN N N ción de enlaces por toda la estructura N N supramolecular. Son insolubles en agua, lo que N N N las hace atractivas para la industria de pigmentos. Al contrario, a veces aparece la necesidad de M hacerlas solubles en agua; para ello, se introduN cen los grupos hidrofílicos en calidad de sustituN N 2+ tos. El ión metálico divalente, por ejemplo, Cu , N N N N forma generalmente 4 enlaces metal-nitrógeno, N dos de los cuales son formalmente covalentes y M los demás son covalente-coordinados. La estabilidad de estos enlaces depende de la naturaleza N N N del metal. Por ejemplo son «fuertes» los de Cu o Ni N N pues no pueden ser eliminados sin destrucción del N N N macrociclo, y «débiles» los de Mg o Sb que se eliminan fácilmente con uso de un ácido diluido y como resultado el PcM se transforma en PcH2 . Ftalocianinas de lantánidos 4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Editorial / Boris I. Kharisov Como ya fue mencionado, casi todas las investigaciones dentro del área de ftalocianinas se llevan a cabo para la industria de pigmentos, aunque una parte de los datos reportados se dedica a la síntesis de sus nuevos compuestos o sustancias con nuevas propiedades útiles, por ejemplo semiconductores. Precisamente gracias a su enorme uso práctico, el interés por las Pc se ha mantenido durante más de 70 años. En realidad, eso es único para un solo tipo de compuesto. Semiconductores poliméricos en base de las ftalocianinas. El número creciente de automóviles producidos en el País, requiere más pinturas económicas y al mismo tiempo de alta calidad; las Pc satisfacen tales condiciones. Aquí en Monterrey, la ftalocianina y algunos de sus complejos con metales se producen y se investigan en las empresas PYOSA y FTALMEX. En México hay grupos de investigación, dedicados al estudio de Pc y de sus derivados, apoyados por el CONACYT. En otros países, las Pc se estudian intensivamente en grupos de investigación “teóricos” dedicados a la síntesis y caracterización de nuevos Pc-derivados y en empresas privadas orientadas a la optimización de la producción de Pc. Los resultados de estos trabajos se patentan o se publican en numerosas revistas en varias áreas de la química y de materiales, en particular en la revista especializada “J. Porphyrins & Phthalocyanines”, también se presentan en muchos congresos de química “pura” y aplicada. Hace pocos años, se llevó a cabo el primer congreso de porfirinas y ftalocianinas y desde entonces se lleva a cabo esta reunión regularmente. Creo que todo lo arriba mencionado permite suponer que el desarrollo de la química sintética de los macrociclos tipo ftalocianina será muy útil para México. Una combinación de conocimientos teóricos en el área de la química supramolecular por parte de los investigadores universitarios en conjunto con las posibilidades de las empresas de pigmentos podría resultar en la producción nacional de nuevos tipos de pigmentos así como otros productos químicos de calidad mundial. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 5 �Simulación del proceso de forja en caliente de codos sin costura Ezequiel Salas Zamarripa, Martha Patricia Guerrero Mata, Rafael Colás Doctorado en Ingeniería de Materiales FIME-UANL José Martínez Tamsa, S.A. de C.V. ABSTRACT In this work, a finite element numerical model of the hot forging process of seamless elbows was validated. The validation was carried out by comparing the equivalent strain distribution predicted by the model with the computed strain values from a visioplasticity analysis. A visual and dimensional correlation of the numerical and actual elbow was made as well. Mechanical properties of the material were obtained from axial compression tests carried out at the working temperature of the process. KEYWORDS Simulation, visioplasticity, metal forming, seamless fittings. RESUMEN Este trabajo presenta la validación de un modelo numérico por elementos finitos del proceso de forja en caliente de codos sin costura. La validación se llevó a cabo por medio de la comparación de la distribución de deformación equivalente obtenida en el modelo numérico con la distribución calculada por medio de un análisis visioplástico. También se llevó a cabo una correlación dimensional y visual del codo del modelo numérico con un codo formado en planta. Las propiedades mecánicas del material fueron obtenidas mediante ensayos de compresión en caliente. PALABRAS CLAVE Simulación, visioplasticidad, formado de metales, conexiones sin costura. INTRODUCCIÓN Las conexiones soldables sin costura son comúnmente usadas en redes de tuberías a alta presión. Para asegurar la calidad del producto es necesario obtener propiedades mecánicas y físicas dentro de tolerancias muy estrechas. La fabricación de codos comienza con el corte de tubería recta sin costura en dimensiones específicas según el producto final. La operación de forja en caliente 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Simulación del proceso de forja en caliente de codos sin costura / Ezequiel Salas Zamarripa, et al se efectúa en una prensa hidráulica horizontal que hace pasar los segmentos de tubería recta a través de un eje, en cuyo extremo se encuentra la herramienta de formado o mandril. La etapa de deformación tiene lugar dentro de un horno, donde las preformas alcanzan una temperatura de alrededor de 800 ºC.1, 2 En la figura 1 se muestra un diagrama de la operación de formado. La práctica ha mostrado que las propiedades mecánicas y características geométricas del producto final dependen en parte de la forma del mandril. Otras variables presentes en el proceso son la temperatura, la velocidad de alimentación, la posición de los quemadores en el horno. Este proyecto tiene como objetivo evaluar el efecto de la geometría del mandril sobre las características finales del codo, por medio de la prueba de distintos diseños de mandril haciendo uso de la simulación por el método de elementos finitos. Sin embargo, el primer paso es la obtención de un modelo numérico que reproduzca el proceso real para su validez. Este trabajo muestra los resultados obtenidos en la validación del modelo. Fig. 2. Identificación de celdas en la preforma. Cada celda fue medida antes y después de la deformación, en dirección circunferencial (y) y longitudinal (x), como se muestra en la figura 3. Fig. 3. Esquema de las mediciones en las celdas. Mediante estas mediciones se pueden calcular los componentes de deformación en la dirección circunferencial (θ) y longitudinal (z) con las siguientes ecuaciones:3 Fig. 1. Diagrama del proceso de forja en caliente de codos sin costura. EXPERIMENTACIÓN La distribución de deformación en los codos producidos en planta fue obtenida por medio del método de visioplasticidad. 3,4 Preformas utilizadas en planta (tubería recta sin costura de acero ASTM A106) de 60 mm de diámetro externo, 6 mm de espesor y 317 mm de longitud, fueron maquinadas en su superficie externa para producir una rejilla. La circunferencia fue dividida en 12 segmentos iguales y en 20 segmentos en su longitud, como se muestra en la figura 2. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 ( å = ln y y è i f ) å z = ln (x i x f ) El componente de deformación radial (r) se calcula considerando volumen constante: å r = − (åè + åz ) El componente cortante se relaciona al cambio en el ángulo por la distorsión de las celdas: ã èz = 2Äá = 2( á f − á i ) La deformación equivalente está dada por: å= 2  (å z − åè )2 + (å è − å r )2 + (år − å z )2 + 3 ã 2èz  3  2  1/2 7 �Simulación del proceso de forja en caliente de codos sin costura / Ezequiel Salas Zamarripa, et al Las propiedades mecánicas fueron obtenidas por medio de ensayos de compresión en caliente. Muestras cilíndricas de 10 mm de diámetro y 15 mm de longitud fueron usadas para llevar a cabo los ensayos a 800ºC. Las probetas fueron calentadas mediante un horno de inducción. Las curvas esfuerzo-deformación obtenidas fueron utilizadas para determinar la curva de flujo del material, del tipo propuesto por Hollomon,5 ó = Kå n . Se determinó un valor de 280 MPa para el coeficiente de resistencia, K, y 0.256 para el valor del exponente de endurecimiento por deformación, n. La figura 4 muestra cuatro curvas experimentales sobre las que se traza la ecuación constitutiva a emplear en el modelo numérico. Fig. 4. Curvas esfuerzo-deformación. MODELO NUMÉRICO Para el desarrollo del modelo numérico del proceso se utilizó el paquete computacional de elementos finitos Abaqus MR. Para efecto de ahorro de tiempo de cómputo sólo fue modelada una mitad de la geometría del proceso, ya que presenta simetría. El modelo consiste del mandril y tres preformas colocadas consecutivamente en la entrada del mandril, como se muestra en la figura 5. La validación se efectuó en el tubo situado en medio, ya que es el que describe el proceso continuo en planta. La geometría del mandril fue considerada como una superficie rígida, ya que no sufre una deformación considerable en relación a la que experimenta el tubo. Los efectos de los cambios de temperatura durante la deformación fueron despreciados, sólo fue alimentado al programa el comportamiento del material a la temperatura de 8 Fig. 5. Modelo numérico discretizado. trabajo, obtenido de los ensayos de compresión en caliente, lo que equivale a que el proceso se lleva a cabo a temperatura constante de 800ºC. Condiciones de frontera de desplazamiento fueron aplicadas en las caras posteriores de los tubos, para definir el avance del proceso de 10 mm/seg. Las condiciones de simetría fueron definidas en las superficies apropiadas y el mandril fue mantenido en posición fija durante la simulación. Se definieron condiciones de contacto entre la superficie interior de cada tubo y el mandril, así como los contactos entre los mismos tubos. En el modelo se utilizaron alrededor de 10,000 elementos tetraédricos lineales para cada tubo y 1,200 elementos cuadriláteros lineales para el mandril. Estos números ofrecieron la mejor compatibilidad entre tiempo de cómputo y correlación con las mediciones visioplásticas. RESULTADOS Mediante el método de visioplasticidad se obtuvo una aproximación de la distribución de deformación en el codo del proceso real. La figura 6 muestra los valores de deformación para cada columna de celdas (letras A-L). Fig. 6. Distribución de deformación equivalente por el método de visioplasticidad. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Simulación del proceso de forja en caliente de codos sin costura / Ezequiel Salas Zamarripa, et al Para llevar a cabo la comparación entre el modelo numérico y el visioplástico fue necesario definir un punto de comparación entre ambos modelos. Para lograr esto se dividió al codo en tres zonas, como se muestra en la figura 7. Fig. 8. Distribución de deformación equivalente en el modelo numérico. Fig. 7. Zonas de comparación de deformación entre el modelo numérico y el visioplástico. Entonces, se llevó a cabo una agrupación de las columnas de celdas en el modelo visioplástico, asignando las columnas correspondientes a cada zona. Las columnas fueron agrupadas como se muestra en la tabla I. Tabla I. Columnas correspondientes a cada zona. Zona Radio interno Radio medio Radio externo Columnas de celdas H, I, J F, G, K, L A, B, C, D, E Como se puede observar, la zona del radio interno abarca sólo tres columnas. Esto es debido a que en esta zona ocurre la mayor deformación y las celdas se deforman aproximadamente al doble de su longitud original en la dirección circunferencial. Los valores de deformación en el modelo numérico fueron extraídos desde el paquete computacional para cada zona de comparación. La figura 8 muestra la deformación predicha por el modelo numérico, donde se puede observar que la distribución de deformación es relativamente constante en cada sección transversal del codo, lo que valida la división en zonas mostrada en la figura 7. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 Las diferencias entre el modelo numérico y el modelo visioplástico se pueden atribuir a la discretización de ambos casos. El modelo visioplástico proporciona un valor de deformación para cada una de las 240 celdas, mientras que el modelo por elementos finitos proporciona un valor para cada uno de los aproximadamente 10,000 elementos. Por ejemplo, el modelo visioplástico no reporta valores de deformación entre 0.8 y 0.9, sin embargo, este rango de deformación si es cubierto por el modelo numérico. La figura 9 muestra la deformación máxima, mínima y promedio para cada una de las zonas del modelo visioplástico contra el numérico. Los resultados muestran buena correlación, por lo que se puede concluir que la distribución de deformación obtenida en el modelo numérico concuerda con la obtenida en el proceso real. Fig. 9. Distribución de deformación en el modelo numérico y el visioplástico. 9 �Simulación del proceso de forja en caliente de codos sin costura / Ezequiel Salas Zamarripa, et al Además de la distribución de deformación, también se verificaron distintas características geométricas del codo formado. En la Figura 10 se muestran las mediciones tomadas en ambos modelos para su comparación. 90º 90º (a) (b) Fig. 11. (a) Holgura del radio externo y (b) distorsión en el perfil frontal de la boca del codo. Fig. 10. Mediciones para comparación dimensional. También fueron medidos los espesores de pared en las secciones de la mitad del tubo, que corresponden a las zonas del radio interno y externo. La tabla II muestra los resultados de las mediciones. Tabla II. Comparación de las dimensiones del codo. Zona Diám. Frente Diám. Fondo Dist. RINT Arco REXT Espesor RINT Espesor REXT Numérico (mm) 89.38 89.67 122.07 302.27 5.29 5.58 Real (mm) 93.2 90.7 118.0 301.0 5.1137 5.5083 Error (%) 4.09 1.13 3.33 0.42 3.332 1.285 Desde un enfoque visual, se puede observar una gran similitud en la forma del codo en el modelo numérico con el real. Una característica que muestran los codos formados en planta es la holgura que se presenta en el frente de la zona del radio externo, misma que se reproduce en el modelo numérico. Así mismo, al frente en el radio interno se presentan distorsiones en el perfil de la boca del codo, las cuales también se reproducen. La figura 11 muestra estas características en ambos modelos. 10 La holgura en la parte frontal del radio externo representa material de pérdida y aumento en los costos de producción, ya que esta parte tiene que ser maquinada para remover el exceso de material y así obtener el codo de 90º. Además, uno de los parámetros críticos es el espesor de pared, ya que una reducción excesiva provoca el rechazo de las piezas. Por medio de la evaluación de diferentes geometrías del mandril se espera obtener un diseño que mejore las características de los codos formados. CONCLUSIONES La distribución de deformación equivalente, las características dimensionales e incluso visuales, muestran que el presente modelo numérico por elemento finito es representativo del proceso real. El modelo numérico desarrollado puede ser usado para evaluar distintos diseños de la herramienta de formado y así seleccionar el diseño con el que se obtenga un producto de mejores características que el actual. El análisis visioplástico representa una metodología confiable para el cálculo de la deformación en piezas del proceso en planta, aunque está limitado por el grado de discretización y la exactitud de las mediciones. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Simulación del proceso de forja en caliente de codos sin costura / Ezequiel Salas Zamarripa, et al AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y al Programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica de la UANL, por su apoyo económico. Se agradece también a la empresa Tubos de Acero de México S.A. (anteriormente Empresas Riga, S.A. de C.V.), por los servicios brindados. REFERENCIAS 1. J.A. López Cavazos, Tesis de Maestría, Universidad Autónoma de Nuevo León, 2001 2. A. Rodríguez, M. Mezzetti, P. Fodor, R. Colás, Forming of Seamless Pipe Fittings, Journal of Mat. Proc. Tech., Elsevier Science, 2002, p. 432-437. 3. A. Rodríguez, G. Olvera, P. Fodor, R. Colás, Strain Distribution Analysis of Hot Forged Seamless Pipe Fittings, Materials Science and Technology, Febrero 2000, Vol. 16, p. 171-174. 4. R. Colás, Visioplastic Analysis of Metal Working Processes, Thermomechanical Processing of Steel, J.J. Jonas Symposium, S. Yue y E. Essadiqi (eds.), CIM, Montreal, 2000, pp.569-579. 5. M. G. Rodríguez, E. Valdés, P. C. Zambrano, M. P. Guerrero, R. Colás, Visioplastic Analysis of Experimental Rolling of Steel, Procedures of the IMechE Part L Journal of Materials: Design and Applications, Professional Engineering Publishing, 2001, Vol. 215, pp. 155-163. 6. J. H. Hollomon: Trans. AIME, 1945, vol. 162, p. 268. XV CONGRESO Y EXPOSICIÓN INTERNACIONAL DE LA INDUSTRIA DE LA FUNDICIÓN 2 a 4 de octubre de 2003 CINTERMEX, Monterrey, N.L., México AMERICAN FOUNDRY SOCIETY mayores informes: Sociedad Mexicana de Fundidores, Región Norte. Tel: (81) 8352-5519 Fax: (81) 8352.5579 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 11 �La evaluación de activos intangibles Parte I. Los modelos Miguel A. Palomo González Profesor de la jefatura de Ingeniería Industrial, FCQ-UANL mpalomo@ccr.dsi.uanl.mx ABSTRACT Intangible Assets are becoming a main component of companies´ Market Value. Their evaluation is an answer to the lack of measurement parameters in traditional accounting systems, which are oriented to measure the physical assets and report historical information. Due to their importance and features, the Intangible Assets Management must be oriented to the identification of the Added Value and to increase the efficiency of such assets in the value generation. The Intangible Assets Management must be part of the Technology Function’s duties, more than any other area in the company. This paper present different models to evaluate Intangible Assets, with the aim to identify the model and his scope before the implementation. KEYWORDS Intangible assets, knowledge capital, intelectual capital, knowledge management, technology RESÚMEN Los Activos Intangibles (AI) son parte importante del valor de mercado de las empresas, su evaluación responde a la necesidad generada por el sistema contable tradicional, que sólo mide los activos físicos y reporta información histórica. Por su relevancia y características, la administración de los activos intangibles se debe orientar hacia la identificación de su valor agregado y aumentar la eficiencia de dichos activos en la generación de valor. Dicha administración debe ser responsabilidad del Área de Tecnología, más que otra área de la empresa. En este artículo se presentan diferentes modelos de evaluación de los activos intangibles, con el fín de identificar el modelo y su alcance antes de su implantación. PALABRAS CLAVE Activos intangibles, capital humano, capital intelectual, administración del conocimiento, tecnología. 12 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �La evaluación de activos intangibles. Parte I. Los modelos / Miguel A. Palomo González INTRODUCCIÓN Los Activos Intangibles (AI) siempre han estado presentes en las organizaciones, el tema de su evaluación y su contribución al beneficio de la empresa es relativamente nuevo en la administración de tecnología y disciplinas relacionadas. Para dar una idea del concepto, si tratamos de evaluar una empresa lo más evidente son los activos tangibles de la empresa (terrenos, edificio, maquinaria y equipo, mobiliario, etc.) es decir los “fierros”, estos determinan su valor en libros. Pero faltaría evaluar la parte “soft”, los conocimientos humanos, el saberhacer, las competencias del personal, la propiedad intelectual, las marcas, las relaciones con los clientes y los conocimientos sobre el comportamiento del mercado, los cuales son algunos ejemplos de activos intangibles y que (sumados al valor en libros) determinan el valor de mercado, es decir lo que se está dispuesto a pagar por la empresa. El interés sobre el tema de los AI aumenta en la medida en que se desarrolla la nueva economía basada en tecnologías de la información, de servicios, y crecen las empresas basadas en el conocimiento. A nivel de la empresa, el sistema contable es insuficiente, el cuál solo mide los activos tangibles y reporta resultados de actuación histórica, dejando de lado el enfoque para la cuantificación y administración de los AI y generar una visión del potencial de ingresos para la empresa. Este artículo consta de dos partes, en la primera hablaremos de los modelos o metodologías, trataremos de dar respuesta a la pregunta: ¿Qué se requiere para administrar y evaluar el activo intangible?, en la segunda parte hablaremos sobre los indicadores y las variables de medición del enfoque de evaluación. del valor de mercado al valor en libros, para todas las empresas en el Dow Jones Industrial fue de 5.3, mientras que para varias de las empresas intensivas en conocimiento (ej: Microsoft, empresas farmacéuticas) la relación fue de 10.0. 2 En mayo del 2002 la revista Expansión publica el artículo “Las marcas más valiosas en México”,3 apoyados por la metodología de evaluación de marcas de la empresa inglesa Interbrand, y mencionan que el valor en libros de una empresa se estima en un tercio de su valor de mercado, “el resto reside en intangibles difíciles de medir, pero muy importantes en la toma de decisiones de inversionistas y administradores”. En otra entrevista, David Clifton, Director de Interbrand México, menciona que el valor de la marca puede representar el 80-90 porciento del valor de una empresa como en el caso de Chanel o Lacoste.4 ¿CÓMO SE DEFINE EL ACTIVO INTANGIBLE? En la literatura se utilizan indistintamente los términos de “activos intangibles”, “capital intelectual”, “capital de conocimiento” o “activos intelectuales”, en la medida de lo posible nosotros utilizaremos el término de activos intangibles (AI) a lo largo del texto. Las principales observaciones son que la medición de retorno sobre activos (ROA) y retorno sobre la equidad (ROE) no son realistas, pues no toman en cuenta los AI en los cálculos o no se reconocen en los beneficios de la empresa. De acuerdo a B. Lev5 la empresa puede clasificar los factores que afectan su resultado económico en tres categorías: Activos físicos, activos financieros y activos intangibles. ¿CUÁL ES LA IMPORTANCIA DE LOS ACTIVOS INTANGIBLES? La Empresa Asset Equity Company menciona que, en 1985 el valor en libros representaba en promedio un 50 porciento del valor de mercado de las empresas y que 15 años después, ahora, el valor en libros representa menos del 20% del valor de mercado de una empresa, el 80 porciento restante es atribuido a los AI de la empresa.1 Por su parte D. Skyrme menciona que en Junio de 1997, la relación Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 13 �La evaluación de activos intangibles. Parte I. Los modelos / Miguel A. Palomo González Cada factor contribuye al beneficio en una cierta proporción, que sumados darían el total del beneficio de la empresa. La metodología identifica la proporción del beneficio que corresponde a los AI, generando un índice llamado “Beneficios del Capital de Conocimiento” (Knowledge capital earnings ©). Aunque no define “el contenido” completo de los AI, sí logra determinar su impacto y es posible determinar el valor del capital que genera dicha proporción. Adicionalmente, resalta la importancia de administrar los AI; de los principales factores que impactan el capital intelectual como son la investigación y desarrollo, la publicidad, la información tecnológica, y las prácticas de recursos humanos; finalmente, las mediciones identifican inversiones sobre-valuadas y sub-valuadas. La administración de los AI es un concepto relevante para la administración de tecnología y para la empresa, ya que no solo se refiere a administrar la fuerza de trabajo, ni trata de enfocarse al control del costo del producto o servicio, sino que busca el incremento de su valor y de los beneficios. En este sentido, la definición de activos intangibles se amplía a: el “conocimiento empacado”, el cual incluye los procedimientos de la organización, tecnologías, patentes, habilidades de los empleados, y la información sobre los clientes, proveedores, e inversionistas.6, 7 Edvinsson y Malone 8 con un enfoque hacia la administración de activos intangibles, presentan una clasificación de capital intelectual de la siguiente forma: • Capital humano. Conocimientos, habilidades, y competencias de los empleados. • Capital estructural. La infraestructura que apoya la actividad humana (edificios, hardware, software, procesos, patentes, marcas, imagen de la organización, estructura organizacional, sistemas de información y bases de datos). Incluye los siguientes conceptos: Capital de procesos. Técnicas, procedimientos, y programas que permiten la entrega de bienes y servicios. • Capital de innovación. Propiedad intelectual (derechos de autor y marcas) y activos intangibles (definidos como: todos los talentos y teorías que hacen que una empresa funcione). 14 • Capital sobre clientes. Es la fuerza y lealtad de las relaciones con los clientes (satisfacción de clientes, continuidad en los negocios, financieras, buenas relaciones, sensibilidad al precio). La tabla siguiente nos da una clasificación más extensa sobre los AI:9 Tabla I. Clasificación de activos intangibles. Activos de mercado Activos de Activos Propiedad Humanos Intelectual Activos de Infraestructura Marcas de servicio Patentes Filosofía administrativa Marcas de productos Derecho de Cultura Calificaciones autor corporativa Marcas Diseños corporativas Educación Conocimientos Procesos sobre administrativos actividades Clientes Secretos comerciales Lealtad del consumidor Evaluaciones Saber-hacer de puestos y psicométricas Continuidad Marcas de negocios Nombre de la Marcas de empresa servicios Competencias Sistemas de información tecnológica Sistemas de redes Relaciones financieras Backlog Canales de distribución Acuerdos de negocios Contratos de franquicias y de licencias Con el mismo enfoque de medir la contribución de los AI al beneficio de la empresa, A. Pulic 1 0 propone un índice llamado el VAIC ©. Su enfoque se centra sobre el valor agregado (EVA©) de las actividades y procesos, evalúa la contribución del capital empleado, del capital humano y del capital estructural (de acuerdo a los conceptos de Edvinsson y Malone) y junto con otros índices genera siete medidas de valor agregado, incluyendo el índice global VAIC©. El objetivo es identificar la creación de valor y la eficiencia de los AI en esa creación de Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �La evaluación de activos intangibles. Parte I. Los modelos / Miguel A. Palomo González valor. Las medidas son agregadas a nivel de la empresa y requiere del software VAIC©. Los enfoques para medir los AI dependen del interés particular de la empresa o de la información resultante a comunicar: • Evidenciar el valor de los AI en el valor actual del negocio, • Soportar el objetivo corporativo, de estar aumentando continuamente el valor de los accionistas, • Administrar los AI con valor y hacerlos crecer en el mediano y largo plazo, • Generar información más útil para los potenciales inversionistas y en función del enfoque será la metodología o modelo a emplear. En los enfoques anteriores se pretende cubrir el objetivo de conocer el valor generado por los AI, el valor en sí de los AI, administrar los AI en la creación de valor y aumentarlos, o simplemente para auditar y controlar los AI. Adicionalmente faltaría la clasificación de los procesos y actividades de los AI y los indicadores de medición. Por las características de los activos tecnológicos, la responsabilidad de su administración e implantación del modelo de medición recae en forma natural en el área de tecnología de la empresa. La selección del modelo deberá ser en conjunto con la Dirección General y el primer nivel organizacional. Entre los modelos o metodologías más reconocidos para medir los AI se encuentran los siguientes: • Navegador Skandia (Skandia Navigator ©): de la empresa de seguros Skandia, a la cual están relacionados Edvinsson y Malone, y que identifica Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 • • • • • los tres tipos mencionados de capital intelectual (capital humano, capital estructural y capital del consumidor), a su vez clasificados en 5 grupos, con 90 mediciones: financieros (20), humanos (13), clientes (22), procesos (16) y renovación/desarrollo (19). Valor agregado económico (Economic Value Added EVA©): esta metodología, desarrollada por Stern Stewart, se orienta a medir el retorno del capital empleado (ROA) del negocio. 11 Balanced Scorecard: desarrollado por Kaplan y Norton, está diseñado para orientar a la Dirección o Ejecutivos del negocio hacia la identificación de los factores que contribuyen al éxito de la estrategia del negocio. 12 Monitor de activos intangibles (Intangible Assets Monitor): desarrollado por Karl Erik Sveiby divide los activos intangibles en estructura externa, estructura interna y competencias de la gente. Mide la creación de valor por los AI, en cuatro aspectos: crecimiento, renovación, utilización/ eficiencia, y reducción del riesgo/estabilidad. Indice del capital intelectual (Intellectual Capital Index IC-Index ©): desarrollado por la empresa Intellectual Capital Services. Es un índice global que indica los cambios en el valor de mercado de la empresa. Metodología del valor incluyente (Inclusive Value Methodology): desarrollada por el profesor Philip McPherson. Calcula un valor agregado combinado, formado por el valor agregado monetario y el valor agregado de los activos intangibles. ¿CÓMO SE CLASIFICAN LOS ENFOQUES O MODELOS PARA MEDIR LOS ACTIVOS INTANGIBLES? Dependiendo del objetivo o información a comunicar y el nivel de análisis requerido (a nivel de negocio, de sus componentes, procesos y/o actividades), podemos clasificar los métodos actuales de evaluación de los AI, en las siguientes categorías:13 • Métodos del capital intelectual directo (Direct Intellectual Capital Methods) (DIC): estiman el valor financiero del activo intangible global a partir de cada uno de sus componentes. 15 �La evaluación de activos intangibles. Parte I. Los modelos / Miguel A. Palomo González • Métodos de capitalización de mercado (Market Capitalization Methods) (MCM): calculan la diferencia entre la capitalización de mercado de una empresa y el valor de sus activos (tangibles), siendo esta diferencia el valor del capital intelectual o activos intangibles. • Métodos del retorno sobre activos (Return on Assets Methods) (ROA): el promedio de los beneficios antes de impuestos, en un período de tiempo, es dividido por el promedio de los activos (tangibles) de una empresa. El resultado es el ROA de la empresa, el cual es comparado con el promedio de la industria, la diferencia con el ROA de la industria nos da el ROA (%) generado por los activos intangibles; este a su vez se multiplica por los activos tangibles promedio, para calcular el beneficio promedio generado por los intangibles. Posteriormente al dividir los beneficios promedio de los activos intangibles, por una tasa de interés o costo de capital para la empresa, se obtiene el valor de los activos intangibles (principal) que generó el beneficio promedio (diferencial). • Scorecard Methods (SC): Una vez identificados los componentes del activo intangible, o capital intelectual, entonces se generan indicadores o índices que se reportan en un tablero para su seguimiento. Los métodos SC son similares a los métodos DIC, la diferencia es que no se le da un valor monetario al activo intangible. Un índice global puede o no ser calculado. La ventajas de los métodos MCM y ROA es que ofrecen una evaluación monetaria, y por lo tanto son recomendables para el caso en que exista interés en el negocio por una fusión y/o adquisición, o para valuar las acciones (stock) en el mercado. La ventaja de los métodos DIC y SC es que generan una fotografía completa de los AI, se pueden aplicar a cualquier nivel de la organización, y se pueden adaptar fácilmente a las organizaciones públicas o sociales puesto que no se requiere de una medición financiera. Debemos tener claro el objetivo de medir los AI, entre más claro sea el modelo más fácil será su implantación a nivel de la organización, a nivel de procesos y/o actividades a medir, y la identificación de los indicadores a medir. Recordemos que algunos indicadores serán no-financieros y adaptados a una organización específica, por lo tanto serán difíciles de comparar, otros serán financieros y fáciles de aceptar y comunicar. La figura 1 nos muestra una clasificación de los métodos de medición de AI dependiendo de su aplicación y medición. Market-tobook Value Tobin’s q Knowledge Capital Earnings Nivel organizacional Calculated Intangible Value VAIC © EVA © Métodos de capitalización de mercado Métodos de retorno sobre activos AFTF © IAMV © IC-Index © IC -Index © HRCA Skandia Skandia Navigator © Navigator © Componentes identificados Balanced Scorecard Value Chain Value Chain Score Board © Score Board © Evaluación no -financiera no- Capital intelectual directo TVC © Intangible Assets Intangible Assets Monitor Monitor Human Capital Human Capital Intelligence Intelligence Citations weighted Patents Inclusive Valuation Methodology The Value Expert © Método Scorecard Technology Broker Intellectual Asset Valuation Evaluación financiera Fig.1. Modelos de medición de los activos intangibles. Adaptado de Karl-Erik Sveiby, oct.2002. 16 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �La evaluación de activos intangibles. Parte I. Los modelos / Miguel A. Palomo González Entonces, para cada negocio, nivel de la organización, o situación de mercado, dependerá el enfoque, metodología o modelo para medir los AI. Los principales enfoques y su razón de ser se pueden clasificar de acuerdo a la siguiente tabla y extender su aplicación a otros niveles de la organización.: Tabla II. Enfoques de medición de activos intangibles y su uso. Enfoque Reporte de accionistas Razón de ser: cantidad de “sábanas” con datos abundantes, difíciles de analizar, de integrar, y difíciles de explicar su significado o variabilidad; de igual forma si el área de tecnología no es la responsable de la administración del modelo de medición, corremos el riesgo de medir lo irrelevante para el negocio y que se convierta en un modelo estéril, sin continuidad en el tiempo y vulnerable a los cambios organizacionales. En la segunda parte de este artículo comentaremos sobre los indicadores, mediciones y factores que determinan la operación exitosa del modelo de evaluación de los activos intangibles. Justificación Monitoreo de resultados Control Adquisiciones/Venta Evaluación del negocio Guía para invertir Decisión Descubrir el valor Aprendizaje agregado escondido En esta primera parte podemos concluir que la selección del modelo de evaluación de activos intangibles depende de: • La determinación del objetivo. ¿Por qué medir? • Definir si evaluamos el valor agregado de los AI, el valor del AI, o ambos. ¿Qué queremos evaluar? • La definición de los niveles de medición, índice global, índice de los componentes medulares del negocio. ¿Cuál debe ser el alcance?(Direcciones, Gerencias y Jefaturas). Pero, sin un buen sistema de información interno y externo, corremos el riesgo de generar una enorme Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 REFERENCIAS 1. “Measuring Intangible Equity”. Assets Equity Company, 2002, 2p. Info@assetequity.com 2. “Measuring Intellectual Capital”. David Skyrme, Insight No. 24, 1997, 5p. www.skyrme.com 3. “Las marcas más valiosas en México”. Expansión, 15-29 Mayo, 2002, pp.38-54 4. “El valor de las marcas”. El asesor de Monterrey, Abril 21- Mayo 4, 2003, p.9 5. “Intangible assets: measurement, drivers, usefulness”. Feng Gu y Baruch Lev, April 2001, Boston University & New York University, 47 p. http://pages.stern.nyu.edu/~blev/ 6. “Intellectual capital”. Thomas A. Stewart, Doubleday, N.Y. 1997, (in : luthy, 1998). www.sternstewart.com 7. “Intellectual capital and its measurement”. D. H. Luthy. 1998. www3.bus.Osaka-cu.ac.jp/apira98/ archives/ htmls/25.htm 17 �El humanismo científico y tecnológico desde la perspectiva de la sostenibilidad Francisco Mata Cabrera Profesor asociado en el Área de Ingeniería Mecánica de la Escuela Universitaria Politécnica de Almadén. Universidad de Castilla-La Mancha. España. ABSTRACT In this article is analyzed the concept of scientific & techological humanism from the point of view of sustainability. As sustainable we refer not only to environment sustainability, understood as the compatibility of the scientific and technological progress with the preservation of the environment, but also the sustainability as the progress of mankind, specialy of the less developed countries. The direct implication of scientists, entrepreneurs and institutions in the search of solutions that contibute efficiently to the sustainable development must be a fact. It is proposed that the education of scientists & engineers, in addition to the necessary specialization, must include values. This education will produce a wider conception of the world permiting to be more sensible to the society problems. KEYWORDS: Science, technology, humanism, education, sustainable development. RESUMEN Se analiza en este artículo el concepto de humanismo científico y tecnológico desde la perspectiva de la sostenibilidad. Al hablar de sostenibilidad nos referimos no sólo a la sostenibilidad medioambiental, esto es, a la compatibilidad del progreso científico y tecnológico con la preservación del medio natural, sino también a la sostenibilidad con el desarrollo del ser humano y de los pueblos más desfavorecidos. La implicación directa de científicos, empresas e instituciones en la búsqueda de soluciones que contribuyan de manera eficaz al “desarrollo sostenible” debe ser un hecho. Se propone que la formación de los científicos e ingenieros, dentro de la necesaria especialización, incluya también una formación en valores. Esta formación les dará una concepción más amplia y les permitirá ser, sin duda, más sensibles a los problemas de la sociedad. PALABRAS CLAVE: Ciencia, Tecnología, humanismo, educación, desarrollo sustentable. 18 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �El humanismo científico y tecnológico desde la perspectiva de la sostenibilidad / Francisco Mata Cabrera CRITERIOS DE SOSTENIBILIDAD Estamos acostumbrados a escuchar el término sostenibilidad, o más concretamente, desarrollo sostenible, en clara referencia a la compatibilidad de las actividades (productivas, recreativas) que desarrolla el hombre con el medio ambiente. Se trata, por tanto, de preservar, de conservar el medio natural, sin que esta visión ponga freno al progreso tecnológico de nuestra civilización. Pues bien, en este trabajo, el concepto de sostenibilidad se emplea en un sentido amplio, cobrando nuevas e interesantes dimensiones. Es preciso constatar que el progreso de la ciencia y de la tecnología (ciencia aplicada) debe ser sostenible de acuerdo con unos criterios básicos de sostenibilidad y para ello es esencial el enfoque humanista, como comentaremos más adelante. Veamos cuáles son estos criterios. • Sostenibilidad con el medio ambiente. Hacemos referencia a la viabilidad ambiental del progreso de la ciencia y de la técnica y, cómo no, a los esfuerzos en investigación y desarrollo en el uso de energías y recursos alternativos. La adecuada gestión energética, la minimización de impactos ambientales en actividades productivas e infraestructuras de comunicación, el uso de tecnologías limpias, la puesta en marcha de programas de recuperación de suelos degradados y la educación ambiental, como motor de concienciación y cambio, son algunas ideas de interés práctico. Bertrand Russell Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 • Sostenibilidad con los países más pobres. No po- demos permitir que el desarrollo del llamado “primer mundo” haga más indigentes y desgraciados al resto. Los avances de la ciencia y la tecnología asociada deben llegar a todos los puntos del planeta; por encima de intereses económicos y ambiciones de poder, debería primar una visión humanitaria, solidaria, sostenible, de forma que todos podamos ser partícipes y beneficiarios de las mejoras en la calidad de vida que han permitido y permiten los progresos científicos. En este sentido, pensamos que son necesarios acuerdos y compromisos internacionales al más alto nivel que garanticen el desarrollo de todos los pueblos del planeta, aplicando políticas de cooperación solidarias. Hay que decir que si la tecnología no ha solucionado hasta ahora las grandes desigualdades de la humanidad no ha sido porque “no sea humana”, sino porque no la hemos sabido utilizar de la manera correcta. • Sostenibilidad con la salud humana. Los nuevos procesos productivos, los nuevos productos que se lanzan al mercado, las nuevas actividades que acomete el hombre han de ser sostenibles con la naturaleza y la salud de todos los seres humanos. No se debe, pues, atentar contra la salud humana al tiempo que se levanta la bandera de un nuevo descubrimiento científico. El hombre no puede seguir siendo un lobo para sí mismo. • Sostenibilidad con el patrimonio histórico y cultural. No podemos olvidar nuestra historia, nuestra cultura, nuestras costumbres, nuestro patrimonio histórico, en suma; es un aprendizaje imprescindible para caminar hacia el futuro con garantías y no repetir los errores del pasado. El progreso de la ciencia y de la sociedad debe integrar el patrimonio histórico, preservándolo, respetándolo y enseñándolo a las nuevas generaciones. • Sostenibilidad ética: Los avances de la ciencia deben abrir el debate en determinadas cuestiones como, por ejemplo, la ingeniería genética o los alimentos transgénicos. Sin pretender entrar en consideraciones con reminiscencias ideológicas o religiosas, debemos abogar por la vigencia de determinados valores básicos que deben permanecer y que se resumen en el respeto 19 �El humanismo científico y tecnológico desde la perspectiva de la sostenibilidad / Francisco Mata Cabrera a la vida. Toda revolución tecnológica ha de ir acompañada de una vertiente humana. En la medida en que el progreso científico y tecnológico sea “sostenible”, entendido bajo los aspectos enumerados, será también “humano”; dicho de otra forma, se habrá logrado humanizar el desarrollo y el progreso tecnológico de nuestras sociedades. Este es el núcleo o enfoque humanista al que hacíamos referencia al principio. El progreso, como manifestación última de la adaptación al medio, debe ser responsable, respetuoso con las tradiciones y la herencia de nuestros antepasados, con la pluralidad de ideas y expresiones de creatividad del hombre..., en definitiva, debe ser asumido como “adaptación constructiva e integradora”. VALORES TECNOLÓGICOS Vivimos en una sociedad individualista (y paradójicamente “globalizada”), caracterizada no tanto por el “individualismo personal” como por el “individualismo colectivo o grupal”. La rapidez de los cambios nos hace refugiarnos en proyectos y anti-proyectos de grupo. Curiosamente, cuando se habla de superación de las ideologías surgen sentimientos que dividen. En este contexto, abundan opiniones encontradas en referencia al tema central que nos ocupa. Por un lado están los que niegan un valor esencial (humano) a la tecnología y al pensamiento científico, al que a veces se califica de estar construido sólo para científicos y que adolece de verdadero contenido que culmine y satisfaga las inquietudes más profundas del ser humano. De otro lado, es notorio y muy generalizado, el pensar que en la sociedad de las nuevas tecnologías no tienen cabida ni la cultura clásica, ni la reflexión metafísica....por lejano, innecesario... y sólo apto para románticos. Es preciso, pues, superar la escisión entre cultura científico-tecnológica y cultura humanista, e integrar –esta es la clave- desde un punto de vista de síntesis superadora, ya que no son sino diferentes formas de expresión de la inteligencia humana. El hombre, en tanto que ser racional, se manifiesta ante su entorno y ante sus semejantes, transformando y evolucionando. No cabe, pues, separar. Hay que hablar de cultura, de conocimiento, de capacidades de expresión y creatividad...No nos empeñemos en ponerle puertas al campo. 20 El conocimiento debe surgir con la orientación del sujeto que piensa y opera. Por tanto, es una cuestión de educación, de pedagogía social, que hay que superar. En palabras de Eudald Carbonell, uno de los responsables del proyecto de Atapuerca, “la tecnología es lo que nos ha convertido en humanos”. La tecnología -fabricación de herramientas con otras herramientas- surgió como consecuencia de la necesidad de adaptación a un medio cambiante. Es, pues, un rasgo que nos diferencia de los animales y que nos distingue como seres racionales inteligentes, como seres humanos. La cultura humanista debe impregnar el quehacer científico con una serie de valores esenciales, de respeto al ser humano, a la naturaleza, de integración y no de sectarismo, de comunicación y divulgación y no de elitismo científico. La sociedad tecnológica demanda códigos de conducta y “valores profesionales” como responsabilidad, capacidad de trabajo en equipo, voluntad de mejora continua, iniciativa para el auto-aprendizaje... lo que exige desplegar políticas de educación adecuadas, con miras a una formación integral, no sólo técnica o práctica, sino que incluyan también valores y actitudes. No hay que olvidar la dimensión emocional o afectiva –humana- en una sociedad tecnológica y, ciertamente, materialista y egocéntrica como la nuestra. Este cambio, esta nueva percepción de la cultura como referente “todo-uno” reclama con urgencia la implicación decidida de las instituciones y el poner todos un poco de nuestra parte. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �El humanismo científico y tecnológico desde la perspectiva de la sostenibilidad / Francisco Mata Cabrera INGENIERÍA HUMANÍSTICA Dentro del enfoque educacional y de sostenibilidad por el que sin duda alguna apostamos, creemos conveniente hacer unas reflexiones en el ámbito de la empresa, por su importancia como enlace entre la tecnología y la sociedad. Siguiendo a Javier Elorriaga, autor del libro “Ingeniería humanística para el desarrollo de personas y negocios”, el mundo de la empresa está necesitado de un cambio cultural que incorpore el valor de la persona en el proceso productivo. Se habla con frecuencia de políticas de calidad desde un punto de vista global, de gestión integral, pero siguen primando los aspectos puramente técnicos y económicos. Conviene prestar más atención a los recursos humanos, a la inteligencia de las personas que crean, finalmente, un valor en el mercado. Se ha acuñado el término “ingeniería humanística” para hacer clara referencia a los aspectos éticos en la gestión. Las empresas son en última instancia redes de personas, son “microsociedades” en las que hay interacción humana de forma constante La excelencia en los procesos productivos no es posible sin este enfoque integrador, que debe formar parte de la cultura y razón de ser de la empresa, de sus objetivos y funciones. Se aporta, pues, una nueva dimensión a la gestión empresarial, como gestión del conocimiento, de la inteligencia y las capacidades de las personas, de sus motivaciones, de sus intereses, de su crecimiento como seres humanos en todas las vertientes. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 Si se gestionan personas, se ha de hacer no como si se tratara de activos económicos, de bienes materiales, sino sobre la base de unos valores humanos reconocidos. En este sentido, el refuerzo de la motivación y la autoestima, la capacitación profesional, el reconocimiento de la autonomía y del potencial creador e innovador de los empleados contribuyen a dignificar el trabajo y la propia vida. Se debe propiciar, en consecuencia, un cambio educacional en el nivel de la gestión y del liderazgo de las empresas como nueva gestión ética, que integre el valor humano en los procesos productivos. Esta nueva cultura de empresa puede convertirse en estandarte, en modelo a seguir en otros ámbitos de la sociedad. En el fondo se trata de valorar a las personas, dignificando su trabajo y el entorno tecnológico en el que desarrolla su actividad. CIENTÍFICO HUMANISTA A grandes rasgos, un “científico humanista” es un científico sensible a los problemas de la sociedad, comprometido con ella, con la que comparte valores e inquietudes, y a la que rinde cuentas mediante la divulgación y la comunicación de los resultados de sus investigaciones, haciendo honor al conocido dicho: “Sin engaño la aprendí y sin envidia la comunico y a nadie escondo sus riquezas”. Ser científico humanista es ser pensador responsable, tecnólogo ilustrado, investigador comprometido, divulgador social. Estas cualidades se hacen, se consiguen con una buena formación, con una formación integral de base y con una cualificación adecuada en el nivel de especialización, no exenta de conocimientos más generales. La división del trabajo y la especialización de funciones ha permitido al hombre “profesionalizar” su dedicación y el esfuerzo en el trabajo, convirtiéndose en motor de evolución y progreso. No obstante, la especialización acarrea el riesgo de lo que podríamos denominar “desamparo cultural”, en tanto que convierte en precario el bagaje cultural de los individuos. Este hecho es particularmente apreciable en especialistas altamente cualificados que, sin embargo, no tienen cimientos suficientes en aspectos esenciales, lo que les hace percibir la realidad desde una óptica muy cerrada. Queremos destacar la interesante labor que vienen desempeñando determinadas instituciones universitarias (curiosamente universidades privadas), 21 �El humanismo científico y tecnológico desde la perspectiva de la sostenibilidad / Francisco Mata Cabrera que incluyen como materias troncales en los planes de estudios de ciencias e ingenierías, materias de corte humanista. La especialización, si bien es necesaria, polariza en exceso el pensamiento de las personas, de manera que debe ser complementada “transversalmente” con otras materias más generales, relacionadas con el conocimiento del hombre y de su historia, con la ética profesional, entre otras cuestiones. Se tendrán así científicos con una visión más generalista, dentro de su alta especialización, y humanista, en la línea que venimos apuntando. Ese binomio puede y debe dar resultados esperanzadores. Estas ideas no son ni pretenden en absoluto ser exclamaciones para la galería; antes bien, se trata de una concepción que responde a una necesidad, tal y como se ha puesto de manifiesto en recientes foros sobre innovación educativa en las enseñanzas técnicas (X Congreso de innovación educativa, Valencia, julio 2002), en los que se han aportado algunas soluciones al respecto. Citamos, por ejemplo, la implantación de al menos una asignatura específica transversal, la oferta de optativas “no técnicas”, la tutorización y profesionalización de los periodos de formación en centros de trabajo, etc. Hay que constatar, no obstante, el rechazo clamoroso que pueden encontrar estas palabras en sectores especialmente polarizados como las ingenierías. Las resistencias al cambio suelen hacer siempre acto de presencia por parte de muchos que conciben todavía los planes de estudios como “intocables”, cerrados a cualquier cambio por necesario que este sea. Esto no deja de ser un claro síntoma del camino que aún nos queda por recorrer. Nuestra tozudez, unida a un sentido sectarista del conocimiento, alentan o incluso llegan a paralizar reformas importantes e imprescindibles. Se hace especialmente necesario, en consecuencia, en una sociedad poco igualitaria y auspiciada por intereses personales y por una competencia brutal entre personas, un nuevo enfoque en los planteamientos educativos, conducentes a formar científicos, ingenieros, etc., con alta calidad técnica, pero con una apreciable sensibilidad a los problemas de la sociedad y del mundo. Se habla de que la innovación, además de necesaria, es imprescindible en todos los ámbitos de desarrollo de la sociedad: apostemos, pues, claramente por la innovación educativa y revolucionemos los planteamientos de base de numerosos planes de estudio superiores. 22 Bajo esta óptica, y sin pretender entrar en una discusión más amplia, resulta igualmente indispensable no descuidar la formación tecnológica de los profesionales de la historia, de la filosofía, del arte, etc. La tecnología “nos ha invadido” y debemos estar todos formados como usuarios de la misma. CIENCIA, TECNOLOGÍA Y SOCIEDAD Nuestra sociedad se caracteriza por un pragmatismo exagerado, en el que todo se cifra en términos de rentabilidad, de modo que se aporta muy poco o nada nuevo. Se escasea lo original, lo verdaderamente nuevo; al contrario, se viste como nuevo aquello ya digerido, se presenta como original el reverso de la palabra. Es preciso, pues, un desaprendizaje del pensamiento viciado existente para generar ideas y conductas verdaderamente críticas, que superen la inercia psicológica hacia la mediocridad. Si el sentido común se convierte en discurso de excelencia, es evidente que algo no va bien; no obstante, ponemos el énfasis en ello, son necesarias ciertas dosis de sentido común en los tiempos que corren. Es la llamada “sociedad de la información”, sociedad de la abundancia de información reiterada, abundancia que adormece las conciencias y convierte en sujetos hiper- pasivos a la inmensa mayoría. Prima la desorientación y la pérdida del rumbo en el caminar diario. Es indudable que el estado tecnológico actual permite comunicarnos con cualquier parte del mundo en tiempo real, pero da la sensación de que todo evoluciona demasiado rápido y que los cambios no se asimilan adecuadamente. Es preciso sosegarse y disponer de unos cimientos fuertes basados en el conocimiento del ser humano y en las relaciones interpersonales. Puede resultar paradójico que la “comunicación” aísle, cuando su objetivo es precisamente el contrario. Internet fomenta la lectura, los contactos, la amistad... pero ¿consigue superar la soledad o la acentúa? Dejamos la pregunta abierta. Las nuevas tecnologías deben hacernos más humanos, no más “humanoides”, no más superficiales, no más islas dentro de la masa impersonal. Por ello, unos valores sólidos y una formación amplia son imprescindibles para conseguir integrar conocimiento científico y conocimiento humano, y, lo que es más importante, poder asumir en el día a día los avances Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �El humanismo científico y tecnológico desde la perspectiva de la sostenibilidad / Francisco Mata Cabrera tecnológicos, incorporándolos y adaptándolos a nuestra forma de vida, sin perder nuestra identidad, nuestra capacidad crítica, nuestro criterio, sin ser manipulados. No apostamos por el pensamiento único, uniforme, sino por la pluralidad de ideas capaz de integrar y construir nuevo conocimiento. Así, el pensamiento científico ha de ser entendido también como humanismo científico, en tanto que expresión de la creación e inquietudes del ser humano; además ha de ser un “pensamiento sostenible”, no al margen de la sociedad, de la naturaleza, de la historia y del futuro de la humanidad. Faltan quizás ciertas dosis de pedagogía en todos los ámbitos para superar lo que no es sino una división “artificial” entre cultura científica y cultura humanista. Estas ideas de carácter global deben llevarse a la práctica en nuestro entorno local, en nuestro trabajo, en nuestro camino profesional, abriendo una senda de cambio. José Ortega y Gasset necesario para la superación de la escisión entre cultura humanista y cultura científica. Las nuevas generaciones han de tener una visión amplia de la cultura en su conjunto, circunstancia que les permitirá estar preparados para la permanente adaptación al medio en un momento histórico de convulsiones constantes. Nos compete a todos (profesores, comunicadores, científicos....), con respeto y dedicación, asumir el reto de educar para el futuro, de formar y gestionar los recursos humanos (permítase el símil con la empresa) de las próximas décadas. El cambio, pues, estará basado en la educación, en cómo eduquemos, en qué enseñemos a los jóvenes. La educación marca a corto, pero muy especialmente, a medio y largo plazo. Queda mucho trabajo por hacer. Nos hemos referido a los “valores tecnológicos” como los valores de la nueva sociedad, que deben plasmarse en todas las interacciones del ser humano. No pretendemos dotar de “ánima” a las máquinas, pretendemos que el hombre actúe conforme a unos principios de conducta comúnmente aceptados, que piense por sí mismo, que sea sensible a su entorno... Como se ha dicho, la palabra clave es integrar, dar sentido a la misma realidad desde diferentes puntos de vista, aceptar opiniones, visiones o perspectivas del mundo. La sostenibilidad como tolerancia, como respeto, como solidaridad ha de ser un referente en la solución de los grandes problemas de la humanidad. Esperamos que las ideas aquí esbozadas sirvan para propiciar y enriquecer el debate. PERSPECTIVAS En palabras de Ortega y Gasset, “la cultura es el sistema vital de las ideas en cada tiempo”. Partiendo de la base de que la ciencia es cultura, creemos en una visión definida y clara de la cultura como ente plural y diverso, como cultura “integral”, como patrimonio intelectual de la humanidad, que agrupa, funde, relaciona y da sentido a la ciencia y al arte, a la técnica y a la filosofía, al conocimiento del ser humano en tanto que ser creador en el más amplio sentido del término. Cualquier manifestación de la inteligencia humana constituye “cuantos de conocimiento”, contribuciones únicas y al mismo tiempo complementarias. Se ha apuntado con cierta reiteración el papel decisivo de la educación en el “cambio de mentalidad” BIBLIOGRAFÍA 1. Flórez, Cirilo y otros, El humanismo científico, Caja Duero, Salamanca, 2001 2. Elorriaga, Javier y Elorriaga, Tomás, Ingeniería humanística para el desarrollo de personas y negocios, Obeto-Banpro, Vizcaya, 2001 3. Entrevista a Eudald Carbonell, La tecnología nos hace más humanos, Codirector del proyecto de Atapuerca. Revista técnica industrial. N 244, 2002 4. Sáez Brezmes, María José y otros, La cultura científica: un reto educativo, La Muralla, S.A., Madrid, 1998 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 23 �Aplicación de RNA en la identificación de corrientes de INRUSH en transformadores Ernesto Vázquez Martínez Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME, UANL, evazquez@gama.fime.uanl.mx José Alfredo Pérez Rodríguez Escuela Militar de Ingenieros, Secretaría de la Defensa Nacional, aprhawk1@hotmail.com ABSTRACT This paper describes the basic concepts of the protection of power transformers against shortcircuits, specifically the misoperations of the differential relay due to inrush current and the methods to solve this problem. The paper describes the insensibilization methods for differential protection, and it proposes an ANN for waveform differential current recognition as a new approach to solve the problem. KEYWORDS: Power system relaying, neural networks, pattern recognition. RESUMEN En este trabajo se describen los aspectos generales de la protección contra cortocircuitos de transformadores de potencia, haciendo énfasis en los métodos de insensibilización de los relevadores diferenciales para evitar operaciones incorrectas por efecto de las corrientes de inrush. Se realiza una descripción de los métodos actuales y se propone la utilización de una red de neuronas artificiales (RNA) para resolver el problema en términos del reconocimiento de la forma de onda de la corriente diferencial. PALABRAS CLAVE: Protección de sistemas eléctricos de potencia, redes neuronales, reconocimiento de patrones. INTRODUCCIÓN Cuando en un transformador ocurren fallas internas, se hace necesario la desconexión inmediata del transformador para evitar daños mayores y/o para preservar la estabilidad del sistema de potencia y la calidad del servicio. El principio de protección diferencial es comúnmente utilizado para la protección de transformadores de potencia, que se basa en la comparación de las corrientes del lado primario y secundario del transformador. Estas corrientes 24 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Aplicación de RNA en la identificación de corrientes de INRUSH en transformadores / Ernesto Vázquez Martínez, et a l tienen una relación bien definida en condiciones normales de operación. Cuando dichas corrientes exhiben un comportamiento distinto al de estado estable se asume que ha ocurrido un cortocircuito en el transformador y éste debe ser puesto fuera de servicio para revisión y mantenimiento. 1 Este procedimiento funciona correctamente en la mayoría de los casos, sin embargo, puede ocasionar operaciones incorrectas (y desconexión innecesaria del transformador) en presencia de la corriente transitoria de magnetización, la cual sólo está presente cuando el transformador está siendo energizado. Esta corriente circula solamente por el devanado primario del transformador (el devanado que es energizado) y por lo tanto representa una condición de falla interna para la protección diferencial. El método más común para evitar estas operaciones incorrectas es el uso del contenido de armónicas para discriminar entre corrientes de magnetización y de cortocircuito, lo que se denomina restricción por armónicas. En general, la corriente de magnetización presenta diferencias con la corriente de cortocircuito en la forma de onda debido a presencia de armónicas, especialmente de la segunda. Este comportamiento ha sido utilizado para el diseño de relevadores de protección diferencial con restricción de armónicas, de tal forma que si la magnitud de la segunda armónica en la corriente diferencial excede un porcentaje pre-definido de la componente fundamental, se asume que se trata de la energización del transformador y la protección es bloqueada para evitar una operación incorrecta. Actualmente existen distintos tipos de algoritmos para la protección diferencial de transformadores con restricción de armónicas. En general la decisión de operación o bloqueo se determina a partir de las magnitudes relativas de las componentes fundamental y de segunda armónica presentes en la corriente diferencial. Actualmente, los algoritmos que se utilizan en la protección diferencial para transformadores de potencia tienen tendencia a operar incorrectamente cuando se presenta una avalancha de corriente de magnetización (inrush), condición que es confundida como un cortocircuito, especialmente en condiciones donde la corriente de magnetización es altamente Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 simétrica. En estas circunstancias, los algoritmos tienen problemas para diferenciar en forma correcta si se trata de una condición de falla o una condición de energización, pudiendo provocar la desconexión incorrecta de un elemento sin falla, afectando así la continuidad del servicio eléctrico. Algunos de los nuevos algoritmos se basan en técnicas de reconocimiento de patrones a fin de resaltar las diferencias que existen entre las formas de onda de las corrientes de magnetización y de cortocircuito. En este trabajo se propone la utilización de una red neuronal para realizar la función de protección diferencial en un transformador. Las redes neuronales ofrecen la ventaja de discriminar entre una condición de falla de una condición inrush mediante el reconocimiento de la forma de onda y no mediante la comparación de la magnitud de las armónicas con respecto a la fundamental, que es la base de los algoritmos actuales y cuya magnitud depende de las características de los materiales magnéticos con los que actualmente se construyen los transformadores. El algoritmo está basado en una función de reconocimiento de patrones generado a través del entrenamiento de la red utilizando como información de entrada la corriente diferencial de error obtenida a la salida de los transformadores de corriente. 25 �Aplicación de RNA en la identificación de corrientes de INRUSH en transformadores / Ernesto Vázquez Martínez, et al CORRIENTE DE MAGNETIZACIÓN EN TRANSFORMADORES Cuando un transformador es energizado por primera vez, se presenta una corriente de magnetización transitoria. Despreciando las pérdidas, esta corriente de magnetización es la que establece el flujo en el núcleo y circula principalmente por la rama de excitación del transformador, es decir, es una corriente que circula sólo por el devanado primario. Esta corriente transitoria de magnetización puede ser de 8 a 30 veces la corriente nominal del transformador. Los factores que determinan la duración y magnitud de la corriente de magnetización son la capacidad y localización del transformador, la capacidad del sistema de potencia, la resistencia en el sistema de potencia desde la fuente al transformador, el tipo de hierro usado en el núcleo del transformador y su densidad de saturación, el nivel de flujo residual del transformador y la forma en que es energizado el transformador, entre otros.1 Cuando un transformador se desconecta del sistema, la corriente de magnetización se va a cero. El flujo, como consecuencia de la curva de histéresis, cae a un valor residual φR. Si el transformador fuera re-energizado en el instante en el que la forma de onda de voltaje corresponde a la densidad magnética residual dentro del núcleo, habría una continuación uniforme de la operación previa con ningún transitorio magnético (figura 1). En la práctica, sin embargo, no es posible controlar el instante de la energización y un transitorio magnético es prácticamente inevitable. Fig. 1. Corriente de magnetización cuando el transformador es re-energizado en el instante cuando la onda de voltaje corresponde al flujo residual dentro del núcleo. En la figura 2 se asume que el transformador es re-energizado en el instante en que el flujo está en su 26 Fig. 2. Corriente de magnetización cuando el transformador es re-energizado en el instante cuando el flujo se encuentra en su valor máximo. valor máximo negativo (-φmax). En este punto, el flujo residual tiene un valor positivo. Ya que el flujo magnético no puede cambiar instantáneamente la onda de flujo en lugar de iniciar en su valor normal (-φmax) y variar sinusoidalmente a lo largo de la línea punteada, iniciará con el valor del flujo residual φR siguiendo la curva φt . Si se considera una característica de saturación lineal en el transformador la curva φt es una senoidal desplazada, donde el valor de φmax es ±|φmax| + 2|φmax|. Este exceso de flujo magnético producirá una saturación en el núcleo del transformador, provocando un valor muy grande de la corriente de magnetización. El flujo residual, φR, es el flujo remanente en el núcleo después de que el transformador es desconectado. Ya que la corriente continua fluyendo momentáneamente después de la desconexión (v=0), el flujo decrecerá a lo largo de la curva de histéresis a un valor de φR donde la corriente es igual a cero. Ya que el flujo en cada una de las tres fases están separadas 120o , una fase tendrá un φR positivo y los otros dos un φR negativo o viceversa. Como resultado, el flujo residual puede sumarse o restarse al flujo total, incrementando o reduciendo la corriente de magnetización. La forma de onda de una corriente típica de magnetización se muestra en la figura 3. El tiempo que esta corriente está presente depende de la constante de tiempo del sistema (τ=L/R), pudiendo ser del orden de segundos hasta minutos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Aplicación de RNA en la identificación de corrientes de INRUSH en transformadores / Ernesto Vázquez Martínez, et al Fig. 3. Forma de onda de una corriente de magnetización. La constante de tiempo no es una constante, ya que L varía como un resultado de la saturación del transformador. Durante los primeros segundos, la saturación es alta y L es baja. Debido a las pérdidas en el núcleo, la saturación decae y L se incrementa. En este caso R permanecerá prácticamente constante y representa el amortiguamiento del circuito. Así, los transformadores que se encuentran cerca de un generador tendrán una corriente de magnetización con una larga duración debido al valor de resistencia bajo, originado por la corta distancia entre el transformador y el generador (fuente). De la misma manera los transformadores de gran capacidad tienden a tener corrientes de larga duración debido a su alto valor de inductancia relativa a la resistencia del sistema. MÉTODOS PARA INSENSIBILIZAR LA PROTECCIÓN DIFERENCIAL ANTE CORRIENTES DE MAGNETIZACIÓN Métodos basados en armónicas El contenido armónico de la corriente diferencial puede ser usado para restringir o bloquear al relevador, dando un medio para diferenciar entre fallas internas y corrientes de magnetización. Se han desarrollado diversos relevadores diferenciales en que se separan los armónicos presentes en la corriente diferencial y se utilizan para incrementar la retención o para inhibir la operación del relevador. En algunos casos se utiliza solamente el segundo armónico, en otros el total de armónicos de la corriente diferencial. En la figura 4 se presenta el esquema de un relevador diferencial electromagnético de retención por armónicos cuya aplicación ha dado muy buenos resultados. El relevador cuenta con transformadores Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 Fig. 4. Protección diferencial de un transformador con retención por armónicas. de corriente auxiliares de operación (TCop ) y de retención (TCret), cuyos primarios están conectados al esquema diferencial en la forma acostumbrada. A la bobina de operación BO llega solamente la componente fundamental de la corriente de operación, pues está conectada en serie con el filtro paso bajo formado por L1 y C1 . Los armónicos de esa corriente se van por el filtro compuesto por L 2 y C2 , que bloquea la componente fundamental. Esos armónicos son rectificados y realimentados a la bobina de retención BR, que también recibe la corriente normal de retención rectificada, procedente del transformador TC ret. Cuando la corriente diferencial es prácticamente sinusoidal, como es el caso para fallas internas, el relevador tiene un valor normal de pendiente en su característica. Cuando la corriente diferencial contiene armónicos (avalancha de corriente de magnetización), la retención adicional que ellos originan incrementa la pendiente del relevador, que resulta desensibilizado y se evita su operación. En las versiones estáticas de este relevador se hace la comparación de los valores rectificados de las corrientes de operación y retención. La variante de inhibición por armónicos se logra utilizando un relevador de porcentaje diferencial y una unidad adicional, que opera cuando el segundo armónico (o el total de armónicos) sobrepasa en valor un por ciento dado de la componente fundamental. Los contactos del relevador diferencial y de la unidad adicional se conectan en serie en el circuito de disparo. 27 �Aplicación de RNA en la identificación de corrientes de INRUSH en transformadores / Ernesto Vázquez Martínez, et al Con estos relevadores pueden lograrse corrientes mínimas de operación inferiores a la nominal del transformador (aunque no siempre menores que el 50% de esa corriente), y tiempos de operación del orden de 15 a 30 ms. Einval y Linders 2 diseñaron un relevador diferencial trifásico con restricción de segunda y quinta armónica. Este diseño complementó la idea de usar soló la segunda armónica para identificar la corriente de magnetización y usar la quinta armónica para evitar una operación errónea para condiciones de sobrexcitación en transformadores. Sharp y Glassburn2 fueron los primeros en proponer el bloqueo de armónicos. Diseñaron un relevador consistente de una unidad diferencial de porcentaje, DU y una unidad de bloqueo de armónicas, HBU. En la unidad de bloqueo de armónicas la componente fundamental y las armónicas más grandes de la corriente de operación son pasadas a través de dos circuitos en paralelo, son rectificadas y aplicadas a las bobinas de retención. Métodos de reconocimiento de forma de onda Otros métodos para discriminar las condiciones de fallas internas y corrientes de magnetización son basados en el reconocimiento directo de la distorsión de la forma de onda de la corriente diferencial. La identificación de la separación de picos en la corriente diferencial representa uno de los mayores grupos de métodos de reconocimiento de formas de onda. Bertula 4 diseñó un relevador diferencial en el cual los contactos vibraban ante corrientes de magnetización (debido a los bajos intervalos de corriente) y permanecían firmemente cerrados para corrientes simétricas correspondientes a fallas internas. Rockefeller5 propuso bloquear la operación del relevador si picos sucesivos de la corriente diferencial no se reducían dentro del intervalo de 7.5 a 10 ms. Un principio bien conocido, reconoce el ancho de los intervalos de tiempo durante el cual la corriente diferencial es cercana a cero. La corriente diferencial es comparada con umbrales positivos y negativos teniendo ambas iguales magnitudes. Esta comparación ayuda a determinar la duración de los intervalos durante el cual el valor absoluto de la 28 corriente es menor que el valor absoluto del umbral. Los intervalos de tiempo son comparados con un valor de umbral igual a un cuarto de ciclo. Para corrientes de magnetización (figura 5a), los intervalos de corriente bajos tA , son más grandes que un cuarto de ciclo, por lo tanto el relevador es bloqueado. Para fallas internas (figura 5b), los intervalos de corriente baja tB, son menores que un cuarto de ciclo, por lo tanto el relevador opera. Fig. 5. Relevador diferencial basado en el reconocimiento de la duración de tiempo de los intervalos de corriente. El uso de las componentes de la corriente diferencial rectificada da una forma indirecta para identificar la presencia de intervalos de corrientes bajas. Hegazy 6 propuso comparar la segunda armónica de la corriente diferencial rectificada con un umbral dado para generar una señal de disparo. Dmitrenko7 propuso producir una señal de disparo sí la polaridad de una señal sumada permanecía sin cambio. Esta señal es la suma de la componente de CD y la componente fundamental amplificada de la corriente diferencial rectificada. Otro grupo de métodos hace uso del reconocimiento del offset de CD o la asimetría en la corriente diferencial. Algunos de los primeros relevadores usaron la saturación de un transformador Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Aplicación de RNA en la identificación de corrientes de INRUSH en transformadores / Ernesto Vázquez Martínez, et al intermedio por el offset de CD de la corriente diferencial como un método de bloqueo. Una restricción adicional de transitorios basadas en la componente de CD fue un mejoramiento al bien conocido relevador diferencial con restricción de armónicas para transformadores de potencia. Michelson8 propuso comparar las amplitudes de los semiciclos positivos y negativos de la corriente diferencial con umbrales dados en dos elementos diferentes polarizados. Rockefeller5 sugirió extender esta idea a un relevador digital. Otra alternativa es usar la diferencia de los valores absolutos de los semiciclos positivos y negativos de la corriente diferencial por restringir. La amplitud del semiciclo negativo de la corriente diferencial puede ser usada como cantidad de operación del relevador. Más recientemente, Wilkinson 9 propuso hacer comparaciones separadas en ambos semiciclos de la corriente diferencial, dando lugar a esquemas de bloqueo por CD, como se sugiere en10 NUEVO MÉTODO PARA INSENSIBILIZAR LA PROTECCIÓN DIFERENCIAL Aunque los métodos descritos en la sección anterior han demostrado ser muy eficientes para discriminar entre corrientes de cortocircuito y corrientes de magnetización, presentan problemas cuando la corriente de magnetización exhibe un comportamiento simétrico. Debido a ello se propone un nuevo método, basado en el reconocimiento de la forma de onda de la corriente. El método consiste en el reconocimiento directo de la forma de onda de la corriente diferencial (Iop ) utilizando una red de neuronas artificiales. La red es entrenada para reconocer los rasgos distintivos de las corrientes de cortocircuito y de magnetización en un transformador, de tal forma que bloquea o permite la operación de la protección diferencial. ARQUITECTURA DE LA RED NEURONAL La arquitectura de la red de neuronas propuesta es una red de dos capas con alimentación hacia delante con 32 entradas, cinco neuronas en la primera capa y una neurona en la segunda capa o capa de salida, todas con una función de transferencia sigmoidal bipolar. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 En la figura 6 se muestra el esquema detallado de la red neuronal utilizada. El número de entradas de la red está seleccionado sobre la base de un tiempo de operación de dos ciclos de 60 Hz; si la frecuencia de muestreo de la señal de corriente es de 960 Hz, dos ciclos corresponden a 32 muestras. El número de neuronas de la primera capa fue seleccionado en forma empírica; en el caso de la capa de salida, sólo se requiere una neurona por tratarse de una decisión binaria, corriente de cortocircuito (+1) y corriente de magnetización (-1). De acuerdo a esto, una salida +1 permitirá la operación de la protección diferencial del transformador y una salida –1, bloqueará la protección para evitar una operación incorrecta. Según la estructura de la Fig. 6, las matrices de pesos tendrán una dimensión de (5 x 33) y (1 x 6), respectivamente. El entrenamiento de la red de neuronas se realizó mediante el algoritmo Levenverg-Marquardt que es una variación de la Backpropagation que actualiza los valores de pesos y polarizaciones de acuerdo a la 11 optimización Levenberg-Marquard Este algoritmo es más rápido que el backpropagation, pero requiere más recursos de cómputo para su ejecución. Fig. 6. Esquema detallado de la red neuronal utilizada. 29 �Aplicación de RNA en la identificación de corrientes de INRUSH en transformadores / Ernesto Vázquez Martínez, et al DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE POTENCIA DE PRUEBA El sistema de prueba utilizado es el mostrado en la figura 7; éste consiste en un transformador monofásico de 100MVA, 230/115 kV, conectado a dos fuentes a través de interruptores, la fuente conectada al primario del transformador es de 230kV a una frecuencia de 60 Hz y una impedancia inductiva; la fuente conectada al secundario del transformador es de 230kV a una frecuencia de 60 Hz con una impedancia de fuente de 100 ohms. El sistema incluye un módulo de carga variable y un módulo de falla (cortocircuito) conectado al secundario del transformador. La fuente conectada en el lado primario cuenta con una impedancia RL, que puede modificarse para cambiar la constante del tiempo de la componente aperiódica de corriente directa. El sistema fue simulado en el programa Electro-Magnetic transients in DC (PSCAD/ EMTCD, versión 3.0.8) 12 Fig. 7. Sistema simulado para el entrenamiento y prueba de la red neuronal. Los sensores de corriente IPRI e ISEC simulan transformadores de corriente ideales; esto significa que se desprecian los efectos transitorios de estos dispositivos. ENTRENAMIENTO Para el entrenamiento de la red de neuronas se utilizó la magnitud incremental de la corriente de operación de un relevador diferencial,13 donde Iop = IPRI – ISEC en el sistema de prueba. Las salidas de la red fueron seleccionadas como –1 en el caso de una corriente de magnetización y un valor de +1 para una corriente de cortocircuito. La determinación de los patrones de entrenamiento se realizó simulando la ocurrencia de una falla en el devanado secundario del transformador y la conexión del transformador 30 en 16 instantes de tiempo en un ciclo de la onda de voltaje, en diferentes condiciones. A fin de simular el procesamiento de la información que tiene lugar en un relevador digital, la información de corriente obtenida por simulación se considera señales “analógicas”. Para ello se utilizó un paso de integración de 34.722 ms, lo que da lugar a 480 muestras por ciclo lo que representa una frecuencia de muestreo de 28.8 KHz. La primera etapa de procesamiento de información en un relevador es acondicionar las señales analógicas de entrada. Este acondicionamiento incluye un filtro paso-bajo para eliminar las altas frecuencias para evitar el problema 13 de aliasing durante el proceso de muestreo. La siguiente etapa es la conversión analógica-digital con una determinada frecuencia de muestreo. En este caso no se considera el error debido a la resolución del proceso de conversión (número de bits del procesador), y esta etapa se simula con un diezmado de razón de 30, dando lugar a un muestreo de 16 muestras por ciclo, y que corresponde a una frecuencia de muestreo de 960 Hz típico en relevadores digitales. Un paso muy importante en el tratamiento de la señal en un relevador es remover o eliminar la componente aperiódica de CD, ya que esta componente produce efectos no deseables en los relevadores. En el caso de la protección diferencial de transformadores, puede ocasionar operaciones incorrectas para cortocircuitos externos al transformador debido a la saturación de los transformadores de corriente. Muchos algoritmos han sido usados para remover la componente de CD. Un grupo de estos algoritmos usa el concepto de que una muestra de la componente fundamental de corriente tiene la misma magnitud y el signo opuesto a una muestra tomada 180o después. Las componentes de CD para cada una de esas muestras son los mismos. Así, para una frecuencia de muestreo de 960 Hz, se tiene: Offset = I k + I k −8 2 donde Ik es el valor actual de corriente e I k-8 es el valor de corriente ocho muestras atrás. Con dieciséis muestras por ciclo, esas muestras estarían defasadas Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Aplicación de RNA en la identificación de corrientes de INRUSH en transformadores / Ernesto Vázquez Martínez, et al 180o y el efecto de la componente aperiódica de CD en la corriente de operación puede ser minimizado. El offset puede después ser usado como un factor de corrección para las muestras de corriente tomadas en este intervalo. Una vez reducido el efecto de CD en la corriente de operación, es posible obtener la corriente de operación incremental mediante el uso de un Filtro14 Delta, cuya representación se indica en la figura 8. Fig. 8. Representación del filtro-delta para una forma de onda variante en el tiempo. El Filtro-Delta básico substrae de una forma de onda, la misma forma de onda con un retardo de tiempo de un ciclo y posteriormente la resta de la señal original. Esto significa que en ausencia de cualquier transitorio (cortocircuito o conexión del transformador), la salida del filtro es cero; en caso contrario, la señal de salida del filtro representa el transitorio que está ocurriendo. Se consideraron cinco escenarios de simulación, cada uno con diferentes condiciones de operación para obtener las señales incrementales de la corriente de operación con el fin de obtener los patrones de entrenamiento para la red. Estos escenarios son los siguientes: I. Energización del transformador en vacío. II. Energización del transformador con carga. III. Cortocircuito al energizar el transformador (en vacío). IV. Cortocircuito al energizar el transformador (con carga). V. Cortocircuito durante la operación normal del transformador. Estas simulaciones se realizaron en 16 instantes de tiempo durante un ciclo de voltaje (60 Hz), modificando la impedancia de la fuente para variar la consIngenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 tante de tiempo de la componente aperiódica, y la impedancia de la carga para variar los regímenes de operación del transformador. A continuación se describe cada una de las condiciones con la que se simularon los escenarios antes mencionados (casos de entrenamiento): Primer caso: Carga = 10 MW, 5 MVAR, ZFuente= 10 Ω, 0.05 mH. Segundo caso: Carga = 10 MW, 5 MVAR, Z Fuente = 15 Ω, 0.003 mH. Tercer caso: Carga = 10 MW, 5 MVAR, ZFuente = 4 Ω, 0.2 mH. Cuarto caso: Carga = 65 MW, 40 MVAR, Z Fuente = 10 Ω, 0.05 mH. Quinto caso: Carga = 65 MW, 10 MVAR, Z Fuente = 10 Ω, 0.05 mH. La matriz de entrenamiento completa para la red consta de 32 renglones (información de entrada a la red, correspondiente a 2 ciclos de la corriente de operación incremental) y 400 columnas que corresponden a los cinco casos descritos (cada caso incluye la simulación de los cinco escenarios en 16 instantes de tiempo). Del número total de casos, 160 corresponden a energización (corriente de magnetización) y 240 a cortocircuito. En la tabla I se describe la matriz de entrenamiento. Tabla. I. Vectores de la matriz de entrenamiento. Matriz de entrenamiento Vectores de energización Vectores de cortocircuito 1- 32 33-80 81-112 113-160 161-192 193-240 241-272 273-320 321-352 353-400 El algoritmo de entrenamiento LevenbergMarquardt se implementó utilizando el Neural Network Toolbox de MATLAB; con un error máximo admisible de 1E-5, el tiempo total de entrenamiento fue de 15 segundos, con un total de 45 iteraciones. Los pesos iniciales de la red neuronal fueron seleccionados en forma aleatoria, cumpliendo con el criterio 0<w ij <1. 31 �Aplicación de RNA en la identificación de corrientes de INRUSH en transformadores / Ernesto Vázquez Martínez, et al Fig. 9. Salida de la RNA para los 400 casos de entrenamiento. Fig. 10. Salida de la RNA para el caso 1. En la figura 9 se muestra la salida de la red, una vez entrenada, utilizando como información de entrada los 400 vectores de entrenamiento; se puede apreciar que la red reconoce los casos de energización y cortocircuito, según se indica en la tabla I. RESULTADOS Para probar el funcionamiento de la red se consideraron cuatro casos diferentes a los utilizados en el entrenamiento, en los mismos cinco escenarios descritos. De esta forma, las matrices de entrada constan de 32 renglones y 80 columnas (los cinco escenarios simulados en 16 instantes de tiempo) de las cuales las 32 primeras columnas corresponde a los escenarios I y II (energización) y las otras 48 columnas corresponden a los escenarios III, IV y V (cortocircuitos). Los cuatro casos de prueba son: Primer caso: Carga = 85 MW, 10 MVAR, Z Fuente= 10 Ω, 0.05 mH. Segundo caso: Carga = 10 MW, 5 MVAR, ZFuente= 3 Ω, 0.001 mH. Tercer caso: Carga = 40 MW, 20 MVAR, Z Fuente= 10 Ω, 0.05 mH. Cuarto caso: Carga = 50 MW, 15 MVAR, ZFuente = 13 Ω, 0.1 mH. De esta forma, se modifican las condiciones de operación, y la constante de tiempo de la componente aperíodica de CD. En las figuras 10 a la 13 se muestran los resultados obtenidos por la red de neuronas para los nuevos cuatro casos. Las gráficas 32 Fig. 11. Salida de la RNA para el caso 2. Fig. 12. Salida de la RNA para el caso 3. muestran la eficacia de la red neuronal ya que la respuesta de salida de la red después de haber reconocido las 80 entradas dadas, nos muestra como las primeras 32 señales de entrada son de energización Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Aplicación de RNA en la identificación de corrientes de INRUSH en transformadores / Ernesto Vázquez Martínez, et al Fig. 13. Salida de la RNA para el caso 4. (salida –1), mientras que las 48 señales restantes corresponden a un cortocircuito (salida +1). CONCLUSIONES En este artículo se presentó una nueva alternativa para la protección diferencial de transformadores de potencia, a partir del reconocimiento de la forma de onda de la corriente diferencial incremental en el relevador utilizando una RNA. Las pruebas realizadas muestran que la RNA discrimina entre corrientes de inrush y de cortocircuito, en distintas condiciones de operación y distintos parámetros del sistema de potencia. La próxima etapa de este trabajo de investigación es extender estos resultados al caso de transformadores trifásicos. TRABAJOS FUTUROS En este trabajo sólo se consideró la posiblidad de fallas en el lado secundario del transformador, asumiendo que los cortocircuitos en el lado primario tienen un comportamiento similar. Así mismo no se han considerado los casos donde se presenten recuperaciones transitorias de voltaje, debido a cortocircuitos o conexión de otros elementos en la red eléctrica, los cuales deberán ser desarrollados como un siguiente paso en la integración de un esquema de protección diferencial completo. IEEE Trans. PAS, vol. PAS-94, no. 6, pp. 19711980, Nov./Dec. 1975. 3. R. L. Sharp and W. E. Glassburn, “A transformer differential relay with second-harmonic restraint,” AIEE. 4. G. Bertula, “Enhanced transformer protection through inrush-proof ratio differential relays, “Brown Boveri Review, vol. 32, pp. 129-133, 1945. 5. G. D. 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Usually, this technique is used to improve the mechanical properties of thermoset networks. An alternative application is the synthesis of porous thermosets. x=0,30 -1,5 x=0,25 x=0,20 -2 x=0,15 -2,5 = 0,10 x x=0,05 -3 -3,5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Fracción en masa de PVME 0,9 KEYWORDS: Thermosets, phase separation, reaction, blend, morphology. RESUMEN La estrategia denominada Separación de Fase Inducida por una Reacción (RIPS por sus siglas en inglés) es una alternativa interesante para la fabricación de mezclas poliméricas reactivas. En dicha estrategia las morfologías obtenidas son controladas por la evolución de la viscosidad del sistema y por las cinéticas de polimerización y de separación de fases. Generalmente esta estrategia es utilizada para mejorar las propiedades mecánicas de los polímeros termofijos. Una aplicación alternativa es la fabricación de materiales porosos. PALABRAS CLAVES Mezclas, separación de fases, polimerización, termofijos, morfología. INTRODUCCIÓN Dentro del área de los materiales macromoleculares, podemos distinguir dos grupos principales de polímeros: a) termoplásticos, este tipo de polímeros pueden procesarse y reutilizarse mediante la aplicación de calor y presión b) termofijos, estos se distinguen por su estructura en forma de red tridimensional reticulada (network) que impide su reutilización. 34 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 1 �Fabricación de mezclas reactivas mediante la estrategia... / Antonio García Loera Las estructuras reticuladas son obtenidas por la polimerización de uno o varios monómeros con funcionalidades superiores a dos. La síntesis de los polímeros termofijos puede efectuarse por medio de diferentes reacciones químicas como: la policondensación y la polimerización en cadena (radicálica, iónica catiónica...).1 Actualmente el desarrollo de nuevos materiales es gobernado por 3 parámetros claves: peso, tamaño y velocidad. Dichos parámetros han implantado nuevas exigencias dentro de la industria del transporte, electrónica, óptica etc. Frecuentemente los nuevos protocolos de producción son tan severos que un solo polímero no puede cubrir con todos los requisitos de fabricación de un componente estructural, electrónico y/o térmico. Una estrategia para cumplir con los nuevos protocolos de producción es la utilización de mezclas de 2 ó más polímeros. No obstante el empleo de mezclas poliméricas requiere un control preciso de las morfologías debido a que sus propiedades (físicas y químicas) dependen de la distribución, del tamaño y de la geometría de las fases implicadas. Por lo anterior, el estudio y desarrollo de técnicas de mezclado se ha convertido en un tema de investigación de gran interés. El objetivo principal de la presente publicación es el de exponer los principios básicos de la fabricación de mezclas a base de polímeros termofijos mediante la estrategia de separación de fase inducida por una reacción (RIPS). SISTEMAS TERMOFIJOS Respecto a los polímeros termoplásticos, los sistemas termofijos presentan una mejor estabilidad termomecánica así como una mayor resistencia a los solventes, esto debido a su estructura reticulada. Sin embargo la fragilidad (baja resistencia al impacto y la fisuración) de estos materiales limita el área de aplicaciones. Una estrategia para mejorar las propiedades físicas de las redes termofijas es la fabricación de materiales heterogéneos o bifásicos. Dichos materiales están constituidos por una matriz termofija dentro de la cual una segunda fase ha sido dispersada (figura 1). La segunda fase puede ser un Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 5 µm Fig. 1.- Micrografía de una mezcla polimérica policianurato/polióxido de metileno. termoplástico, un elastómero, una carga mineral o bien simplemente aire (materiales porosos). Dentro de la fabricación de mezclas a base de materiales termofijos es importante considerar los cambios estructurales que experimentan los polímeros termofijos. La importancia de dichas transformaciones reside en los cambios fisicoquímicos y viscoelásticos que modifican las interacciones con el resto de las fases implicadas. Dos transformaciones estructurales importantes han sido observadas durante la reacción de polimerización de los sistemas termofijos: A) La gelación marca el pasaje del estado líquido al estado elastomérico, esto debido a la formación de la primera molécula tridimensional que ocupa todo el volumen de reacción. Una vez que el material alcanza esta transformación, sus propiedades reológicas serán de carácter elástico. B) La vitrificación se define como el pasaje de un estado elastomérico a un estado sólido vítreo. Este fenómeno se produce cuando la temperatura de transición vítrea (Tg) del sistema parcialmente polimerizado alcanza la temperatura de reacción, de manera general la aparición de la vitrificación retrasa la reacción de polimerización. Estas dos transformaciones pueden ser representadas sobre un diagrama TiempoTemperatura-Transformación (TTT).2 En este tipo de gráfica, el tiempo necesario para alcanzar la vitrificación o gelación es trazado en función de diferentes temperaturas isotermas de reacción. 35 �Fabricación de mezclas reactivas mediante la estrategia... / Antonio García Loera SISTEMAS TERMOFIJOS HETEROGÉNEOS (BIFÁSICOS) Inicialmente la elaboración de sistemas bifásicos tenía como objetivo principal el incremento de las propiedades mecánicas, especialmente la tenacidad y la resistencia al impacto. 3 Posteriormente el interés de estos materiales se ha diversificado, por ejemplo: Massod-Siddiqi y col. 4 utilizaron resinas epóxicas como matrices dentro de las cuales fueron dispersadas moléculas funcionales (cristales líquidos) o bien polímeros conductores.5 Hedrick y col. 6 así como Kieffer y col. 7 se han interesado a la elaboración de matrices termofijas porosas, esto con la finalidad de disminuir la constante dieléctrica de dichas matrices. De manera global la síntesis de materiales termofijos bifásicos puede ser clasificada en dos grandes grupos: a) Dispersión de partículas preformadas (no miscibles) dentro de los monómeros. b) Utilización de aditivos inicialmente miscibles con los monómeros, posteriormente dichos aditivos serán segregados durante la reacción de polimerización (Estrategia RIPS).8 La ventaja de la técnica RIPS, con respecto a las demás técnicas, es la de poder obtener y controlar diversos tipos de morfologías (nodulares e interconectadas), esto debido a que esta estrategia está gobernada por el equilibrio termodinámico de las diferentes fases. PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA ESTRATEGIA RIPS En la técnica de RIPS, el sistema inicial es miscible y está constituido por monómeros y/o comonómeros así como de un aditivo (termoplásticos, elastómeros, solventes...). Durante la reacción de polimerización una separación de fases es inducida por un desequilibrio en la evolución de la energía libre de la mezcla (∆Gm ), figura 2. Usualmente este desequilibrio es atribuido a la disminución de la entropía de la mezcla (∆Sm ).9 La figura 3 esquematiza la fabricación de materiales heterogéneos a partir de la técnica RIPS. Fase Reactiva Aditivo Mezcla Homogénea Polimerización Separación de fases 0,5 x= 0,50 0 x= 0,45 -0,5 x= 0,40 Mezcla Heterogénea x= 0,35 Fig. 3. Esquema de la estrategia de fabricación de materiales heterogéneos RIPS. 3 ∆Gv (J/cm ) -1 x= 0,30 -1,5 x= 0,25 x= 0,20 -2 x= 0,15 -2,5 = 0,10 x x= 0,05 -3 -3,5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Fracción en masa de PVME 0,8 0,9 1 Fig. 2. Evolución de la energía libre de Gibbs (∆Gm) en función de la conversión (x) de una mezcla reactiva. 36 Debido a que la estrategia RIPS es controlada por la miscibilidad de sus componentes es importante mencionar algunos conceptos básicos de los diagramas de fases utilizados en el estudio de los polímeros. Dos tipos de diagramas de fases son normalmente utilizados para el estudio de mezclas de polímeros.10 El primer diagrama es el llamado TemperaturaIngenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Fabricación de mezclas reactivas mediante la estrategia... / Antonio García Loera Composición, este tipo de diagramas son utilizados sobre todo para determinar el comportamiento de la miscibilidad con respecto a la temperatura. Si la miscibilidad se incrementa con la temperatura, entonces hablaremos de un comportamiento de tipo UCST ( Upper Critical Solution Temperature); por otra parte si la miscibilidad disminuye con la temperatura entonces hablaremos de un comportamiento de tipo LCST (Lower Critical Solution Temperature). Dentro del estudio de las mezclas reactivas, los diagramas TemperaturaComposición se limitan a la determinación de la miscibilidad inicial de los componentes, es decir antes de que la polimerización dé inicio. El segundo tipo de diagramas es conocido como Conversión-Composición,11 estos gráficos son más apropiados para el estudio de mezclas reactivas. La obtención de dichos diagramas se efectúa a través de las cinéticas de polimerización isotermas de los monómeros. MISCIBILIDAD Y TERMODINÁMICA DE LAS MEZCLAS POLIMÉRICAS De manera general y a una temperatura fija, la miscibilidad puede ser analizada a partir de la forma de la curva de ∆Gm en función de la composición de la mezcla. La figura 4 muestra los 3 posibles casos que pueden presentarse dentro del análisis de una muestra polimérica. Curva c ∆ Gm 0 2 µα 2 ∂∆G/ ∂ϕ = 0 Curva b µβ µ=∂∆ G/∂ϕ Curva a ϕA Composición ϕ B Fig. 4. Evolución del ∆Gm en función de la composición de una mezcla A+B Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 1er Caso.- Los componentes son completamente miscibles en toda proporción si los valores de ∆Gm son negativos para toda la gama de composiciones. Ningún punto de inflexión se presenta en esta trayectoria (curva A). 2do Caso.- La inmiscibilidad total corresponde a la curva C donde todos los valores de ∆Gm son positivos. 3er Caso.- La mezcla es parcialmente miscible (aparición de una separación de fases). En este caso la curva de ∆Gm describe una trayectoria (curva B) que es caracterizada por la presencia de 2 puntos con una tangente común, así como por 2 puntos de inflexión. Los dos puntos de inflexión corresponden a los valores donde la segunda derivada tiende a cero: ∂ 2∆Gm /∂ϕ 2 = 0 Esta expresión corresponde a la condición termodinámica para inducir una descomposición de tipo espinodal. Dicha descomposición está caracterizada por tener una baja amplitud en las fluctuaciones de las concentraciones. Para las mezclas con composiciones comprendidas entre estos 2 puntos (∂ 2∆Gm /∂ϕ 2 < 0), la separación de fases tendrá lugar de manera espontánea. Este tipo de descomposición corresponde a un estado inestable y no requiere energía de activación para desarrollarse.12 La descomposición binodal es un proceso de separación de fases gobernado por un mecanismo de nucleación y crecimiento (no espontáneo). El fenómeno de nucleación y crecimiento está asociado a la metaestabilidad del sistema, esto implica la existencia de una barrera energética así como presencia de amplias fluctuaciones en la composición. La presencia de partículas de un tamaño crítico llamadas núcleos es igualmente necesaria para inducir una separación de fases de este tipo. Gráficamente los límites de la descomposición binodal corresponden a los 2 puntos que tienen una tangente común. 13 Estos 2 puntos pueden ser determinados a partir de la igualdad de potenciales químicos de cada componente ∆µi: ∆µAα = ∆µAβ ∆µBα = ∆µBβ ∆µi = ∂∆G / ∂ϕ i 37 �Fabricación de mezclas reactivas mediante la estrategia... / Antonio García Loera donde α y β son respectivamente las fases ricas en los componentes A y B. El punto donde la descomposición binodal y spinodal se unen es llamado punto crítico o composición crítica ϕ crit. La determinación de dicha composición es de gran utilidad práctica, ya que la naturaleza de la fase continua y de la fase dispersa dependen de la composición de A y B con respecto al ϕ crit. En el caso de una mezcla a base de componentes monodispersos, el ϕ crit puede ser calculado a partir de:8 1 / (1-ϕ crit) = 1 + (Vmono / Vadit) ½ Donde Vmono y Vadit son respectivamente los volúmenes molares de los monómeros y del aditivo. La ecuación precedente nos muestra la dependencia del ϕ crit con respecto a los volúmenes molares de los componentes, dentro de la figura 5 se ilustra dicha influencia. Descomposición espinodal Descomposición binodal A Conversión x ϕcrit Descomposición espinodal Descomposición binodal B ϕcrit Descomposición binodal ϕ mono Descomposición espinodal ϕcrit Composición Descomposición binodal Descomposición espinodal Fig. 6. Esquema de las estructuras obtenidas inmediatamente después de la separación de fases La evolución de las estructuras obtenidas por una descomposición binodal no presentan cambios significativos respecto a la geometría de las morfologías, es decir al final de la reacción de polimerización se obtendrán estructuras nodulares. En el caso de la descomposición espinodal, Girard-Reydet14 demostró que las estructuras pueden evolucionar para minimizar su interfase, de manera que al final de la polimerización se obtienen morfologías de tipo nodular. Este tipo de fenómeno (coarsening) está directamente relacionado con la viscosidad de la mezcla así como del porcentaje de la fase dispersa (figura 7). C ϕ adit Fig. 5. Diagramas de fases Conversión-Composición de mezclas con aditivos de diferente volumen molar V A > VB > VC En base a la figura anterior, podemos constatar que el ϕ crit de las mezclas a base de aditivos de bajo volumen molar (agua, alcanos etc.) se sitúa a altas concentraciones de aditivo. Por otra parte las mezclas a base de aditivos de alto volumen molar (termoplásticos) presentan un ϕ crit a altas concentraciones del monómero. 38 Respecto a las morfologías es conveniente señalar que las estructuras obtenidas por la descomposición binodal y espinodal son claramente diferentes inmediatamente después de la separación de fases. La descomposición binodal (nucleación y crecimiento) conduce a la formación de una fase dispersa en forma de nódulos, por otra parte la descomposición espinodal da como resultado una estructura continua o interconectada (figura 6). Fig. 7. Evolución de una estructura interconectada en función del avance de la reacción de polimerización. Para evitar la coalescencia de las partículas, y por consecuencia mantener la morfología al momento de la separación de fases, es recomendable que dicha separación se lleve a cabo a un tiempo cercano al tiempo de gelación del termofijo; sin embargo la separación de fases debe ocurrir antes de la Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Fabricación de mezclas reactivas mediante la estrategia... / Antonio García Loera vitrificación ya que una vez que ésta es alcanzada es posible que las fases no se separen y por tanto se obtendrá una red interpenetrada y no un material heterogéneo. CONCLUSIONES La estrategia RIPS permite elaborar mezclas reactivas con morfologías nodulares e interconectadas, esta particularidad hace que dicha estrategia sea uno de los procesos de mezclado más versátiles. La utilización de la estrategia RIPS requiere un control preciso de las cinéticas de polimerización (tiempos de gelación y vitrificación) así como de los parámetros termodinámicos (entálpicos y entrópicos) que gobiernan la miscibilidad de los componentes. La evolución de la miscibilidad de los sistemas reactivos está representada dentro de los diagramas pseudo binarios de Conversión-Composición. Estos diagramas definen el tipo de morfología así como el mecanismo de separación de fases. La masa molar del aditivo es importante ya que nos permite desplazar la posición de punto crítico y por tanto definir cual será la fase continúa. La inversión de fases (nódulos del polímero termofijo dentro de una fase continua de aditivo) se sitúa a altas concentraciones del aditivo si este es de baja masa molar, esto significa que podemos incrementar la cantidad de aditivo dentro de una matriz termofija si utilizamos un aditivo de baja masa molar. REFERENCIAS 1. 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ABSTRACT The performance of different dielectric fluids used in Electrical Discharge Machining (EDM) is analyzed in this work. Three different set-ups of work in terms or Metal Removal Rate (MMR), Wear Ratio (WR) and roughness parameter (Ra) were considered. Five tests with different types of dielectric fluids using a cooper tool have been done. Very important differences in surface quality were observed depending on the dielectric fluids. An important conclusion about the use of kerosene is presented. KEYWORDS EDM, dielectric fluids, MRR, topography and roughness. RESUMEN El objetivo de este trabajo es el estudio de las superficies producidas por el proceso de descargas eléctricas EDM con diferentes tipos de fluidos dieléctricos en tres regímenes de fabricación. Fueron realizadas pruebas con cinco tipos diferentes de fluidos dieléctricos y con una herramienta cilíndrica vaciada de cobre electrolítico. Se verificó que existen diferencias importantes cuando se fabrica con fluidos diferentes, manteniéndose constante todas las demás condiciones de operación. Se observó que hay grandes variaciones en la calidad de la pieza fabricada en función del fluido dieléctrico empleado. Importantes conclusiones relativas al uso de queroseno son presentadas. PALABRAS CLAVE Maquinado por descargas eléctricas, fluidos dieléctricos, acabado superficial. 40 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Evaluación de superficies maquinadas por descargas eléctricas... / Luciano José Arantes, et al INTRODUCCIÓN La fabricación por descargas eléctricas (EDM Electric Discharge Machining) o fabricación por electroerosión, como es conocida todavía en la industria, es un proceso indicado en la fabricación de formas complejas en materiales que sean conductores eléctricos, especialmente aquellos de alta resistencia, difíciles de ser fabricados por procesos tradicionales. Sus principales aplicaciones son: fabricación de matrices para estampado y fundición, hileras para trefiliación, expulsión, moldes de plástico, en fin, para el sector de herramienta en general (Cruz, 1999). Los fluidos dieléctricos específicamente desarrollados para el proceso EDM son hidrocarburos altamente refinados o sintéticos. Existen innumerables características físicas y químicas que pueden ser usadas para definir e identificar el desempeño de cada fluido. En este trabajo serán abordadas las características más importantes en el proceso, en base a los datos suministrados por los fabricantes, ya que se trata de un trabajo de análisis de desempeño (Intech EDM,1996). Las características físico-químicas de los fluidos para EDM pueden o no influenciar el desempeño del proceso. Entre las características que tienen influencia decisiva están: resistencia dieléctrica, viscosidad, punto de fulgor y estabilidad a la oxidación. Otras características con poca o ninguna influencia en el desempeño del proceso son: olor, color y punto de fluidez. Actualmente, un factor importante tanto en la selección del fluido es la seguridad, como el al- Fig. 1. Ejemplo de pieza de pequeñas dimensiones fabricadas por el proceso EDM. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 macenamiento y uso en las operaciones de EDM. Un fluido que presenta características químicas que producen una elevada calidad en la superficie de la pieza fabricada y unas altas Tasas de Remoción de Material (TRM), puede ser nocivo para la salud del operador. La cuestión de la calidad del ambiente de trabajo y de la salud ocupacional debe ser tomado en consideración debido a las legislaciones ambientales y del trabajo, debido a que los fluidos dieléctricos más tóxicos pueden causar problemas serios de dermatitis e intoxicaciones por la innalación del producto evaporado (Intech EDM,1996). OBJETIVOS El principal objetivo de este trabajo es discutir y analizar algunos de los factores más importantes que influyen en el proceso de fabricación por descargas eléctricas, además de evaluar el desempeño de algunos fluidos dieléctricos comerciales en Brasil, sus características y posibles aplicaciones. La principal justificación para la realización de este trabajo se basa en el hecho de que existe la necesidad de literatura dirigida a la industria, que oriente sobre cuál fluido dieléctrico es más indicado para cada aplicación (acabado, desbaste o corte, semi-acabado, tipo diferente de material). Eso fue evidente durante la búsqueda de artículos sobre el tema, dada la dificultad de encontrar trabajos respecto al uso del fluido dieléctrico en la fabricación por electroerosión. Por lo tanto, se espera que este trabajo contribuya tanto para la industria como para la orientación de nuevos estudios académicos. FLUIDO DIELÉCTRICO Los fluidos dieléctricos pueden ser: Queroseno, hidrocarbono activado - ambos derivados del petróleo- agua desionizada y hasta ciertas soluciones acuosas. Conforme Fuller (1989), el fluido dieléctrico tiene un papel fundamental en el proceso: controlar la potencia de abertura de la descarga. Además ejerce otras dos funciones en el proceso: promueve el lavado de la interfase herramienta-pieza (gap), arrastrando hacia fuera las partículas erosionadas y auxilia en el enfriamiento del sistema, en los alrededores de las descargas. 41 �Evaluación de superficies maquinadas por descargas eléctricas... / Luciano José Arantes, et al Figura 3. Esquema del diagrama de bloques para la metodología. Fig. 2. Pieza de grandes dimensiones y forma compleja fabricadas por el proceso EDM. El arrastre adecuado es muy importante para el desempeño optimizado del proceso, siendo el gran responsable por la presencia de una capa refundida más o menos profunda. Una adecuada capacidad refrigerante permite un enfriamiento relativamente rápido de las partículas erosionadas, evitándose así un aumento de partículas que volverán a solidificarse e integrar el material constituído de la capa refundida, lo que acaba por ser muy perjudicial a la integridad superficial de la pieza. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En la figura 3, se presentan en forma esquemática, las diversas etapas para la ejecución de este trabajo. Los regímenes de fabricación utilizados en los ensayos fueron tres: corte severo, medio y ligero. Para cada régimen, teóricamente se espera que calidades diferentes de los aceites dieléctricos promuevan rendimientos diferenciados en las tasas de remoción de material, rigidez dieléctrica y acabado superficial. Se utilizó el manual de la máquina EDM para la determinación de las variables más adecuadas para nuestra investigación. Las variables están detalladas en la tabla I mostrada a continuación: 42 Tabla I. Parámetros utilizados en las pruebas definitivas. Régimen Ton (ms) DT (%) Ts Corriente (A) Tensión (V) Corte severo 400 95 6 20 60 Corte medio 200 95 4 15 50 Corte ligero 75 90 3 10 40 Ton = tiempo descarga (ms); DT=(Ton /tiempo total)x100 (%); Ts = Potencia eléctrica de la descarga. En base a datos dados por los fabricantes de los fluidos dieléctricos fue realizada una investigación de mercado sobre los precios de los diferentes fluidos analizados. La información reunida es mostrada en la Tabla II. Tabla II. Precios de mercado para los fluídos probados. Fluído Dieléctrico Precio de mercado (US$/Litro) Aceite A 1,96 Aceite B 0,88 Aceite C 1,28 Aceite D 1,68 Aceite E 0,60 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Evaluación de superficies maquinadas por descargas eléctricas... / Luciano José Arantes, et al En la tabla III se muestran las características típicas de los fluidos electricos seleccionados para las pruebas. Tabla III. Caracteristicas típicas de los fluidos dieléctricos utilizados en las pruebas. Propiedades Aceite A Aceite B Aceite C Aceite D E Queroseno Color ASTM (D-1500) L 0,5 L1 L1 L1 L1 Densidad a 20ºC (D-4052) 0,843 0,760 0,782 0,80mín 0,844max 0,76mín 0,82máx Punto de Fluidez, ºC (D-97) -12 ---- 3 ---- ---- Viscosidad cSt a 40ºC (D-445) 3,7 2,3 mín 2,5 máx 2,54 2,5mín 2,8máx 1mín 2máx Viscosidad cSt a100ºC (D-445) 1,4 ---- ---- ---- ---- Punto de Ignición, ºC (D-92) 130 110 110 100 40 Utilizando los parámetros seleccionados en la tabla I, se inició la 3ª etapa, donde fueron evaluados tanto la rugosidad media aritmética (Ra) y el análisis topográfico. Para la realización de las mismas se utilizaron los siguientes equipos • Rugosimetros SURTRONIC 3+ Rank Taylo Hobson. • Microscopio de barrido ZEIZZ LEO 940 A. El total de piezas fabricadas o número total de ensayos es igual al número de régimen de fabricación (NR=3) veces el número de fluidos dieléctricos (NFD=5) veces el número de repeticiones (NR=5), dando un total de 75 operaciones de fabricación. Un número de repeticiones de cada ensayo igual a cinco genera una mayor confiabilidad en los resultados, una vez que el proceso EDM es influenciado por varios factores, tales como humedad en el fluído dieléctrico, temperatura ambiente y del fluído, grado de contaminación por partículas erosionadas, grado de degradación del fluído, etc. los que modifican sensiblemente los valores de TRM y Rigidez dieléctrica (RD). Por tanto fueron realizados un total de setenta y cinco operaciones de fabricación, generando 150 entalles semicirculares. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS Rugosidad Media Aritmética (Ra) y Topografía Los resultados de las rugosidades medias aritméticas (Ra) para los tres regímenes de operación en la tabla IV. Dentro de las regiones fabricadas con un largo Tabla IV: Rugosidades, Ra generados en el proceso EDMpara las diferentes regiones de corte por los diferentes fluidos dieléctricos. Regimén de corte Fluído Dieléctrico Ligero Medio Severo Aceite A 6.4 7.6 9.6 Aceite B 5.9 9.7 9.4 Aceite C 6.0 9.5 12.8 Aceite D 6.8 9.8 9.8 Queroseno 6.5 10.4 12.7 de 4 mm se analizaron las rugosidades en una longitud de 2,5 mm. Para cada muestra fueron hechas 12 lecturas en el sentido del eje central de la misma. En el régimen de corte ligero, tabla IV y figura 4, se notó una pequeña diferencia de rugosidad, de la orden de 15 %, entre la rugosidad generada con el aceite de mayor desempeño (aceite B) y el de peor desempeño (aceite D). Eso puede haber ocurrido por el hecho de que algunos aceites producen más vapor que otros, pues a mayor vaporización puede resultar una mayor cantidad de burbujas formadas durante las descargas eléctricas, lo que produce un acabado de baja calidad en la superficie fabricada, lo que se refleja en la rugosidad (Ra). Sin embargo, haciendo una observación detallada de las topografías de la figura 4, o sea, una vista superior de la superficie fabricada, con aumentos de 100x, se puede apreciar que entre los aceites A, B, C y D no hubo una considerable diferencia visual. El queroseno, a pesar de haber presentado menor rugosidad que el aceite D, mostró una topografía, con un número muy alto de burbujas de metal redepositado. Esto se debe a la excesiva evaporación del dieléctrico, ya que entre mayor es el número de burbujas durante cada descarga, asociado al hecho de una habilidad inferior de lavado y remoción rápida del 43 �Evaluación de superficies maquinadas por descargas eléctricas... / Luciano José Arantes, et al ACEITE A ACEITE B ACEITE C ACEITE D ACEITE E ACEITE A ACEITE B ACEITE C ACEITE D ACEITE E Fig. 4. Topografias obtenidas por MEV (aumento de 100x) de las superficies fabricadas por EDM con fluidos dieléctricos A, B, C, D y E en régimen de Corte Ligero. Fig. 5. Topografías obtenidas por MEV (aumento de 300x) de las superficies fabricadas por EDM con fluidos dieléctricos A, B, C, D y E en régimen de Corte Medio. calor de las partículas desprendidas después de la descarga eléctrica, se produce una peor calidad en la superficie fabricada. El queroseno mostró en el régimen de corte ligero la peor superficie fabricada, lo que perjudica principalmente piezas que trabajarán en contacto superficial y alta precisión geométrica. En las topografías se observa que las superficies generadas por los aceites A, B, C y D poseen una capa refundida o capa blanca homogénea. Ya para el régimen de corte medio, tabla IV y figura 5, se notó una diferencia mayor entre los aceites, que llegó a 36% entre el aceite A y el aceite E. Se confirma, tabla IV, una tendencia importante: cuanto más severo es el régimen, más discrepante es el desempeño de los fluidos. Comparando esos resultados con los resultados de las topografías, figura 5, queda bien claro que el mejor desempeño fue el aceite A, pues además de presentar menor rugosidad, presentó una capa refundida todavía más homogénea que la de los otros aceites, B, C y D. De forma análoga, el queroseno presentó rugosidad inferior y se confirmó ese desempeño con las topografías, figura 5 (aceite E), con un elevado número de burbujas refundidas del material de la pieza, de diversos tamaños y formas. En el régimen de corte severo, tabla IV y figura 7, se notó una diferencia de la orden de 36 % entre el aceite B y el aceite C, los cuales fueron los extremos del desempeño en términos de Ra. Una vez más el aceite A presentó buen resultado, siendo superado apenas por el aceite B. El queroseno presentó nuevamente un desempeño malo, sin embargo, cuando es comparado con las topografías de la figura 7, las superficies ya tuvieron una similitud mayor, y este 44 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Evaluación de superficies maquinadas por descargas eléctricas... / Luciano José Arantes, et al CONCLUSIONES En base a los resultados de las pruebas realizadas en piezas fabricadas mediante EDM utilizando diferentes fluidos dieléctricos y su posterior análisis se puede concluir que: ACEITE A ACEITE B ACEITE C ACEITE D ACEITE E Fig. 7. Topografías obtenidas por MEV (aumento de 300x) de las superficies fabricadas por EDM con fluidos dieléctricos A, B, C, D y E en régimen de Corte Severo. aceite mostró visualmente una superficie semejante a las de los demás aceites. En el caso de la figura 7b, se nota que en algunos puntos, la superficie está más rugosa y con mayor número de burbujas y micro rajaduras que en la superficie fabricada con queroseno. Aparentemente, en condiciones de régimen más severo, las diferencias de rugosidad y topografías van disminuyendo gradualmente. Es importante resaltar que para todos los datos presentados en los gráficos, la variación del resultado de un ensayo para otro no fue mayor que 2 a 5 %, demostrando así buena confiabilidad en los resultados debido al pequeño desvío padrón. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 • No todos los fluidos dieléctricos específicos para EDM son recomendados para sustituir el queroseno, o por ser demasiado caro o por presentar mejor desempeño. Sin embargo, los aspectos de toxicidad y peligro en el manejo del queroseno reafirman que su uso como dieléctrico para EDM debe ser limitado en Brasil, así como ya sucede en Estados Unidos. • Los fluidos dieléctricos presentan una gran inconsistencia en el desempeño en los 3 diferentes regímenes de fabricación, lo que muestra una considerable diferencia entre los mismos, a pesar de que todos presentan propiedades razonablemente similares en cuanto a viscosidad y densidad. • El fluido dieléctrico E (queroseno), todavía muy utilizado en las industrias, presentó un débil desempeño en relación a los fluidos específicos para EDM, con relación todos los fluidos en todos los aspectos analizados (Ra y Topografía). • Se verificó que el desempeño no está relacionado con el costo, un aceite más barato puede proporcionar mejor desempeño que un aceite más caro, a pesar de que el aceite de mejor desempeño es el más caro de todos. • La gran diferencia de desempeño se debe mucho al proceso EDM, que es altamente dependiente de innumerables factores, donde hasta la humedad y la temperatura ambiente pueden afectar sensiblemente el proceso. Se sugiere la creación de normas de desempeño para fluidos dieléctricos para EDM, como ocurre para aceites lubricantes. Así, se sabrá desde la compra cuál es el aceite más indicado para el tipo de trabajo, material fabricado, material de la herramienta y condiciones de corte. 45 �Evaluación de superficies maquinadas por descargas eléctricas... / Luciano José Arantes, et al AGRADECIMIENTOS Nuestros agradecimientos al MIT (Massachusetts Institute of Technology), Boston, MA, EUA; a través del Profesor Daniel Roos, por el acceso libre a sus bibliotecas para la realización de la revisión bibliográfica de este trabajo y al CNPq, por el financiamiento de la visita. BIBLIOGRAFÍA 1. Allison, Sam; 2000, The Case For Additive Technology In EDM, ONLINE ARTICLE From the Editorial Staff of Modern Machine Shop. Internet adress: www.mmsonline.com/articles 2. Benedict, G. F.; 1987 Nontraditional Manufacturing Processes, New York, Marcel Dekker, pp.207-246. 3. 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Kalashnikov Profesor de Cátedra, ITESM kalash@itesm.mx ABSTRACT The aim of this paper is to introduce the reader to the field of bilevel programming. This area of decision-making science will be illustrated by presenting the problem of minimization of the cash-out penalties from the point of view of the natural gas shipper. The problem is modeled as a mixed bilevel linear programming problem. To solve it efficiently, we reformulate it as a standard mathematical programming problem and describe two iterative algorithms for its solution. The algorithms are tested for a small dimension instance. KEYWORDS Mixed bilevel optimization, gas cash-out problem, penalty function method. RESUMEN En este artículo, introducimos al lector en el campo de la optimización binivel. Ilustramos esta área de la toma de decisiones con un problema de minimización de transacción monetaria entre un contratista del gas natural y un dueño de un gasoducto, el cual se modela como un problema de programación lineal binivel mixto. Para resolverlo, lo reformulamos como un problema de programación matemática estándar y proponemos dos algoritmos iterativos, probando su comportamiento en un problema de dimensión pequeña. PALABRAS CLAVE Optimización binivel mixta, problema de minimización de transacciones de dinero, método de penalización. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 47 �La optimización binivel: Estudio de un caso en la industria de gas natural / Roger Z. Ríos Mercado, et al INTRODUCCIÓN En muchos procesos de toma de decisiones existe una jerarquía de gente encargada de tomarlas, y éstas se efectúan a diferentes niveles en esta jerarquía. Una manera de manejar tales jerarquías es concentrarse en un nivel incluyendo el comportamiento de los otros niveles como suposiciones. La programación (u optimización) multijerárquica (o de múltiples niveles) es el área de investigación que estudia y analiza los problemas de toma de decisiones con enfoque en la estructura jerárquica. En términos de modelaje, el dominio de soluciones factibles asociado con problemas de optimización multinivel se determina implícitamente por una serie de problemas de optimización, los cuales deben ser resueltos en una secuencia predeterminada. El caso especial donde sólo se consideran dos niveles se llama optimización binivel. En este caso se tiene un problema de decisión que se toma a un nivel superior (llamado también el nivel del “líder”) y otro problema de decisión que se toma a un segundo nivel (llamado también el nivel “subordinado”). Cuando las restricciones de ambos niveles son todas lineales, se dice que se tiene un problema de optimización binivel lineal (BLP, por sus siglas en inglés). En Bard1 y Migdalas, Pardalos y Värbrand,2 pueden hallarse los fundamentos esenciales así como aplicación a la solución de sistemas reales de la rama de optimización multinivel. Ahora bien, el proceso de toma de decisiones de comprar, vender, almacenar, y transportar gas, está inmerso en un mundo bastante complejo donde los productores, gasoductos (transportistas) y vendedores, juegan un papel muy importante en la cadena. Esta cadena se hace aún más compleja cuando tomamos en cuenta que la red de gasoductos y oleo- 48 ductos en Latinoamérica abarca desde Canadá hasta Argentina pasando por EUA, México, Centro y Sudamérica. En lo que a México respecta, es muy importante estudiar y comprender este complejo fenómeno y más aún, desarrollar el soporte técnico que permita tomar decisiones científicamente fundamentadas a la hora de interactuar en los procesos de compra/venta/transporte con sus contrapartes de otros países. El objetivo del presente artículo es el de introducir al lector en el área de optimización binivel y el de ilustrar su aplicación en el modelaje de un importante problema de toma de decisiones que surge de la industria del gas natural. PROBLEMAS DE PROGRAMACIÓN BINIVEL Un rasgo distintivo de sistemas multiniveles es que el que toma las decisiones en un nivel puede influenciar el comportamiento del que toma la decisión en otro nivel (aunque no controla sus acciones completamente). Además, la función objetivo de cada unidad puede, en parte, ser determinada por variables controladas por otras unidades operando en niveles paralelos o subordinados. Entre las características comunes de organizaciones multiniveles figuran: (a) existe una toma de decisiones interactiva entre unidades dentro de una estructura predominantemente jerárquica; (b) cada nivel subordinado ejecuta sus decisiones/políticas después de las decisiones tomadas en un nivel superior; y (c) cada unidad maximiza sus beneficios netos de forma independiente, pero es afectada por las acciones de otras Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �La optimización binivel: Estudio de un caso en la industria de gas natural / Roger Z. Ríos Mercado, et al unidades externas. El modelo BLP incorpora estas características. El marco cubre una unidad de manejo corporativa al nivel más alto (líder) y una o más unidades subordinadas en el nivel bajo (subordinado). Para formular matemáticamente el problema, supongamos que el líder tiene control sobre el vector de decisiones x ∈ X ⊆ R n y que las subunidades, o subordinado, tiene control sobre el vector y ∈ Y ⊆ R m El líder decide primero y selecciona x en un intento por minimizar una función objetivo F ( x, y ( x )) sujeto quizás a algunas restricciones tecnológicas adicionales. La nomenclatura y(x) enfatiza el hecho de que el problema del líder está implícito en las variables y. Luego, el subordinado observa la acción del líder y reacciona seleccionando un vector de decisión y que minimice su función objetivo f(x,y), sujeta a un conjunto de restricciones en las variables y para el valor de x elegido, vease figuras 1 y 2. Ahora bien, por razones de espacio, en este trabajo omitimos los detalles técnicos de la formulación general, los cuales pueden ser encontrados en 1 y 2 . Lo importante de destacar aquí es que este tipo de Fig. 1. El problema de programación binivel lineal esquematizado en dos dimensiones, F(x,y) denota el objetivo del líder, f(x,y) el objetivo del subordinado y M (polígono delimitado por los puntos A, B, C, D y E) el conjunto común de soluciones factibles a ambos problemas. Para cada decisión y del líder, el subordinado responde con el valor f(x,y) que optimiza su función en la dirección señalada, por tanto, la línea gruesa denota el conjunto de soluciones factibles del problema del líder. En este caso, el punto D sería la solución óptima al problema. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 problemas, con las características aquí expuestas, surge en una diversidad de ramos y que puede modelarse matemáticamente y ser resuelto por métodos adecuados. Para ilustrar su aplicación, planteamos ahora un problema de la industria del gas natural. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA El problema en cuestión surge cuando el transportista hace un contrato con una compañía de gasoductos para trasladar cierta cantidad de gas entre varios puntos del gasoducto. Lo que finalmente se entrega en cada punto puede ser una cantidad mayor o menor de la estipulada originalmente en el contrato (este fenómeno se denomina desbalance). Cuando ocurre un desbalance, la compañía de gasoductos penaliza al transportista mediante una política de penalización de cambio. Como esta penalización es una función de los desbalances operativos diarios, resulta que un problema muy importante para el contratista es el cómo manejar los desbalances diarios para minimizar la penalización incurrida. Supongamos que el contratista ha establecido un contrato (con otros clientes) para llevar una cantidad dada de gas natural desde un punto de “recepción” a un punto de entrega en un marco de Fig. 2. Importancia del orden de las decisiones. En este diagrama se enfatiza que la solución depende fuertemente del orden de juego. Si en el problema de la figura 1, el subordinado y el líder invirtieran sus posiciones de decisión, el conjunto de soluciones factibles del subordinado sería el señalado por la línea gruesa, y por tanto, la solución óptima sería el punto E. 49 �La optimización binivel: Estudio de un caso en la industria de gas natural / Roger Z. Ríos Mercado, et al tiempo dado. El contratista debe estipular un acuerdo de transferencia con el gasoducto. Bajo tal acuerdo, el contratista nomina una cantidad diaria de gas que debe ser inyectada en el gasoducto en el punto de recepción y que debe ser extraída en un punto de entrega. Debido a la naturaleza propia de la industria, la cantidad que se entrega en un punto es inevitablemente diferente de la cantidad que fue nominada. Esta diferencia constituye un desbalance. Mientras que los gasoductos permiten pequeños desbalances, imponen penalizaciones por desbalances mayores. Desde la perspectiva del contratista, un desbalance puede ser positivo o negativo. Un desbalance positivo (negativo) surge cuando el contratista deja (toma) gas en (de) el gasoducto. Alternativamente, un desbalance positivo (negativo) significa que el flujo real es menor (mayor) que la cantidad de gas que fue nominada. Un desbalance a fin de mes implica una transacción de dinero entre el contratista y el gasoducto. Los precios de canje se establecen de manera tal que cuando el contratista vende (compra) gas a (de) el gasoducto, lo hace a un precio muy bajo (alto). La relación entre el precio de canje y la posición de desbalance depende de forma no lineal del precio del gas promedio, mínimo y máximo del mes anterior. ANTECEDENTES En Kalashnikov y Ríos-Mercado,3 se presenta un marco de modelación matemática del problema recién descrito. El problema se modela como un problema de optimización entera mixta lineal de dos niveles, donde el contratista juega el papel del líder (nivel principal) y el gasoducto representa el subordinado (segundo nivel). El término entero mixto denota que el problema tiene variables de decisión continuas y discretas. Es bien conocido que aún la versión más simple de un problema de optimización multinivel es muy difícil de resolver. BLP enteros mixtos poseen un grado mayor de dificultad ya que los conceptos típicos de técnicas de solución como ramificación y acotamiento para problemas de optimización entera mixta necesitan de caracterizaciones más fuertes por lo que no pueden ser directamente aplicados. Se desarrolla además una método de penalización para resolver el problema. Sin en- 50 trar en detalles técnicos, este método fue motivado por los trabajos de Fukushima,4 Marcotte,5 Marcotte y Dussault 6 y Marcotte y Zhu. 7 MÉTODO PROPUESTO En 3 consideramos un sistema jerárquico donde el líder incorpora en su estrategia la reacción del subordinado a su decisión. La reacción del subordinado es generalmente representada como el conjunto de soluciones de una desigualdad variacional monótona. Para resolver este problema de optimización no convexa se aplica una técnica de penalización basada en la formulación de la desigualdad variacional del nivel inferior como un problema de optimización. Bajo condiciones generales, establecimos condiciones para la convergencia del método de penalización. Usamos estos resultados para implementar un algoritmo eficiente de solución, el cual ha sido probado en unos ejemplos del problema de desbalances. Como otra alternativa, se desarrolló un método directo para resolver el BLP en cuestión. Este método resuelve separadamente el problema de nivel inferior, el cual consiste en encontrar la respuesta óptima del gasoducto a los valores del desbalance del último día, y después el problema de hallar el vector óptimo de desbalances para el contratista. Al pasar de un vector de desbalances a otro, el algoritmo averigua la factibilidad del mismo antes que calcular el valor de la función objetivo en este punto. El proceso se termina cuando la diferencia entre dos iteraciones consecutivas no exceda la tolerancia seleccionada de antemano. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �La optimización binivel: Estudio de un caso en la industria de gas natural / Roger Z. Ríos Mercado, et al EJEMPLO ILUSTRATIVO Para ilustrar el uso de la técnica, en 3 se aplicaron los métodos a varios problemas de prueba. Los métodos fueron implementados con la ayuda de GAMS8 (software de modelación algebráica para resolver problemas de optimización). Por ejemplo, aquí ilustramos los resultados de los algoritmos en el siguiente caso de 4 zonas y 2 días de planificación representado por los datos que se muestran en las tablas I a la VII (las celdas vacías significan ceros). Los límites inferior y superior para arreglos del desbalance son como siguen: sijL = − 3, sUij = 3 ∀i, j ∈ J Desbalances initiales x0 Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 -10.0 -4.0 3.0 6.0 Factores Coeficientes de de penaliza- penalización ción rj âj 10.0 0.1 8.0 0.2 6.0 0.3 4.0 0.4 Tabla II. Acotaciones inferior y superior del desbalance total. Períodos de tiempo t Día 1 Día 2 Acotación inferior xt L -11.0 -17.0 Acotación superior xtU 1.0 7.0 Tabla III. Costos de transportación entre zonas. fij Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 1 Zona 2 Zona 3 2.0 4.0 2.0 Zona 4 4.0 2.0 1.0 Tabla IV. Porcentaje del gas retenido transportado entre zonas. eij Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 bij Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 1 Zona 2 4.0 Zona 3 2.0 4.0 Zona 4 2.0 4.0 2.0 Tabla VI. Límite inferior del desbalance en la zona j en el día t. L tj x Día 1 Día 2 Zona 1 -15.0 -20.0 Zona 2 -9.0 -13.0 Zona 3 0.0 -5.0 Zona 4 1.0 -4.0 Tabla VII. Límite superior del desbalance en la zona j en el día t. Tabla I. Datos iniciales. Zonas j Tabla V. Bonos por contratista para el gas regresado. Zona1 Zona 2 0.1 Zona 3 Zona 4 0.2 0.2 0.1 0.1 0.05 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 x Día 1 Día 2 U tj Zona 1 5.0 0.0 Zona 2 1.0 5.0 Zona 3 6.0 10.0 Zona 4 10.0 15.0 Los algoritmos se comportaron del siguiente modo. Después del paso preliminar empezando a partir del desbalance inicial, se obtuvo el desbalance del último día con el valor de la función objetivo del contratista z = 14.9. Ya que este vector no tiene todos sus componentes del mismo signo (lo cual es una restricción tecnológica del modelo), procedemos con los pasos del algoritmo. Con la tolerancia final e = 0.001, se obtiene la aproximación final del desbalance del último día con el valor de la función objetivo del contratista z = 50.072. La respuesta óptima del gasoducto a esta estrategia del contratista es el desbalance final con el mismo valor de la función objetivo del gasoducto z = 50.072. Todos los movimientos hacia delante son ceros, mientras que los movimientos hacia atrás (vij ) son: v13 = 9.0; v14 = 3.495; v24 = 5.809. El desbalance del último día satisface la prueba de factibilidad, es decir, se obtiene a partir del desbalance inicial mediante los movimientos diarios indicados en la tabla VIII. El problema del canje del gas queda resuelto, con la solución dada en la tabla IX. Tabla VIII. Movimientos óptimos del desbalance en zona j durante día t. stj Día 1 Día 2 Zona 1 -1.148 -1.347 Zona 2 -0.805 -1.004 Zona 3 3.000 3.000 Zona 4 1.994 1.795 51 �La optimización binivel: Estudio de un caso en la industria de gas natural / Roger Z. Ríos Mercado, et al Tabla IX. Desbalance óptimo en la zona j en día t. x tj Día 1 Día 2 Zona 1 -11.148 -12.495 Zona 2 -4.805 -5.809 Zona 3 6.000 9.000 Zona 4 7.994 9.789 CONCLUSIONES El campo de la optimización multinivel es por hoy un campo muy importante en materia de investigación y sobre todo de aplicación. Las estructuras jerárquicas pueden encontrarse en diversas disciplinas científicas incluyendo estudios ambientales, teoría de clasificación, bases de datos, diseño de redes, transporte, teoría de juegos y economía; y nuevas aplicaciones (como la descrita arriba para la industria del gas) continúan surgiendo. Este hecho es positivo para el desarrollo de nuevas teorias y conceptos, así como de algoritmos eficientes de solución. AGRADECIMIENTOS Agradecemos los comentarios hechos por dos revisores anónimos, los cuales ayudaron a mejorar la presentación del artículo. El presente trabajo fue apoyado financieramente por el PAICyT de la UANL (proyectos CA555-01 y CA562-01). 4. M. Fukushima. Equivalent differentiable optimization problems and descent methods for asymmetric variational inequality problems. Mathematical Programming, 53:99-110, 1992. 5. P. Marcotte. A new algorithm for solving variational inequalities with application to the traffic assignment problem. Mathematical Programming, 33:339-351, 1985. 6. P. Marcotte y J.-P. Dussault. A sequential linear programming algorithm for solving monotone variational inequalities. SIAM Journal of Control and Optimization, 27:1260-1278.1989 7. P. Marcotte y D. L. Zhu. Exact and inexact penalty methods for the generalized bilevel programming problem. Mathematical Programming, 74:141-157, 1996. 8. A. Brooke, D. Kendrick y A. Meeraus. GAMS: A User’s Guide. The Scientific Press, San Francisco, EUA, 1992. REFERENCIAS 1. J. F. Bard. Practical Bilevel Programming: Algorithms and Applications. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1998. 2. A. Migdalas, P. Pardalos y P. Värbrand, editores. Multilevel Optimization: Algorithms and Applications. Kluwer, Dordrecht, Holanda, 1998. 3. V. V. Kalashnikov y R. Z. Ríos-Mercado. Solving a natural gas cash-out bilevel program by a penalty function method. Reporte Técnico PISIS2003-03, Programa de Posgrado en Ing. de Sistemas, FIME, UANL, San Nicolás de los Garza, México, Mayo 2003. 52 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908 Parte II. Tres plantas metalúrgicas César Morado Macías Archivo General del Estado de Nuevo León, México. cmorado@mail.nl.gob.mx CONDICIONES PARA EL ESTABLECIMIENTO DE METALURGICAS EN MONTERREY, MÉXICO Varias empresas norteamericanas vinculadas a la minería se habían establecido en México. Destacaba entre ellas, la Consolidated Kansas City Smelting and Refining Company, que explotaba minerales en Sierra Mojada y Santa Eulalia, Chihuahua, para remitirlos a fundiciones ubicadas en Estados Unidos. Esta exportación de minerales mexicanos a E.U. obedecía a las enormes ventajas que estos tenían sobre los extraídos en suelo norteamericano. Su bajo precio y alto rendimiento hacían la actividad sumamente rentable (históricamente, existía gran demanda de metales industriales, debido al fortalecimiento de la industria eléctrica). Ello desfavorecía a los empresarios mineros norteamericanos, quienes constantemente protestaban y exigían una tarifa prohibitiva que lograra reducir las importaciones. Ésta llegaría en 1890, cuando Benjamín Harrison asumiendo la presidencia del Partido Republicano, demandó la protección a la industria minera nacional. Así el Arancel Mckinley -como se le denominó- logró su objetivo: detener la introducción de plomo, metal industrial por ese entonces, estratégico. Sin embargo, el arancel resultó un arma de doble filo. Si bien cumplió su objetivo de obligar a las fundidoras americanas a consumir minerales nacionales -grave golpe para México-, propició que aquellos inversionistas pensaran en venir a invertir en suelo mexicano. A lo anterior se sumó la severa reacción del gobierno mexicano, que determinó gravar todas las exportaciones minerales; con lo que fundirlos afuera resultó incosteable. En ese marco, fue donde se decidió establecer en Monterrey, la primera metalúrgica, The Nuevo Leon Smelting, Refining and Manufacturing Company. Más adelante, ese mismo año, se constituirán la Compañía Minera Fundidora y Afinadora de Monterrey (luego PEÑOLES) y la Gran Fundición Nacional Mexicana (después ASARCO; posteriormente Industrial Minera México, S.A., IMMSA; ahora conocido como Grupo México). Las tres, pioneras de la industria privada y ejes indiscutibles en la construcción de Monterrey como plataforma generadora y reproductora de relaciones capitalistas de producción, incluyendo una gran parte del noreste mexicano, que las abastecerá de minerales. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 Gral. Porfirio Diaz En el número 19 de INGENIERÍAS se publicó la parte 1 de este artículo. 53 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte II. ... / Cesar Morado Macías THE NUEVO LEON SMELTING, REFINING & MANUFACTURING COMPANY LIMITED (Fundición No. 1) El seis de febrero de 1890, Joaquín Maiz por sí y en representación de Samuel Lederer explicó en un amplio documento al gobernador Bernardo Reyes, que deseaba establecer en Monterrey una compañía “para la compra de metales en la república así como también su beneficio y manufactura en gran escala con un capital social de 500 mil pesos, pudiéndolo ampliar hasta un millón y medio”;4 explicó que deseaba establecer esta empresa en virtud de que la minería local tenía “cerrados los mercados extranjeros y con minerales de baja ley que sólo la fundición podría beneficiar en forma rentable”5 El 18 de marzo de 1890, el gobierno de Bernardo Reyes, a solicitud de Joaquín Maiz y Samuel Lederer - el primero originario de España, el segundo de Hungría- concedió exención de impuestos por 20 años, sobre el capital de $ 250,000.00 a invertir en esta empresa, dedicada a partir de ese momento a la compra y beneficio de metales, hasta por el monto de un millón y medio de pesos. Adicional a la exención fiscal, el gobierno estatal cedía gratuitamente 15 manzanas de terreno por el rumbo del Obispado para su instalación. Los accionistas serán: Henry C. Read (residente en Londres); Henry M. y Sra. Evans (Apizaco); H.C. Waters (México); Banco de Londres y México (México); Carlos Sommer, Lic. A. Arroyo y Gómez Fig. 8. En 1889 el gobernador del Estado de Nuevo León, Gral. Bernando Reyes, concedió exenciones de impuestos hasta por 20 años a las «obras de utilidad pública», considerándose entre éstas las industriales. (AGENL). 54 Fig. 9. La planta metalúrgica «Nuevo León Smelting, Refining & Manufacturing Company Limited» fue una de las primeras grandes industrias de la ciudad de Monterrey, N.L., México. Farías, de México; Angel, Pedro y Justo Maiz, de Bilbao, España; Joaquín, Agustín y José Maiz, residentes en Monterrey; al igual que Samuel Lederer, Rodolfo Dresel y Cía., Félix Mendirichaga, Samuel Andrew, Pedro Lambretón, Martín Vizcaya, Manuel Garza Guerra, General Gerónimo Treviño, Antonio Treviño, Lic. Narciso Dávila, Mariano García y Sra. Refugio C. de Velarde.6 Argumentaba su promotor -Lederer-, que la empresa traería gran beneficio “al pueblo trabajador, el comercio y la industria; no siendo menos favorecido el ramo de minería, que tan decaído está en el Estado, pues contando con un mercado seguro para sus metales, aún a pesar de la muy baja ley que es sabido tienen y por cuya razón no pueden ser exportados, se levantarán de la postración en que se encuentra y nuevos capitales empleados en ella vendrán a fomentarla y hacer que adquiera la importancia que debe tener”.7 Era ésta, la gran profecía que adquiriría concreción más adelante con la paradigmática simbiosis entre empresas y las fundidoras. Para mayo de ese año, Joaquín Maiz se dirigió -a nombre de la compañía- al gobernador para explicarle que: dadas las dificultades que les habría causado el establecer los grandes talleres en los terrenos del Obispado, cedidos gratuitamente por el gobierno estatal, habían decidido instalarlos en un lugar cercano a la estación del ferrocarril de Monterrey al Golfo mexicano, por así convenir a sus intereses. Motivo por el cual, agradecía ampliamente, “el desprendimiento y Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte II. ... / Cesar Morado Macías filantropía de ese Gobierno cuando se trata de impulsar el adelanto y progreso de la industria”.8 No tardaría en desplomarse ese optimismo inicial. La fundición No. 1 -como se le conoció-, tuvo que enfrentar la competencia, nada más y nada menos que de los Hermanos Guggenheim, propietarios de la American Smelting (Fundición No. 3), por un lado; por el otro, a lo más selecto de la élite empresarial regiomontana, propietaria de la Fundición No. 2. Una vez, iniciado su funcionamiento y con el fin de acelerar su crecimiento respecto a sus competidores, el Banco de Londres y México le abrió un crédito que llegó a sobrepasar los trescientos mil pesos. Fue entonces cuando se multiplicaron las dificultades y diversos acreedores embargaron la negociación. El Banco se vio obligado a exigir judicialmente el pago de su crédito y solicitar la adjudicación de la Fundición, como medio único de salvar en parte sus intereses. Para el día nueve de noviembre de 1893, el Lic. Rafael F. Morales, notario público ejerciendo en México, D.F. y avalado por sus colegas José de J. Arce, Antonio Ferriz y Agustín Pérez de Lara; consignó en su protocolo que: de acuerdo al dictamen emitido por el juez civil en esa capital, Lic. Eduardo Escudero «en rebeldía de la Sociedad Nuevo León Smelting, Refining and Manufacturing Company Limited, se otorgaba escritura de adjudicación a favor del Banco de Londres y México, a buena cuenta del crédito que demandó en el juicio respectivo, la Negociación establecida por dicha Compañía en la ciudad de Monterrey, con todos los terrenos que le pertenecen, las fundiciones, fábricas, materiales, casas de habitación, edificios, maquinaria herramientas, útiles, enseres y cuanto más forma parte de la expresada negociación». 9 De acuerdo al avalúo practicado por el ingeniero Pedro Vigil, el valor de lo embargado ascendía a ciento treinta y dos mil setecientos sesenta y seis pesos, por lo que el banco debería pagar al estado de Nuevo León, el impuesto correspondiente sobre traslación de dominio. Sin embargo, a solicitud de J.C. Middleton, representante en Monterrey de dicha institución bancaria, se le redujo a la mitad. Una vez propietario de la Fundición No. 1, dos fueron las prioridades del banco: poner a funcionar cuanto antes la planta y seguir contando con la exención fiscal otorgada en marzo de 1890. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 Reyes concedió la vigencia de la concesión, a condición de que estaría funcionando para el 26 de marzo de 1895. Casi dos meses antes de que venciera el plazo, H.L. Wieches, gerente del Banco de Londres y México, confesaba (el Ejecutivo neoleonés) haber hecho todos los esfuerzos a su alcance por cumplir con lo pactado. 10 Afirmaba haber intentado negociar con empresas nacionales y extranjeras sin poder lograr un acuerdo favorable. Eran dos, las dificultades centrales: aún no terminaban los procedimientos judiciales; había todavía juicios promovidos por acreedores que se consideraban con derecho a las existencias y no había sido posible contratar la cantidad de plomo requerida para echar a funcionar la fundición. Esto último derivado indiscutiblemente de la reñida y no siempre leal competencia. Ante la densidad de la problemática, la directiva se planteó una disyuntiva: solicitar se prolongase un año la concesión de excención de impuestos, o subastar la compañía aunque fuera en partes. Mostraban gran interés porque se les concediera lo primero. Bernardo Reyes los apoyó, amplió su plazo hasta Fig. 10. Solicitud del gerente del Banco de Londres y méxico a Bernardo Reyes para que el gobierno del estado de Nuevo León dispense algunos depósitos en efectivo a fin de que la planta recupere solvencia y pueda continuar funcionando. AGENL, Fondo Concesiones, Exp. 3/4. 55 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte II. ... / Cesar Morado Macías Fig. 11. Panorámica de la Fundición Número 2 en 1920. febrero de 1896. Al aproximarse la fecha de vencimiento, volvió a explicar el gerente que tenía la intención de echar a funcionar la fundición, ya que representaba capital improductivo para el banco y múltiples desembolsos en mantenimiento de la maquinaria, pago del administrador, etc. El reto principal eran cinco litigios que mantenían igual número de acreedores y cuya existencia -en caso de dudarse- se comprometía a comprobar. En respuesta, el ejecutivo neoleonés, que bien definida tenía su línea política de fomento industrial, amplió el plazo un año más con carácter de improrrogable. Bajo los mismos argumentos de parte del banco, volvió a conceder una tercera prórroga que se venció en marzo de 1898. Con esa fecha, quedó cancelada la exención fiscal vigente desde 1890. La Fundición No. 1, primer gran intento empresarial de Monterrey, jamás volvería a funcionar. 11 COMPAÑÍA MINERA FUNDIDORA Y AFINADORA DE MONTERREY (FUNDICIÓN NO. 2.) Fue constituida el 21 de junio de 1890, fusionando a la compañía Minera Santa Elena bajo el nombre Compañía Minera Fundidora y Afinadora de Monterrey S.A.; a iniciativa de uno de los artífices de la minería e industria pesada del noreste mexicano: Vicente Ferrara, apoyado por lo más selecto de la élite empresarial de Monterrey: para fundir plomo argentífero. El artículo tercero de su acta constitutiva establece que el capital de la compañía es de $600,000.00 pesos dividido en 600 acciones de $1,000.00 cada una. Un 25% del capital lo aportaron Miguel Ferrara, Santiago Chamberlain y Vicente Ferrara, dueños de la Compañía Minera de Santa Elena que se fusionó con la nueva empresa, otro 50% 56 quedaría depositado en la tesorería de la sociedad, mientras que el restante 25% fue capital exhibido en la siguiente forma: Patricio Milmo, Daniel Milmo, Juan Weber y Santiago Belden, invirtiendo $ 9,000.00 pesos cada uno; Francisco Armendariz aportó $ 30,000.00, N.R. Wilson $15,000.00, Antonio Ferrara $ 10,000.00; Reynaldo Berardi, Onofre Zambrano y José Milmo aportaron $6,000.00 cada uno, Juan Weber hijo $ 5,000.00 y Vicente Ferrara como ac12 cionista mayoritario $36,000.00 pesos. Se integró maquinaria movida con vapor y electricidad, diez hornos de fundición de noventa toneladas de capacidad diaria por unidad y una planta completa para refinar plomo y apartar plata y oro. Durante el año administrativo de 1905-1906, consumió más de 5 millones de dólares en minerales, materiales diversos para fundición, combustibles, salarios y gastos complementarios. Ocupó entonces 650 trabajadores y no detuvo sus labores durante 15 años. Su instalación obedeció a las mismas coyunturas por las que se establecieron las tres metalurgias, aunque aquí se observa como factor importante, los capitales acu- Fig. 12. «El apartado», separación de oro y plata, en la planta de la fundidora 2 (AGENL). Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte II. ... / Cesar Morado Macías mulados previamente invertidos por la élite reynera, en esta empresa.13 A los hornos originales se agregaron tres en 1892, en noviembre de 1897 otros dos y dos más en mayo de 1901. Aunado a lo anterior se estableció un departamento para afinar oro y plata, el cual empezó a construirse en enero de 1897 y quedó terminado en mayo de 1901. Como sabemos, durante la revolución se originaron problemas en la transportación de minerales. La Afinadora, interrumpió sus operaciones por períodos más o menos prolongados desde 1913 hasta 1916, por dificultades de transporte y falta de coque, que en aquel tiempo se importaba de Alabama, Estados Unidos. Para aliviar la situación, compraron dos trenes completos para trasladar el coque y el mineral; uno recorría el trayecto Monterrey-Laredo, y el otro llevaba a Monterrey el mineral, de las minas de Ocampo. 14 En 1914, durante el segundo ataque constitucionalista a Monterrey, se desarrollaron varias batallas en el interior de la planta, ocasionando un incendio que destruyó las oficinas generales, laboratorios, sala de muestras, planta calcinadora, taller de carpintería y el almacén, además de la base de la torre grande de agua y el archivo. Las pérdidas se estimaron en unos 208,750 dólares. Fue la crisis mundial de 1906-1908 lo que hizo que la Compañía Minera Fundidora de Monterrey, operara sólo hasta 1908. Al aparecer la Compañía ASARCO, alquiló la planta, lo cual explica el hecho de que siguiera operando en medio de la Revolución y que, incluso en 1914, empezara los trabajos para Fig. 13. Fundición número 2, en Monterrey, N.L., México. Originalmente Compañía Minera Fundidora y Afinadora de Monterrey, posteriormente Peñoles (AGENL). Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 Fig. 14. Sala de fundición y moldeo continuo de plomo en la planta de la fundidora 2 (AGENL). instalar tres hornos grandes con capacidad para 150 toneladas, que concluyeron en 1916. Junto a estos altos hornos funcionaron cinco chicos, con lo que alcanzó una capacidad de 700 toneladas diarias. Para esos días, la reconstrucción había sido terminada. En 1918, se rentó a razón del 50 % de las utilidades anuales a la Compañía de Minerales y Metales, empresa que a su vez se fusionó con Peñoles el 29 de marzo de 1920, aun cuando el proceso de unificación de ambas empresas ya involucraba a la planta desde el año anterior. De acuerdo con un informe general que la Fundición Número Dos presentó, cuando la Compañía Minera de Peñoles la controló (1920), las minas que la abastecían eran principalmente, Minas Viejas en Villaldama, del Refugio y Albarradón en Cerralvo, San Pedro y San Pablo en Monterrey; todas en el estado de Nuevo León. De Coahuila se recibía de Paloma y Cabrillas, en Higueras, y de Ocampo cerca de Monclova, de Zacatecas de la unidad Ávalos, en el mineral de Bonanza, Mazapil; fue Peñoles concesionaria de todas estas minas. También llegaron minerales de otros estados. Es preciso caracterizar las fuentes de abastecimiento de la Afinadora, antes y después de adquirir por Peñoles: a) Villaldama En el caso del Mineral de Minas Viejas, ubicado en Villaldama, Nuevo León, éstas fueron trabajadas por varios dueños. En 1905, la Compañía de Minerales y Metales adquirió el ferrocarril del Carmen, que comunica dicha ciudad con las minas. Su explotación hasta 1908 fue importante, pero lo sería más durante la segunda guerra mundial cuando la demanda de plomo aumentó-, constru- 57 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte II. ... / Cesar Morado Macías Fig. 15. Fundición número 2, en Monterrey, N.L., México. Tarjeta Postal producida por la Sonora News Co. yéndose una pequeña fundición de plomo y una planta calcinadora de zinc.15 b) Cerralvo Por lo que se refiere a este municipio, también fue explotado considerablemente de 1890 a 1908, previo a la gran crisis de la minería regional. La atención se centró en una de sus minas: El Refugio, que luego de varios dueños y encargados, fue administrada por Peñoles entre 1923 y 1931. c) Ramos Arizpe, Coahuila (Unidad Higueras) En estos yacimientos de cobre y zinc, cifraron sus esperanzas de éxito varias compañías mineras organizadas entre 1890-1908. La Compañía Paloma y Cabrillas, S.A., fue la primera empresa grande que logró extraer mineral a gran escala, hasta el año de 1912, año en que fue absorbida por Minerales y Metales y ésta a su vez por Peñoles, 8 años después. Ésta mantuvo trabajos permanentes hasta 1938, fecha en que se agotaron las reservas del yacimiento. d) El Caso de Sierra Mojada, Coahuila Gran yacimiento de plata, plomo y zinc explotado sistemáticamente por varias compañías, durante las dos últimas décadas del XIX y primeras del XX. Destacan por su participación las compañía mineras La Parreña, La Constancia, La Fronteriza y minera de la segunda zona de Sierra Mojada. Su destino no fue diferente al resto de las surgidas en el noreste mexicano. Ante la falta de capital y capacidad para competir, fueron arrendadas. La Compañía de Minerales y Metales, después Peñoles, rentaron dichas compañías y continuaron su explotación.»16 58 GRAN FUNDICIÓN NACIONAL MEXICANA (FUNDICIÓN NO. 3) Fundada en 1890, por capitales norteamericanos; con cédula del consorcio económico de los hermanos Guggenheim, de Nueva York, que había agrupado en su empresa minera y metalúrgica organizada un poco antes por H.H. Rogers, a los principales beneficiadores de plata y plomo con participación en minas mexicanas. Con el tiempo esto les permitiría controlar gran parte del mercado mundial del plomo, en un momento de gran demanda de metales industriales, particularmente en E.E.U.U. y Europa. El 18 de octubre de 1890, Daniel Guggenheim solicitó a Bernardo Reyes, exención de impuestos por 20 años sobre el capital de $ 300,000.00, que invirtió en la planta de Monterrey, denominada Gran Fundición Nacional Mexicana, el gobernador se la concedió. Hacia 1906 ese capital estaba duplicado, para 1909 sus inversiones ascendían a 10 millones de pesos mexicanos.17 Era una de las plantas de fundición de mayores dimensiones entre las que pusieron en marcha los Guggenheim, en el norte del país, gracias a una autorización federal que les permitía también la exploración y explotación minera. La de Monterrey fue la primera en comenzar a trabajar, en enero de 1892. En 1902 sus empleados totalizaban 1,300. Dedicada principalmente a la producción de plomo argentífero, extraía del proceso de fundición importantes cantidades de oro y plata. En menor escala generaba reducidos contingentes de cobre. De los tres establecimientos metalúrgicos ubicados en Nuevo León, era el que más valores en metales beneficiados producía anualmente. En 1906, había beneficiado toda clase de minerales auríferos, argentíferos, cobrizos y plomosos, procedentes de todos los estados de la república mexicana, con excepción de Yucatán y Chiapas. Tanto la American Smelting como la Compañía Minera, Fundidora y Afinadora, ejes de la metalurgia básica de Monterrey, ubicaban sus productos en Estados Unidos; sin embargo, y en la medida en que el mercado mexicano se diversificaba, parte de la pro18 ducción se destinó al consumo interno. Lo importante de esta fundición número 3, independientemente del capital, será su influencia en el desarrollo minero de la región, al ser alimentada por los minerales de Sierra Mojada y Monclova, y por el Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte II. ... / Cesar Morado Macías carbón proveniente de Sabinas (Coahuila) o importado por Tampico, la mantendrán como una de las mejores equipadas de toda América Latina. Realizará en los años subsiguientes, una simbiosis con las minas de plomo existentes en el estado, a las que constantemente demandaba producción. La planta tenía diez hornos para fundirlo. En claro ascenso, vemos que entre 1892 y 1896, se trabajaron anualmente un promedio de 120 toneladas, el índice aumenta -según Jesús Gómez Serrano-, a 430 mil toneladas en 1913. 19 Barlow, había estimado en 2,679,321 dólares el valor de la Gran Fundición de Monterrey, en el año de 1902 y sostenía que en territorios del mismo estado, los Guggenheim, administraban compañías mineras por un total de 350,000 dólares. En total, la inversión rebasaba los 3 millones de dólares, que al tipo de cambio de la época (2.25) arrojan una cifra cercana a los siete millones de pesos mexicanos.20 Bajo el título The Guggenheim Exploration Company, se explotaron varias minas; de Minas Viejas en Villaldama, N.L. se extrajeron en 1900, más de 2 mil toneladas de metales; de la Mina Zaragoza en Monterrey, 3,740 toneladas de plata y plomo en 1902, empleando a 215 operarios, de cuya producción en detalle nos ocuparemos más adelante. En 1919, adquirió las minas de carbón de Rosita, en Coahuila, fundó una ciudad: Nueva Rosita; y se convirtió en Cía. Minera Asarco, S.A., con un capital de $ 4,500,000.00. En julio de 1965 cambió, se Fig. 16. Fundición número 3, en Monterrey, N.L., México. Originalmente Gran Fundición Nacional Mexicana, posteriormente Asarco (AGENL). Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 denominó Asarco Mexicana, S.A.; al ajustarse a la ley de mexicanización de minería, su capital quedó fijado en 400 millones de pesos, de los cuales el 51 % quedó en manos mexicanas y el otro 40 % continuó en poder de la familia Guggenheim. NOTAS 4 AGENL. Fondo Concesiones. Expediente 3/4 carta de Joaquín Maiz a Bernardo Reyes. Monterrey, México. 6 de febrero de 1890. 5 lbid. p. 3. 6 La mayor parte de la información con la que reconstruimos la historia de esta fundidora fue extraída del fondo concesiones del Archivo General del Estado de Nuevo León, expediente 3/a y de las páginas del Periódico Oficial del gobierno nuevoleonés, años 1894-1897. 7 Ibídem. Carta de Samuel Lederer a Bernardo Reyes, 18 de marzo de 1890. 8 Ibidem. 9 Citado por HL Wiechers, gerente del banco de Londres y México en una carta dirigida a Bernardo Reyes. AGENL. Fondo Concesiones. Exp. 3/4. México, D.F. 1 de febrero de 1895. 10 Ibídem. 11 El desenlace de los litigios se publicó en el Periódico Oficial del Estado de Nuevo León el 22 de febrero de 1895 y el 22 de febrero de 1898. AGENL. Periódico Oficial. Monterrey, México. Ejemplares del 22 de febrero de 1895 y 22 de febrero de 1898. 12 Acta constitutiva de la Compañía Minera Fundidora y Afinadora de Monterrey. Se localiza en AGENL. Fondo Notarios. Protocolo de Tomás Pacheco. Folio 166-168, 21 de junio de 1890. 13 Para la reconstrucción de esta empresa, consultamos el expediente que se localiza en el Fondo Concesiones del Archivo General del Estado de Nuevo León. Expediente 2/2 en que consta entre otras cosas la solicitud de Juan Weber, Reynaldo Berardi y Francisco Armendáriz solicitando exención de impuestos al gobernador. Monterrey. 24 de mayo de 1890. 14 Datos tomados del libro Historia de un éxito. Un siglo de Peñoles. Edición de la empresa Peñoles. México. 1987. 59 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte II. ... / Cesar Morado Macías 15 Para una visión general de la minería en Villaldama Nuevo León se recomienda la lectura del texto de María Luisa Santos Escobedo. La minería en Villaldama. Coedición del Ayuntamiento de Villaldama y la Facultad de Filosofia y Letras de la UANL, Monterrey, México, 2001. 16 Historia de un Éxito. Centenario de Peñoles. Edición de la empresa Peñoles. México 1987. 17 Jesús Gómez Serrano. Aguascalientes: Imperio de los Guggenheim. Fondo de Cultura Económica. Colección Sep/ 80. México 1982, 109 pp. 18 Existe en el Fondo Concesiones del Archivo General del Estado de Nuevo León, el expediente 25 en que consta la solicitud de Daniel Guggenheim a Bernardo Reyes para gozar de exención fiscal. Fechado en Monterrey el 18 de octubre de 1890. 19 Ibídem. 20 Datos tomados de Jesús Gómez Serrano, op. cit; del Fondo Concesiones del AGENL expediente 2/5 y del Periódico Oficial del Estado de Nuevo León, 1890. ANEXO I CRONOLOGÍA DEL PROCESO 15/Abr/1882. Procedente de Laredo Texas, llega el ferrocarril a Lampazos, Nuevo León en su ruta hacia Monterrey, activando a su paso la minería de metales industriales. (Línea del Ferrocarril Nacional). 1884. El gobierno federal expide el Código de minería, derogando las viejas Ordenanzas de minería vigentes desde el período colonial, liberalizando la propiedad minera. 1888. El gobernador nuevoleonés Canuto García, expide una Ley de exención fiscal por 20 años a los giros industriales, que benefició el desarrollo minero y metalúrgico. 1890. El gobierno norteamericano expide el Arancel Mckinley, gravando la importación de minerales en bruto a los Estados Unidos. 1890. Concluye el tendido de la línea del Ferrocarril de Monterrey al Golfo, conectando a la capital regiomontana con el puerto de Tampico. 18/Mar/1890. El gobierno de Nuevo León encabezado por Bernardo Reyes, aprueba la solicitud de 60 Joaquín Maiz y Samuel Lederer para gozar de exención fiscal por 20 años en su empresa metalúrgica: Nuevo León Smelting. 21/Jun/1890. Se constituye -a iniciativa de Vicente Ferrara- la Compañía Minera Fundidora y Afinadora de Monterrey, conocida popularmente como Fundición No. 2 (Peñoles). 18/Oct/1890. Daniel Guggenheim solicita al gobernador nuevoleonés Bernardo Reyes, exención de impuestos por 20 años para invertir $300,000.00 en una planta metalúrgica denominada Gran Fundición Nacional Mexicana (Fundición No. 3, luego Asarco). Jun/1891. Se firma ante el notario Tomás Pacheco, un convenio de la Fundición No. 2 (Peñoles) para exportar plomo a Europa por el puerto de Tampico. Ago/1891. Se protocoliza ante el notario Anastacio Treviño, un convenio de la Fundición No. 1 para exportar plomo a Europa por el puerto de Tampico e importar carbón. 4/Mar/1887. Se funda en Nueva York la Consolidated Kansas Smelting & Refining Company, con un Fig. 17. El Gobernandor del Estado de Nuevo León Lázaro Garza Ayala ofreció la primera exención de impuestos para promover el desarrollo Industrial por decreto del 21 de diciembre de 1888. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte II. ... / Cesar Morado Macías capital de dos millones de dólares para explotar minerales en Coahuila y Chihuahua para luego fundirlos en El Paso Texas. 1892. El gobierno federal expide una Ley minera que consolida el proceso de liberalización de la propiedad minera. 9/Nov/1893. Son embargadas las instalaciones de la Planta Metalúrgica Nuevo León Smelting y adjudicadas al Banco de Londres y México al no pagar el crédito contraído con esta institución. Ene/1895. La Compañía Minera la Camarguense donde figuran como accionistas Porfirio Díaz, Jerónimo Treviño, Vicente Ferrara y José Visconti entre otros renta sus minas a la Consolidated Kansas City Refining Company. 1899. La compañía Minera de Fierro Mexicana demanda a la Compañía Minera El Nilo por la posesión del fundo minero «el 5 de mayo» con gran cantidad de hierro ubicado en Lampazos, Nuevo León. 13/Ago/1899. La Compañía Minera de San Pedro, cede en arrendamiento por 25 años a la Mexican Fig. 18. El Gral. Bernardo Reyes, gobernador del Estado de Nuevo León, concedió exenciones de impuestos por hasta 20 años para promover la Industrialización. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 Lead Company la explotación del Mineral de San Pedro. 24/Ago/1899. La empresa Mexican Lead Company -con sede en Nueva Jersey, E.U.A.- adquiere a través de Roberto S. Towne el Mineral de San Pedro, ubicado al sur de Monterrey, en un millón y medio de dólares. May/1900. La Compañía Minera del Carmen renta a The Guggenheim Exploration Company un total de 27 minas, 330 pertenencias mineras y el Ferrocarril del Carmen que comunica Villaldama con el Mineral de Minas Viejas. 1901. Se fusionan las empresas Asarco con las de la familia Guggenheim estableciendo gran influencia en el mercado de plomo en el mundo. May/1901. Se concluye el Departamento de Afinación de Oro y Plata en la Fundición No. 2. 5/May/1900. Se constituye la Compañía Fundidora de Fierro y Acero de Monterrey, primera siderurgia de América Latina. 1902. Concluye el conflicto legal por la posesión del fundo minero «el 5 de mayo» fundándose la Compañía «Nueva Unión y Concordia» teniendo como accionistas a Eugenio Kelly, Daniel Milmo, Gustavo A. Madero y Francisco Madero. 1905. La compañía de Minerales y Metales compra el Ferrocarril del Carmen que comunica a la ciudad de Villaldama con el Mineral de Minas Viejas. 1905-1906. Asciende a 5 millones de dólares el total de metales procesados en la Fundición No. 2. 1906-1908. El impacto de la crisis mundial aunada a la sequía provoca una crisis en la minería regional, se cierran numerosas explotaciones con los despidos consecuentes, provocando desabasto de insumos en las plantas metalúrgicas. 1920. La Fundición No. 2 se fusiona a la empresa Peñoles. Nota del editor: La tercera y última parte de esta serie de artículos sobre mineras y metalúrgicas en Monterrey se publicará en nuestro siguiente número. 61 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica Parte II Oscar Mauricio Barajas P. Calle 155 No. 28-A-10 Interior 1 Apto. 404. Bogotá D.C.-Colombia. ocar@impsat.net.co http://www.oscarbarajas.com LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA: La máquina de vapor y la Revolución Industrial. El cúmulo de sacudidas políticas y sociales del siglo XVIII y principios del XIX contribuyeron a transformar el mundo tanto o más que el invento de la máquina de vapor y otras invenciones prácticas. La independencia de las colonias inglesas en América, la Revolución Francesa y, sobre todo, las Guerras Napoleónicas, obligaron a buscar nuevas rutas para el comercio y fomentaron el progreso de las industrias. Casi todas las naciones se vieron obligadas a fabricar lo que antes importaban del extranjero; otras tuvieron que abrirse nuevos mercados para los productos que exportaban a naciones enemigas. Inglaterra, viéndose boicoteada en Europa por Napoleón, buscaba en Sudamérica, El Cabo y la India la salida para sus productos. El bloqueo inglés obligó a Francia a fabricar con remolacha el azúcar, que antes llegaba de las Antillas. Se empezó a emplear la achicoria como substituto del café. Aunque estas dificultades no tenían mucha importancia por ser artículos de lujo, eran síntomas que casi excusarían de explicar lo que pasó con los de primera necesidad: papel, vidrio, jabón, tejidos y metales. Cada nación forzó su industria a producir más y mejor de lo que antes fabricaba. Ni el determinismo político, ni el fatalismo económico de los sociólogos modernos que hacen historia con cifras de preciso y jornales, pueden explicar la fenomenal transformación de Europa a principios del siglo XIX. El invento más conspicuo de esta época es, sin duda, la máquina de vapor. Se ha llamado el siglo del vapor al siglo XIX; la electricidad no ha allegado todavía beneficios comparables a los que allegó el empleo del vapor. El efecto mecánico de la fuerza de expansión del vapor de agua había sido observado desde muy antiguo, pero no se había conseguido aprovechar para usos prácticos. El descubrimiento de la máquina de vapor se hizo gradualmente. En un principio sólo se pensó en utilizarlo para producir el vacío por la condensación del vapor dentro de un émbolo, de modo que la presión atmosférica le obligara a retroceder. En 1690 Denis Papin, con su famosa marmita, producía el vacío dentro de un recipiente que llenaba de vapor y después condensaba enfriándolo. Parece que Papin ya tuvo la idea de utilizar su aparato para producir fuerza motriz y emplearla en la propulsión de navíos. Pero los marineros de Munden, creyendo que la invención de Papin podía quitarles trabajo, destruyeron un barco de cuatro ruedas que había construido, y no sabemos de lo que hubiera resultado de su invención. 62 Marmita de Papin. En el número 19 de INGENIERÍAS se publicó la parte 1 de este artículo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. Las máquinas de Savery y de Newcomen. En cambio, pocos años más tarde Savery consiguió elevar agua con una máquina fundamentada en el principio de la marmita de Papin. Después de hecho el vacío en el recipiente, el agua empujada por la presión atmosférica subía para llenarlo. En 1717 Newcomen imaginó otro artificio, que ya fue un gran progreso respecto del de Savery: el vapor empujaba un émbolo, se condensaba y la presión de la atmósfera hacía caer el émbolo, produciéndose un movimiento balancín, que movía una palanca. Esta hacía subir y bajar el pistón de una bomba para elevar el agua. El cilindro del émbolo de la máquina de Newcomen quedaba abierto por un lado, y así el vapor servía para empujar en una dirección; para retroceder se contaba con el vacío que producía el vapor al condensarse. James Watt nació en 1736. Su padre era comerciante acomodado de Edimburgo, pero perdió su fortuna y tuvo que enviar el niño a Londres. Allí aprendió el oficio de fabricante de instrumentos de física, e hizo también descubrimientos de química. A su regreso, los maestros de Edimburgo no quisieron reconocer el aprendizaje que Watt había hecho en Londres. Por ello Watt tuvo que encontrar ocupación como reparador de aparatos en el gabinete de física de la Universidad y allí inventó la máquina de vapor, pues al componer una de las máquinas de elevar agua de Newcomen se le ocurrieron varias mejoras por las que pidió patente de invención. Consistían, esencialmente, en cerrar el émbolo por ambos lados, obligando al vapor a empujarlo en ambas direcciones. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 Así podía conseguir fuerzas mucho mayores que la de la presión atmosférica en el vacío. Otra gran invención de Watt fue la de un brazo articulado que podía transformar el simple movimiento de palanca de la máquina de Newcomen en movimiento giratorio. En realizad, la máquina de Watt era ya la máquina de vapor que hemos usado hasta nuestros días. Se perfeccionó con doble émbolo, se le añadió un condensador, se inventó la caldera tubular, se le dieron proporciones gigantescas; pero el principio siempre fue el descubierto por Watt. En 1775 Watt encontró un socio capitalista, Matew Boulton, y la sociedad Boulton and Watt, de Birmingham, tuvo el monopolio de la construcción de máquinas de vapor por medio siglo. Las máquinas de Watt funcionaban a la perfección; sin embargo, al principio se emplearon casi únicamente en las minas de carbón. Servían para extraerlo a la superficie, en lugar de hacerlo las mujeres y los niños con capazos, y para achicar el agua de las galerías inundadas. La famosa lámpara de Humphrey Davy, inventada en 1815, que disminuyó los riesgos del grisú, acabó de abaratar el carbón al hacer posible la explotación de minas que antes se consideraban peligrosas. Las primeras industrias en utilizar la máquina de vapor fueron las de hilados y tejidos. Estos inventos fomentaron el desarrollo rápido de la industria por toda Europa. En 1750 la metalurgia en toda Europa se hallaba en un estado tan primitivo como en la Edad Media. La pirita de hierro se beneficiaba en hornos pequeños con carbón vegetal y fuelles de mano. El primer adelanto en la fabricación de hierro fue la introducción de los fuelles movidos James Watt. 63 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. con las máquinas de vapor. El segundo, ya un gran invento, fue el pudelado, que consiste en inyectar aire a través del hierro fundido para que, absorbiendo oxígeno, se convierta en hierro maleable. Este método se empezó a usar en Inglaterra en 1783, y al año siguiente se emplearon ya rodillos en lugar de martillos para forjar. Con tales procedimientos los ingleses se pusieron a la cabeza de la metalurgia, que hasta entonces había monopolizado Francia y Suecia. Expuesta en cifras, la producción de hierro en la Gran Bretaña (que en 1750 era de 17.000 toneladas) en 1826 se elevó a 17 millones y en 1830 había más que duplicado la producción últimamente mencionada: 39 millones de toneladas. Estimulados por la competencia inglesa, los forjadores franceses aplicaron el pudelado y hasta fueron más allá, empleando hulla en lugar de carbón vegetal para la fundición. En 1841 los hermanos Scheider, del Greuzot, inventaron el martillo de vapor; después vinieron los hornos Siemens y demás inventos. La transformación de la industria, convertida de oficio manual y doméstico en trabajo en gran escala con máquinas de vapor, exigía la correspondiente expansión en el comercio. Los primeros ensayos para aplicar la máquina de vapor a los transportes se hicieron por la vía fluvial; hubo embarcaciones movidas por vapor antes, mucho antes de que se pensara utilizarlo para arrastrar vehículos sobre rieles. EL AUTOMÓVIL Y EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA El intento de obtener una fuerza motriz que sustituyera a los caballos se remonta al siglo XVII. El vapor parecía el sistema más prometedor, pero sólo se logró un cierto éxito a finales del siglo XVIII. El vehículo autopropulsado más antiguo que se conserva, un tractor de artillería de tres ruedas construido por el ingeniero francés Joseph Cugnot en 1771, era muy interesante, pero de utilidad limitada. Después, una serie de ingenieros franceses, estadounidenses y británicos —entre ellos William Murdoch, James Watt y William Symington— inventaron vehículos todavía menos prácticos. En 1789 el inventor estadounidense Oliver Evans obtuvo su primera patente por un carruaje de vapor, y en 1803 construyó el primer vehículo autopropulsado 64 Vehículo autopropulsado de Joseph Cugnos. que circuló por las carreteras estadounidenses. En Europa, el ingeniero de minas británico Richard Trevithick construyó el primer carruaje de vapor en 1801, y en 1803 construyó el llamado London Carriage. Aunque este vehículo no se perfeccionó, siguieron produciéndose mejoras en la máquina de vapor y en los vehículos. Estos avances tuvieron lugar sobre todo en Gran Bretaña, donde el periodo de 1820 a 1840 fue la edad de oro de los vehículos de vapor para el transporte por carretera. Eran máquinas de diseño avanzado, construidas por ingenieros especializados como Gurney, Hancock o Macerone. Sin embargo, esa naciente industria de fabricación tuvo una vida muy breve. Los trabajadores que dependían del transporte con caballos para su subsistencia fomentaron unos peajes o cuotas más elevados para los vehículos de vapor. Esta circunstancia tenía una cierta justificación, ya que dichos vehículos eran pesados y desgastaban más las carreteras que los coches de caballos. Por otra parte, la llegada del ferrocarril significó un importante golpe para los fabricantes de vehículos de vapor. La restrictiva legislación de la Locomotive Act de 1865 supuso la restricción final a los vehículos de vapor de transporte por carretera en Gran Bretaña, y durante 30 años impidió prácticamente cualquier intento de desarrollar vehículos autopropulsados para el transporte por carretera. Esto hizo que el desarrollo del motor de combustión interna tuviera lugar en otros países como Francia, Alemania y Estados Unidos. Thomas Edison, el inventor estadounidense, escribió en 1901: “El vehículo de motor debería haber sido británico. Ustedes (los británicos) lo inventaron en la década de 1830. Sus carreteras son las mejores Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. Triciclo de Karl Benz. después de las francesas. Tienen ustedes cientos de ingenieros especializados, pero han perdido su industria por el mismo tipo de legislación y prejuicios estúpidos que les han atrasado en muchos aspectos de la electricidad”. Aunque el científico holandés Christiaan Huygens diseñó un motor de combustión interna en 1678, nunca llegó a construirse. El suizo Isaac de Rivaz construyó un carro automotor en 1805, y en 1863 Étienne Lenoir fabricó en París un vehículo que funcionaba con gas del alumbrado. Pero hasta mediados de la década de 1880 el motor de combustión interna no alcanzó un nivel que permitiera su utilización de forma eficaz en vehículos de carretera. En 1866, dos ingenieros alemanes, Eugen Langen y August Otto, desarrollaron un motor de gas, y en 1876 Otto construyó un motor de cuatro cilindros que constituyó la base de casi todos los motores posteriores de combustión interna. La importante unión de motor y vehículo se produjo en 1885 y 1887, cuando Karl Benz y luego Gottlieb Daimler introdujeron los primeros automóviles de gasolina eficaces. El vehículo de Benz era el mejor, con una gran diferencia, ya que estaba diseñado como un todo y empleaba las nuevas tecnologías de la industria de la bicicleta. El carruaje de Daimler no era más que un coche de caballos adaptado. Benz empezó a producir de forma limitada su vehículo de tres ruedas en 1888, con lo que nació la moderna industria del automóvil. Sin embargo, el motor de Daimler era revolucionario y significó un cambio radical en la industria del automóvil. De hecho, Daimler estaba más interesado en vender motores Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 que vehículos, como fuente de potencia para diferentes usos. En esa misma época, en las décadas de 1870 y 1880, los inventores e ingenieros franceses como la familia Bollée, Léon Serpollet o el conde De Dion y sus ingenieros Bouton y Trépardoux construyeron excelentes vehículos de vapor. Un acontecimiento crucial en la historia de la industria automovilística fue la Exposición Universal de París de 1889, donde los ingenieros franceses René Panhard y Émile Levassor conocieron el motor de Daimler. En 1890 obtuvieron los derechos para fabricar dicho motor, pero no vieron un gran futuro en el automóvil y concedieron a la empresa Peugeot el derecho a emplear motores Daimler en vehículos autopropulsados. Puede considerarse que Peugeot fue el primer fabricante de automóviles en serie de todo el mundo, ya que construyó 5 coches en 1891 y 29 en 1892. En 1893, Benz se convirtió en un fabricante de vehículos en toda regla. Aquel año, la carrera París-Burdeos demostró la superioridad del motor Daimler sobre los automóviles de vapor, a pesar de que estos últimos estaban muy desarrollados. En Estados Unidos también trabajaban pioneros de la fabricación de automóviles. En 1891, John W. Lambert construyó el primer vehículo de gasolina de Estados Unidos. En 1895, los hermanos Charles y Frank Duryea crearon la primera empresa automovilística estadounidense, después de haber creado un prototipo en 1893. Elwood Haynes, Alexander Winton y Henry Ford también mostraron interés por este campo en la década de 1890. La demanda de automóviles creció sin cesar a lo largo de los últimos años del siglo XIX. El mayor fabricante europeo, Benz, afirmaba en 1900 haber producido un total de 2.500 vehículos, y el estadounidense Olds fabricó 400 desde mediados de 1899 hasta 1900. En Estados Unidos, George Baldwin Selden obtuvo en 1895 una patente que cubría la aplicación a un vehículo de un motor de combustión interna. La patente fue asignada a la empresa Electric Vehicle Company en 1899. Varias empresas importantes compraron licencias, pero otras, encabezadas por Henry Ford, se negaron a hacerlo. El proceso judicial se inició en 1903 y terminó en 1911 —un año antes de que expirara la patente— con un veredicto favorable a Ford. Con anterioridad, Harry Lawson 65 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. había intentado sin éxito obtener un monopolio similar en Gran Bretaña para todos los automóviles de gasolina, al crear en 1895 el British Motor Syndicate para explotar las patentes de Daimler y otros. Sin embargo, una decisión judicial de 1901 acabó con las aspiraciones monopolistas de Lawson. Gran Bretaña centró sus investigaciones en los motores de combustión interna —en lugar del vapor o la electricidad— antes que Estados Unidos, debido en gran parte al ejemplo francés y a que la eliminación de las restricciones de patentes fue anterior a la estadounidense. En 1911, en las carreteras de Estados Unidos había más de 600.000 automóviles, bastantes más que en los países europeos, pero muchos estaban propulsados por vapor o electricidad. Aunque tardó en arrancar, la industria británica acortó distancias con la francesa después de 1909. Entre 1909 y 1913 la producción francesa creció un 30%, mientras que en Gran Bretaña aumentó un 200%. En 1913, la producción de automóviles y vehículos comerciales era de 34.000 anuales, frente a los 45.000 de Francia y los 23.000 de Alemania. Sin embargo, la producción total europea era menos de una cuarta parte de la estadounidense. La combinación de una renta per cápita mayor, unas técnicas eficaces de producción en serie y una población dispersa hizo que el mercado y la industria automovilística de Estados Unidos superara con rapidez a la del resto del mundo, lo que en 1914 representaba fundamentalmente Europa. En ese año, en Estados Unidos había un vehículo por cada 77 personas, en Gran Bretaña había uno por cada 165, en Francia uno por cada 318 y en Alemania uno por cada 950. Esto también significaba que Gran Bretaña era el mayor mercado europeo. La producción en serie no fue inventada por Henry Ford. En 1798 Eli Whitney introdujo la producción normalizada de mosquetes, y las fábricas de carne de Chicago habían introducido cadenas de producción en la década de 1860. En 1902, el automóvil Oldsmobile ya se fabricaba en serie. A partir de 1908, cuando se introdujo el modelo de Ford, Henry Ford empezó a combinar esos factores y reunió las enseñanzas de un siglo de forma espectacular. Entre 1913 y 1915 en la fábrica de Ford de Highland Park se combinaron la producción normalizada de piezas de precisión (que hacía que 66 fueran intercambiables) y la fabricación en cadenas de montaje, que simplificaba las operaciones y las dividía en zonas de trabajo. La eficacia de la producción era tal que los precios de los automóviles bajaban sin cesar. Los automóviles salían de la cadena de montaje cada 10 segundos, con un ritmo anual de 2 millones. Esto hizo que Estados Unidos se motorizara de forma masiva en la década de 1920. Los fabricantes europeos aprendieron la lección, en especial el británico Morris, el francés Citroën, el alemán Opel, el italiano Fiat y, naturalmente, las fábricas de Ford situadas fuera de Estados Unidos. A pesar de todo, en la década de 1920 Estados Unidos y Canadá producían más del 90% de los automóviles fabricados en el mundo. La mayoría de estos vehículos se vendían en Norteamérica, pero las exportaciones suponían un 35% del mercado mundial de automóviles. La producción de vehículos fuera de Estados Unidos sobrevivió en gran medida porque General Motors, Ford y Chrysler establecieron plantas de fabricación en el extranjero, pero sobre todo porque los gobiernos europeos protegieron su industria automovilística de la competencia estadounidense mediante aranceles y cuotas. En 1932, los aranceles eran del 33,3% en el Reino Unido, del 25% en Alemania, entre el 45 y el 70% en Francia y entre el 18 y el 23% en Italia. En 1929 se fabricaron 4,8 millones de vehículos en Norteamérica, frente a 554.000 en Europa occidental. Henry Ford. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. Prototipo desarrollado por Ford a principios del siglo XX. En el periodo de entreguerras se produjo una fuerte reducción en el número de fabricantes de automóviles en la mayoría de los principales países productores. En 1939, el sector estaba dominado en Estados Unidos por General Motors, que en la década anterior había superado a Ford gracias a una mejor comercialización. El único fabricante importante además de estas compañías era Chrysler. En Alemania, los líderes del mercado eran Opel —que General Motors había comprado en 1928—, Mercedes-Benz y Auto Union. En Francia el sector estaba dominado por Renault, Peugeot y Citroën (véase Louis Renault; Armand Peugeot; André Citroën). Sólo en Gran Bretaña había más fabricantes en 1939 que en 1929. Allí, Morris y Austin rivalizaban por el primer puesto, seguidos por Ford, Vauxhall (de General Motors), Standard y Rootes. Las principales marcas especializadas eran Jaguar, Rover y RollsRoyce. En el periodo posterior a 1945 comenzó una importante expansión de la producción y prosiguió la racionalización, tendencias que continúan en la actualidad. En 1950, Europa representaba el 13,6% de la producción mundial, que ascendía a 8,2 millones de vehículos. El número de fabricantes tradicionales continuó en declive. En Estados Unidos, Studebaker, Packard y American Motors abandonaron el sector o fueron absorbidos. En el Reino Unido, los principales fabricantes de propiedad británica se fusionaron en la década de 1960 para formar British Leyland, que cambió su nombre a Rover en 1986 y fue adquirida por BMW en 1994. En Francia, en la década de 1970, Peugeot compró Citroën y las instalaciones europeas Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 de Chrysler en Gran Bretaña, Francia y España. Salvo algunas fábricas pequeñas, toda la industria automovilística italiana es propiedad de Fiat. En España, SEAT, que estaba a la cabeza del sector automovilístico español, empezó a notar la crisis en 1976 y ya a partir de 1984 inició un plan de colaboración con la alemana Volkswagen, que en 1986 adquirió el 51% de la empresa. Este proceso de reducción de empresas afectó a los coches, los vehículos comerciales y la fabricación de piezas. Aunque la fabricación de vehículos está dominada principalmente por empresas con enormes mercados oligopolistas y muy competitivos, es posible entrar en algún segmento de estos mercados (véase Oligopolio). A partir de 1960 tuvo lugar el surgimiento de la industria automovilística japonesa, que en ese año fabricó sólo 165.094 coches y en 1990 produjo 9.947.972. A mediados de la década de 1990, la industria automovilística surcoreana parecía constituir una fuerza importante, y en el futuro podría haber industrias locales importantes en India, China y Rusia. El crecimiento económico de Europa y la mayor eficiencia en la producción de vehículos hicieron que, a principios de la década de 1970, el consumo y producción total de automóviles en Europa superaran a los de Norteamérica por primera vez desde los primeros días de la industria. Los aranceles experimentaron grandes reducciones en todo el mundo desde principios de la década de 1960; la inadaptación de los coches estadounidenses para la mayoría de los mercados de exportación hizo que los primeros en beneficiarse fueran los fabricantes europeos y posteriormente los japoneses. Sin embargo, alrededor del 20% de la producción y venta de automóviles en Europa correspondía a fabricantes estadounidenses. En 1995 había en el mundo más de 625 millones de coches y vehículos comerciales en uso. De ellos, 193 millones correspondían a Estados Unidos, 17 millones a Canadá, 63 millones a Japón y 183 millones a Europa occidental. Si sólo se cuentan los coches, Europa occidental, con 162 millones, superaba a Estados Unidos, con 146 millones. Sin embargo, la combinación de un mayor poder adquisitivo per cápita y unos precios más bajos hacía que la densidad de automóviles fuera mayor en Estados Unidos que en Europa y el resto del mundo. En Estados Unidos hay 67 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. 1,7 personas por automóvil, frente a 2,3 en Europa occidental. Las cifras de Europa oriental van desde 3,8 personas por automóvil en la República Checa hasta 16,0 en la antigua Unión Soviética. A título comparativo, en Japón hay 3,0 personas por automóvil, en Canadá 2,0 y en Australia 2,2 LA AVIACIÓN El primer vuelo con éxito fue precedido de siglos de sueños, estudio, especulación y experimentación. Existían viejas leyendas con numerosas referencias a la posibilidad de movimiento a través del aire. Ciertos sabios antiguos creían que para volar sería necesario imitar el movimiento de las alas de los pájaros o el empleo de un medio como el humo u otro más ligero que el aire. Hacia el siglo V de nuestra era se diseñó el primer aparato volador: la cometa o papalote. En el siglo XIII el monje inglés Roger Bacon, tras años de estudio, llegó a la conclusión de que el aire podría soportar un ingenio de la misma manera que el agua soporta un barco. A comienzos del siglo XVI Leonardo da Vinci analizó el vuelo de los pájaros y anticipó varios diseños que después resultaron realizables. Entre sus importantes contribuciones al desarrollo de la aviación se encuentra el tornillo aéreo o hélice y el paracaídas. Concibió tres tipos diferentes de ingenios más pesados que el aire: el ornitóptero, máquina con alas como las de un pájaro que se podían mover mecánicamente; el helicóptero diseñado para elevarse mediante el giro Dibujo de Lenardo Da Vinci. 68 de un rotor situado en el eje vertical, y el planeador en el que el piloto se sujetaba a una estructura rígida a la que iban fijadas las alas diseñadas a imagen de las grandes aves. Leonardo creía que la fuerza muscular del hombre podría permitir el vuelo de sus diseños. La experiencia demostró que eso no era posible. Fue una figura muy importante porque aplicó por primera vez técnicas científicas para desarrollar sus ideas. El desarrollo práctico de la aviación siguió varios caminos durante el siglo XIX. El ingeniero aeronáutico e inventor británico George Cayley, teórico futurista, comprobó sus ideas experimentando con cometas y planeadores capaces de transportar un ser humano. Diseñó un aparato en forma de helicóptero, pero propulsado por una hélice en el eje horizontal. Sus méritos le llevaron a ser conocido por sus compatriotas como el padre de la aviación. El científico británico Francis Herbert Wenham utilizó en sus estudios el túnel aerodinámico, sirviéndose del flujo del viento forzado en su interior para analizar el uso y comportamiento de varias alas colocadas una encima de otra. Fue además miembro fundador de la Real Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña. Otros personajes interesantes del mundo aeronáutico de la época fueron el inventor británico John Stringfellow y William Samuel Henson, quienes colaboraron a principios de la década de 1840, para fabricar el prototipo de un avión que pudiera transportar pasajeros. El aparato desarrollado por Stringfellow en 1848 iba propulsado por un motor de vapor y arrastrado por un cable, y consiguió despegar, aunque no pudo elevarse. El inventor francés Alphonse Penaud fabricó un modelo que se lanzaba con la mano e iba propulsado por bandas de goma retorcidas previamente, y consiguió en el año 1871 que volase unos 35 metros. Otro inventor francés, Victor Tatin, diseñó un ingenio propulsado por aire comprimido y equipado con un rudimentario tren de aterrizaje de cuatro ruedas. Lo sujetó a un poste central y las dos hélices consiguieron elevar el aparato en vuelos cortos y de baja altura. El inventor británico, nacido en Australia, Lawrence Hargrave desarrolló un modelo de alas rígidas que iba impulsado por paletas batientes movidas por un motor de aire comprimido. Voló 95 m en 1891. El astrónomo estadounidense Samuel Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. Pierpont Langley fabricó en 1896 un monoplano en tándem impulsado por un motor de vapor cuyas alas tenían una envergadura de 4,6 m. El aeroplano hizo varios vuelos, recorriendo entre 900 y 1.200 m de distancia durante un minuto y medio. Subía en grandes círculos; luego, al pararse el motor, descendía lentamente para posarse en las aguas del río Potomac. Se hicieron numerosos esfuerzos para imitar el vuelo de las aves con experimentos basados en paletas o alas movidas por los músculos humanos, pero nadie lo logró. Merecen citarse el austriaco Jacob Degen entre 1806 y 1813, el belga Vincent DeGroof, que se estrelló y murió en 1874, y el estadounidense R. J. Spaulding, que patentó su idea del vuelo empujado por músculos en 1889. Más éxito tuvieron quienes se dedicaron al estudio de los planeadores y contribuyeron al diseño de las alas, como el francés Jean Marie Le Bris, quien probó un planeador con las alas batientes, el estadounidense John Joseph Montgomery y el renombrado alemán Otto Lilienthal. Este último realizó sus experimentos con cometas y ornitópteros, pero los mayores éxitos los obtuvo con sus vuelos en planeador entre 1894 y 1896. Por desgracia, murió en 1896 al perder el control de su aparato y estrellarse contra el suelo desde 20 m de altura. Percy S. Pilcher, de Escocia, que también había obtenido grandes éxitos con su planeador, tuvo asimismo un accidente mortal en 1899. El ingeniero estadounidense Octave Chanute consiguió en 1896 pequeños logros con sus planeadores de alas múltiples, pero su contribución más notable a la aviación fue un libro escrito en 1894 sobre los avances aeronáuticos. Los numerosos experimentos realizados con cometas durante esta época, consiguieron mejorar de forma notable los conocimientos sobre aerodinámica y estabilidad de vuelo. El inventor estadounidense James Means publicó sus resultados en los Aeronautical Annuals (Anuarios aeronáuticos) de 1895, 1896 y 1897. Lawrence Hargrave inventó en 1893 la cometa en forma de caja y Alexander Graham Bell desarrolló entre 1895 y 1910 diversas cometas en forma de tetraedro capaces de transportar a un ser humano en un pequeño alojamiento. Entre 1890 y 1901 se realizaron numerosos experimentos con prototipos provistos de motor. El Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 Aeroplano de los Wright piloteado por Orville Wrigth en 1908 en Virginia, EUA. más importante fue el de Langley, un aeroplano a un cuarto de escala de su tamaño real, que probó e hizo volar sin piloto en 1901 y 1903. Le llamó Aerodrome y fue la primera aeronave más pesada que el aire provista de un motor de gasolina que consiguió volar. El modelo a escala real se terminó en 1903 y realizó dos pruebas que acabaron en desgraciados accidentes. El aviador alemán Karl Jatho intentó en 1903, también sin éxito, volar un modelo motorizado de tamaño real. Los logros conseguidos a lo largo del siglo XIX aportaron los fundamentos necesarios para el éxito de los hermanos Wright, pero los mayores avances se debieron a los esfuerzos de Chanute, Lilienthal y Langley a partir de 1885. En 1903 aún no se habían conseguido la estabilidad y el control necesarios para un vuelo prolongado, pero los conocimientos aerodinámicos, y sobre todo el éxito de los motores de gasolina, que sustituyeron a los más pesados de vapor, permitirían que la aviación evolucionara con rapidez. El día 17 de diciembre de 1903, cerca de Kitty Hawk, en el estado de Carolina del Norte, los hermanos estadounidenses Wilbur y Orville Wright realizaron el primer vuelo pilotado de una aeronave más pesada que el aire propulsada por motor. El avión fue diseñado, construido y pilotado por ambos hermanos, quienes realizaron dos vuelos cada uno. El más largo fue el de Wilbur con 260 m recorridos en 59 segundos. Al año siguiente continuaron mejorando el diseño del avión y su experiencia como pilotos a lo largo de 105 vuelos, algunos de más de 5 69 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. minutos. En 1905 llegaron a recorrer 38,9 km en 38 minutos y 3 segundos. Todos los vuelos se realizaron en campo abierto, regresando casi siempre cerca del punto de despegue. Hasta 1906 nadie más consiguió volar en un avión. En ese año el húngaro residente en París, Trajan Vuia, realizó algunos saltos muy cortos y también lo consiguió Jacob Christian Ellehammer en Dinamarca. El primer vuelo oficialmente registrado en Europa lo hizo en Francia el brasileño Alberto Santos Dumont, y su trayecto más largo lo logró el 12 de noviembre de 1906 cubriendo una distancia de 220 m en 22,5 segundos. El aeroplano, registrado como 14-bis, había sido diseñado por él y construido en la primera fábrica de aviones del mundo, la de los hermanos Voisin en París. Era como una gran cometa en forma de caja en la parte trasera y otra pequeña en la delantera, unidas por la estructura cubierta de tela. El motor era un Levavasseur Antoinette de 40 CV y estaba ubicado, junto con la hélice, en la parte posterior. El piloto iba de pie en una cesta situada delante del ala principal. En Europa nadie consiguió volar más de un minuto hasta finales de 1907, cuando lo logró Henri Farman en un avión construido también por Voisin. En contraste con Europa, los hermanos Wright conseguían en Estados Unidos superar sus marcas día a día. El 3 de septiembre de 1908, Orville Wright hizo una demostración con un modelo más veloz para el Cuerpo de Señales del Ejército en Fort Meyer, Virginia. El 9 de septiembre completó el primer vuelo mundial de más de una hora y, también por primera vez, se transportó un pasajero, el teniente Frank P. Lamh, durante 6 minutos y 24 segundos. Estas demostraciones se interrumpieron el 17 de septiembre a causa de un accidente en el que resultaron heridos Orville y su pasajero, el teniente Thomas E. Selfridge, quien murió horas después a consecuencia de una conmoción cerebral. Fue la primera persona muerta en accidente de avión propulsado por motor. Entretanto Wilbur Wright, que había ido a Francia en agosto, completó, el 31 de diciembre, un vuelo de 2 horas y 20 minutos demostrando un control total de su avión con suaves virajes, subidas y descensos a su entera voluntad. Recuperado de sus heridas y con la colaboración de Wilbur, Orville reanudó las demostraciones para el Cuerpo de Señales en julio de 1909 y cumplió sus requisitos a finales de mes. El 70 Avión típico utilizado durante la 1º Guerra Mundial. aeroplano fue comprado el 2 de agosto y se convirtió en el primer avión militar operativo de la historia. Permaneció en servicio activo durante dos años y después fue retirado y trasladado al Instituto Smithsonian, en la ciudad de Washington, donde puede contemplarse todavía. Una figura importante entre los diseñadores, fabricantes y pilotos estadounidenses fue Glenn Hammond Curtiss, de Hammondsport, Nueva York. En 1907 realizó en solitario un vuelo en el dirigible construido por Thomas Baldwin, propulsado por un motor de motocicleta de la fábrica de Curtiss que él mismo había modificado. En mayo del año siguiente Curtiss voló, también en solitario, el aeroplano diseñado y fabricado por un grupo conocido como la Asociación de Experimentos Aéreos, organizada por Alexander Graham Bell. Curtiss era uno de sus cinco miembros. Con su tercer avión, el June Bug, el 4 de julio de 1908 Curtiss cubrió la distancia de 1.552 m en 42,5 segundos y ganó el Trofeo Científico Americano, primer premio estadounidense concedido al vuelo de un avión. En Reims, Francia, el 28 de agosto del año siguiente, Curtiss ganó el primer torneo internacional de velocidad, al conseguir una marca de 75,6 km/h. El 29 de mayo de 1910 ganó también el Premio New York World, dotado con 10.000 dólares, por realizar el trayecto desde Albany, en el estado de Nueva York, hasta la ciudad de Nueva York, y en agosto completó el trayecto desde Cleveland a Sandusky, Ohio, sobrevolando la costa del lago Erie. En enero de 1911 consiguió ser el primer estadounidense en desarrollar y volar un hidroavión. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. En Europa lo había conseguido el 28 de marzo de 1910 el francés Henri Fabre. El pionero en cruzar el canal de la Mancha fue el ingeniero y piloto francés Louis Blériot. El día 25 de julio de 1909, durante 35,5 minutos recorrió 37 km, desde Calais, Francia, hasta Dover, Inglaterra, en un avión monoplano diseñado y fabricado por él mismo. Durante los años posteriores a la I Guerra Mundial se realizaron grandes progresos tanto en el diseño de los aeroplanos como en los motores. Los aviones de dos alas con los motores y las hélices situadas en la parte posterior pronto fueron sustituidos por aviones con los motores situados en la parte delantera. Había muy pocos modelos de monoplanos, pero, en cambio, durante la guerra ambos contendientes fabricaron enormes biplanos con dos, tres y hasta cuatro motores, que en Europa fueron al principio del tipo rotativo, aunque pronto se sustituyeron por los modelos radiales. En Gran Bretaña y Estados Unidos predominaron los motores refrigerados por agua. El transporte aéreo de correo se aprobó oficialmente en Estados Unidos en el año 1911 y se realizó el primer vuelo el 23 de septiembre. El piloto, Earle Ovington, llevó la saca de correos en sus rodillas en un vuelo que tan sólo duró 5 minutos y recorrió los 8 km que hay entre el bulevar Nassau y Mineola, ambos en Long Island, Nueva York. Ovington lanzó la saca sobre Mineola, donde fue recogida y trasladada a la oficina de correos. El servicio duró sólo una semana. Lindbergh transportando correo aéreo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 En 1911 se completó el primer vuelo transcontinental en Estados Unidos, desde la ciudad de Nueva York hasta Long Beach en California. Lo consiguió el piloto estadounidense Calbraith P. Rodgers. Salió de Sheepshead Bay, en Brooklyn, Nueva York, el 17 de septiembre, al mando de un aeroplano Wright, y aterrizó en su destino el 10 de diciembre, 84 días más tarde. El tiempo real de vuelo fue de 3 días, 10 horas y 14 minutos. Durante la I Guerra Mundial se usaron como armas tanto los aeroplanos como las aeronaves más ligeras que el aire. Las urgentes necesidades de la guerra estimularon a los diseñadores para construir modelos especiales para reconocimiento, ataque y bombardeo. Como consecuencia de la presión de la guerra fueron entrenados más pilotos y construidos más aviones en los 4 años de conflicto que en los 13 años transcurridos desde el primer vuelo. Gran parte de los excedentes militares vendidos después de la guerra fueron adquiridos por aviadores formados y entrenados durante la misma, dispuestos a realizar con ellos cualquier actividad que les produjera ingresos económicos: transporte de pasajeros, fotografía aérea, propaganda (por lo general, escribiendo los nombres de los productos en sus aviones), vuelos de instrucción, carreras aéreas y exhibiciones acrobáticas. Los vuelos transoceánicos comenzaron con el NC4. El vuelo de este enorme hidroavión se inició en Rockaway Beach, Long Island, el 8 de mayo de 1919 y finalizó el 31 en Plymouth, Inglaterra, tras varias escalas intermedias en Terranova (Canadá), las islas Azores y Lisboa (Portugal). El primer vuelo transatlántico sin escalas lo consiguieron los pilotos británicos John William Alcock y Arthur Whitten Brown. Entre el 14 y el 15 de junio de 1919, en poco más de 16 horas, volaron desde Saint John’s, Terranova, hasta Clifden, Irlanda, y ganaron un premio de 50.000 dólares otorgado por el London Daily Mail. El día 26 de enero de 1926 se inició en Palos de Moguer, España, el vuelo del Plus Ultra. Era un hidroavión Dornier Wall con el que el piloto español comandante Ramón Franco y su tripulación, tras 71 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. varias escalas y algún incidente, consiguieron llegar el 7 de febrero a Buenos Aires, Argentina. Entre el 20 y el 21 de mayo de 1927 se completó el primer vuelo en solitario cruzando el océano Atlántico. Lo llevó a cabo el aviador estadounidense Charles A. Lindbergh desde la ciudad de Nueva York hasta París, recorriendo una distancia de 5,810 km en 33,5 horas. Lindbergh se convirtió con esta hazaña en uno de los pilotos más famosos de la historia de la aviación. Pero nadie había conseguido cruzar el Atlántico sin escalas en dirección oeste, a causa de los vientos contrarios, hasta que entre el 12 y el 13 de abril de 1928 el capitán alemán Hermann Köhl, el barón de la misma nacionalidad Gunther von Hünefeld y el capitán irlandés James Fitzmaurice, tras salir de Dublín, Irlanda, volaron 3,564 km, hasta Greenly Island, Labrador. Existía entonces una auténtica fiebre por ser los pioneros en realizar cualquier trayecto, y así los australianos Charles KingsfordSmith y Charles T. P. Ulm, junto con los estadounidenses Harry W. Lyon y James Warner, emprendieron la Southern Cross y volaron desde Oakland, California, hasta Sydney, Australia, con un total de 11,910 km y escalas en Hawai, islas Fiji y Brisbane, Australia. Tres pilotos estadounidenses, Amelia Earhart, Wilmer Stultz y Louis Gordon, cruzaron el Atlántico entre Trepassey Bay, Terranova, y Burry Port, Gales, el día 17 de junio y del 3 al 5 de julio. El capitán Arturo Ferrarin y el comandante Carlo P. Del Prete, pilotos del Ejército italiano, realizaron un vuelo de 7,186 km sin escalas desde Roma hasta Genipabu, Brasil. En el año 1920 se crearon las primeras líneas aéreas para correo y pasajeros entre Cayo Hueso, Florida, y La Habana, Cuba, así como entre Seattle, Washington (Estados Unidos), y Vancouver, Columbia Británica (Canadá). En 1921 se estableció el servicio transcontinental regular de correo entre las ciudades de Nueva York y San Francisco, inaugurado por el Departamento del Servicio Postal. En 1925 el Congreso aprobó el decreto Kelly sobre correo aéreo, que autorizaba al servicio postal a realizar contratos con los operadores de transporte aéreo para trasladar el correo por avión. Ya en 1926 se inauguraron catorce líneas aéreas nacionales y se establecieron enlaces entre Estados Unidos, América Central, América del Sur y Canadá. 72 Entre 1930 y 1940 el transporte aéreo creció rápidamente y se acometieron frecuentes vuelos transoceánicos y de larga distancia. Los aviadores estadounidenses, volando pequeños aviones, redujeron cada vez más las plusmarcas de tiempo en los vuelos transcontinentales sin escalas y posteriormente las mejoraron con aviones de transporte. En 1930 Roscoe Turner voló desde Nueva York hasta Los Ángeles en 18 horas y 43 minutos; Frank Hawks lo hizo en sentido inverso en seis horas menos. En 1937 Howard Hughes invirtió sólo 7 horas y 28 minutos entre Burbank, California, y Newark, Nueva Jersey, y en 1939 Ben Kelsey tardó 17 minutos más entre California y Nueva York. La más grande de las compañías internacionales que operaban en el momento de comenzar la II Guerra Mundial era Pan American Airways. Junto con sus empresas subsidiarias y afiliadas servía una red de 82,000 millas en rutas que llegaban a 47 países y colonias en todos los continentes. Las exigencias de la guerra aceleraron el desarrollo de los aviones y se consiguieron importantes avances en los de bombardeo y combate, así como en el transporte aéreo de tropas paracaidistas, tanques y equipo pesado. De esta forma y por primera vez en la historia, la aviación se convirtió en el factor más decisivo en el desarrollo de la guerra. También se extendió con rapidez la fabricación de pequeños aviones. Bajo la supervisión del programa de entrenamiento de pilotos civiles, patrocinado por la Administración Civil Aeronáutica de Estados Unidos, los operadores privados dieron Avión típico utilizado durante la 2ª Guerra mundial. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. Pan American Airways era la mayor compañía aérea comercial al inicio de la 2ª Guerra Mundial. grandes facilidades para la formación como pilotos de miles de estudiantes que se convirtieron así en la columna vertebral de las fuerzas aerotransportadas de los tres ejércitos. Los aviones diseñados para uso privado encontraron también un amplio uso militar en todo el mundo, por lo que en 1941 el Ejército y la Armada de Estados Unidos compraron grandes cantidades de aviones ligeros que dedicarían a diversas misiones militares. En 1941 la aviación militar estadounidense operaba en todos los frentes. La industria aeronáutica tenía empleadas a 450,000 personas frente a las 190.000 que había antes de la guerra. Ese año, 3,375.000 pasajeros fueron transportados por las 18 compañías aéreas estadounidenses, un millón más que en 1940. La carga de pago y el correo se incrementaron en cerca de un 30 por ciento. Hacia el final de la guerra las batallas aéreas crecieron en intensidad y extensión y la producción de aviones alcanzó un máximo. Por otra parte, las líneas aéreas nacionales también establecieron nuevas plusmarcas tanto en el transporte de pasaje como de carga. Como consecuencia de todo ello, el número de aviones producidos en Estados Unidos en 1944 alcanzó la importante cifra de 97,694, con una media de 4.770 kg por avión. En el mismo año, Alemania ponía en combate dos ingenios Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 completamente nuevos en el mundo de la aviación: el primer avión reactor y el primer proyectil volante. En 1945 la producción de aeroplanos militares en Estados Unidos se redujo drásticamente, pero los pedidos de aviones civiles se incrementaron de forma considerable. Al finalizar el año, los fabricantes tenían contratos para construir 40,000 aviones, en contraste con la producción máxima de 1941, que fue de 6.844. De nuevo las líneas aéreas nacionales e internacionales estadounidenses rompieron las plusmarcas anteriores en todos los tipos de tráfico y consiguieron sustanciales mejoras con respecto a 1941. Se redujeron las tarifas tanto de pasaje como de carga, y en 1945 volvieron a operar todos los servicios comerciales internacionales. La experiencia obtenida en la fabricación de aviones militares durante la guerra fue utilizada en la construcción de aviones civiles nada más terminar las hostilidades. Las compañías aéreas dispusieron de aviones más grandes y mas rápidos con adelantos como las cabinas presurizadas. Se mejoraron los aeropuertos, los pronósticos meteorológicos y las ayudas a la navegación fueron más eficientes y aumentó la demanda pública de transporte aéreo de pasaje y carga, que creció a niveles desconocidos hasta entonces gracias a la repentina prosperidad de la posguerra. Los experimentos en el campo del diseño aerodinámico, de los nuevos metales, nuevas plantas de potencia y avances electrónicos trajeron el desarrollo de los aviones turborreactores de alta velocidad, diseñados para vuelos transoceánicos, vuelos supersónicos, aviones cohete experimentales, aviones de despegue corto o vertical (STOL, VTOL) y cohetes espaciales. En diciembre de 1986 el avión ligero experimental Voyager completó con éxito el primer vuelo alrededor del mundo sin escalas y sin repostar. Fue diseñado por Burt Rutan, que lo dotó de líneas muy poco ortodoxas que recuerdan en algunos aspectos a un catamarán. El avión iba provisto de dos motores, el delantero para despegar, maniobrar y aterrizar y el posterior para el vuelo de crucero. Los materiales eran de plástico ligero por lo que su peso al despegar era tan sólo de 4.420 kg y cargaba 4,500 litros de combustible distribuidos en 17 depósitos. Una vez consumidos, su peso al aterrizar era de 840 kg. Los 73 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte II / Oscar Mauricio Barajas P. El “Voyager” realizó el 1er. vuelo alrededor del mundo sin escalas y sin reabastecerse de combustible. pilotos fueron Dick Rutan (hermano de Burt) y Jeanna Yeager, y volaron 40.254 km en 9 días, 3 minutos y 44 segundos, a una velocidad media de 186,3 km/h. Este vuelo estableció una nueva plusmarca de distancia y tiempo en el aire, duplicando la de distancia, que permanecía desde 1962 en 20.169 kilómetros. Ya en 1889 se efectuaron varias conferencias para resolver los problemas internacionales originados por 74 la aviación, pero hasta 1947 no se creó el primer organismo adecuado: la Organización de la Aviación Civil Internacional (OACI), adscrita a la ONU, con sede en Montreal (Canadá). Otra organización que surgió a partir de la iniciativa de las compañías aéreas es la Asociación Internacional del Transporte Aéreo (IATA), también con sede en Montreal y que agrupa a más de 100 empresas de transporte aéreo, por lo general de líneas regulares, unidas en este organismo para resolver sus problemas comunes. El gran desarrollo de la aviación a escala mundial ha obligado a todos los países a establecer leyes y regulaciones que permitan un eficiente y seguro tráfico aéreo y a firmar convenios y protocolos internacionales como el de Tokio en 1963 o el de La Haya en 1973. En la actualidad existen en la mayoría de las naciones leyes sobre la navegación aérea que junto con otras medidas han llevado a este medio de transporte a convertirse en uno de los más seguros y eficientes. Nota del editor: La tercera y última parte de esta historia de la Ingeniería Mecánica se publicará en nuestro siguiente número. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Enredándose Netiqueta Parte I. E-mail Fernando J. Elizondo Garza Catedrático e investigador de la FIME-UANL fjelizon@hotmail.com El Internet, y por lo tanto el correo electrónico y demás opciones de comunicación por la red, ha entrado en nuestras vidas como tantos de los adelantos tecnológicos: uno simplemente lo empieza a usar sin mayor conceptualización. El progreso y los ahorros que han representado estos medios de comunicación hacen casi imposible para cualquier ingeniero el despreciar sus bondades y es tan natural e íntimo su uso (ya sea en casa o en la oficina) que no reparamos en las implicantes no técnicas del mismo. ¿Qué diferencia hay entre una carta y un E-mail? Podría pensarse, excluyendo el tiempo de transmisión del mensaje, que es igual teclear una carta laboral para ser enviada por correo tradicional o mensajería que para enviarla por E-mail. Pero el tener tan cerca el “mouse” y el botón de “send” hace que con mayor frecuencia de lo deseado no revisemos correctamente nuestro mensaje antes de enviarlo. Que por ser tecleado, en vez de manuscrito, caigamos en la tentación de no usar acentos, al fin y al cabo el Internet es algo informal, casi como un juego entre amigos, ¿Pero nuestro interlocutor es realmente nuestro amigo? ¿Conoce nuestros códigos personales o locales? ¿Habla nuestro mismo español?... Normalmente ni lo pensamos, sólo tecleamos y “send”. Las cartas a la antigua, por correo, aunque con excepciones, se iban más revisadas, además de que pensando en la posibilidad de que más personas las leyeran se procuraba la discreción. ¿Nadie más que el destinatario leerá nuestros e-mails? Cuando Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 enviamos correos electrónicos o chateamos, generalmente pensamos que sí. En realidad igual que en todas las épocas, la curiosidad de algunas personas es mucha y puede ser muy tentador espiar los correos en las PC´s o sus versiones impresas en papel. En fin, el uso de Internet implica diferentes aspectos particulares sobre los que conviene reflexionar, incluyendo faltas de respeto a los receptores de nuestros mensajes o a nuestros interactuantes virtuales. Podemos ofender o molestar incluso sin darnos cuenta. Como era de esperarse ya se han publicado un conjunto de reglas, equivalentes a un “manual de buenas costumbres”, para la interacción computacional, conocido con el nombre de Netiquette (la etiqueta de la Red) y que designa a un conjunto de reglas para el buen comportamiento en Internet. Uno de los libros pioneros en el tema es Netiquette (1994), de Virginia Shea, disponible tanto en papel como para consulta online a través de la página Virginia Shea y su libro Netiquette. 75 �Enredándose: Netiqueta. Parte I. E-mail / Fernando J. Elizondo Garza www.albion.com/netiquette/ La autora estructura un conjunto de 10 reglas centrales de las cuales se desprenden aspectos particulares. Otras personas y organizaciones simplemente prefieren establecer reglas específicas para los distintos servicios de Internet (correo electrónico, listas de discusión, IRC, FTP, etc.). En este artículo presentaremos, sin pretender ser extensivos, algunas reglas de netiqueta a ser consideradas al utilizar los servicios más populares de Internet estas normas de comportamientos se presentarán agrupadas por tipo de servicio, y por lo tanto, algunas reglas se repiten, por ser de carácter general. ni destinatario, lo mandan a la basura, ya sea por seguridad o por no tener claro a quién debe ser entregado. Privacidad El mail no es tan privado como parece. Debe tenerse cuidado con lo que escribimos, otras personas pueden leerlo. Del otro lado hay seres humanos Nunca olvidar que, aunque estemos mirando un monitor, lo que estamos escribiendo lo recibirá una persona. Si recibimos un mail que nos disgusta, lo mejor es esperar al día siguiente para contestarlo y no escribir algo de lo que después nos podamos arrepentir. Cadenas No reenvíe ninguna cadena de solidaridad. La mayoría son falsas. Si quiere colaborar con gente que lo necesita, póngase en contacto con instituciones serias que pueden canalizar su inquietud o aportaciones. Seguramente encontrará algunas instituciones con las que podra colaborar. CORREOS ELECTRÓNICOS. E-mail Los correos electrónicos se han vuelto parte cotidiana de la actividad profesional, por lo que su adecuado uso es de gran importancia para todos los ingenieros. Entre las normas de Netiqueta a ser consideradas al enviar correos electrónicos se pueden mencionar: Identificar claramente el remitente y el destinatario En una casa u oficina, puede ocurrir que varias personas utilicen la misma computadora y la misma cuenta de mail. Por lo tanto simpre se debe escribir el nombre de la persona a la que va dirigido el mail. Por otro lado es importante firmar los correos electrónicos. No es agradable recibir un E-mail que diga solamente “el envío fue despachado ayer”. También es importante ser consciente de que personas que reciben muchos E-mails y spam, cuando reciben un mensaje que no tienen ni remitente 76 Alertas de virus No reenviar ningúna alerta de virus. La mayoría son falsos. Hay boletines y páginas web sobre el tema, además que los antivirus se pueden actualizar directamente por la red. Publicidad No envíe nunca mensajes publicitarios no solicitados. Si quiere promocionar su negocio o su página web, consiga las direcciones de forma ética, por ejemplo, poniendo un formulario en su página o creando un boletín. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Enredándose: Netiqueta. Parte I. E-mail / Fernando J. Elizondo Garza Es muchísimo más valioso tener una lista de 500 o 1,000 direcciones de personas que se suscribieron voluntariamente, que 1 millón de direcciones de personas a las que no les interesa nuestro negocio. Por eso, para preservar la privacidad de todos en la red, jamás compre o venda direcciones de mail. No responder ningún mensaje no solicitado No responda ningún mensaje no solicitado, ni siquiera con la palabra Remove o Unsuscribe ya que respondiendo se está confirmando que nuestra dirección es válida. Los que envían spam utilizan esta técnica para confirmar la validez de las direcciones, con lo cual, en vez de dejar de recibir mensajes, comenzará a recibir más. Subject o Asunto No envíe un mensaje sin Subject. Utilice juiciosamente la línea de asunto y haga la vida un poco más fácil al receptor. Describa breve y claramente el contenido del E-mail. Una línea corta y concreta permite ubicar rápidamente el mensaje correcto en una larga lista. ¿De qué está hablando? No responda un E-mail diciendo solamente “OK” o “Yo no”. Explique en forma concisa de qué está hablando, evite confusiones. También tenga cuidado con los emoticonos, pues no todos los pueden interpretar de la misma manera, defina el significado la primera vez que lo utilice. varias personas. De esta manera se evita que todos conozcan las direcciones del resto de la lista. No utilizar MAYUSCULAS No escriba todo el mensaje en mayúsculas. Es cansado para leer e implica estar gritando. Idiomas Si está escribiendo a una persona desconocida que vive en un país de lengua diferente al español, utilice en lo posible su idioma o el inglés. Aspectos técnicos Trate de no escribir líneas que contengan más de 80 caracteres, o algunas personas que usan otros programas podrán tener problemas para leerlas. En lo posible evite utilizar caracteres ASCII mayores a 127. Es decir, no use acentos, ni eñes, ni símbolos raros que no estén directamente en el teclado, ya que en el camino que recorre el mensaje pueden ser mal “traducidos” por otra computadora y transformarse en otro tipo de símbolos. Cuando tenga dudas o problemas con un determinado Host, consulte al postmaster. Cuando envíe mensajes al postmaster, sea amable, breve y tenga paciencia, suele estar muy ocupado y la respuesta puede tardar varios días. No incluir todo el mensaje original en la respuesta No incluya, en la respuesta a un mensaje, todo el mail original. Suprima todo lo que no sirva, pues ocupa espacio en la memoria y aumenta el tiempo de envío, dejando solamente lo necesario para darle contexto a tu respuesta. Al reenviar mensajes Si recibe un E-mail y quiere reenviarlo, asegúrese, por privacidad, de borrar todas las direcciones que aparecen en el mensaje. Al enviar un mensaje a un grupo Utilice el campo “CCO” o “BCC” para escribir las direcciones cuando quiera enviar un E-mail a Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 Nota del editor: La segunda parte de este artículo se publicará en nuestro siguiente número. 77 �Eventos y reconocimientos I. PRIMER CONGRESO DE SISTEMAS INTEGRADOS DE MANUFACTURA Y MÁQUINAS HERRAMIENTA Los días 21, 22 y 23 de mayo de 2003 en las instalaciones de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL se llevó a cabo el Primer Congreso de Sistemas Integrados de Manufactura y Máquinas Herramientas. Durante este evento organizado por los doctores Moisés Hinojosa R., Eugenio López G. y Patricia Zambrano R. se efectuaron diferentes conferencias y talleres en donde se abarcaron los aspectos teóricos y prácticos de esta área del conocimiento. Entre las conferencias se pueden mencionar: “Simulación y Optimización de Procesos de Manufactura” ofrecida por la Dra. Martha P. Guerrero M., “Máquina portátil de medición por coordenadas, su importancia y funcionamiento” impartida por personal de la empresa Métrica, “Simulación de robots en la produccion por medio del software CATIA” presentada por el Ing. Tomás Vargas B. Director de Enterprise Engineering Solutions. El M.C. Francisco Ramírez Cruz habló de investigaciones que ligan el crecimiento de los sistemas con el de especies biológicas. Los talleres ofrecidos fueron: Robótica por el M.C. Roberto Mireles Palomares, OPTO22 por el M.C. Javier de la Garza Salinas, el de Pro-Engineer por la Ing. Indira Escamilla Salazar y el de Solidworks por el M.C. Fernando Montemayor Ibarra. II. MÉRITO ACADÉMICO En ceremonia realizada el 18 de Marzo de 2003 se estregaron los Reconocimiento al Mérito Académico a los alumnos más destacados de la FIME-UANL durante el semestre agosto-diciembre de 2002. A continuacián se listan los alumnos, su carrera y su calificación promedio. Elida Mayela Flores González Demetro Pilar Ayala Cruz Javier Martínez Ontivero Páez Álvarez Heberto Demostraciones de equipo robótico realizadas durante el congreso. 78 IAS IEC IAS IMM 98.84 96.61 97.22 93.81 III. MENCIÓN HONORÍFICA En ceremonia presidida por el rector de UANL y el director de la FIME-UANL, el 18 de Marzo de 2003, se realizó la tradicional entrega de Menciones Honoríficas a los estudiantes que sobresalen por su desempeño académico en la FIME-UANL. A continuacion se listan los alumnos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Eventos y reconocimientos El Rector de la UANL, Dr. Luis J. Galan Wong y el Director de la FIME-UANL, MEC Rogelio Garza Rivera, con los alumnos que recibieron Reconocimientos al Mérito Académico y Menciones Honoríficas por su desempeño escolar. Jesús Guadalupe Tadeo Garza Moreno Eder Hernández Wong Juan Ángel Rodríguez Liñan José Manuel López Maldonado Ángel Tomás Gutiérrez Gómez Fernando César Martínez Gómez Guillermo Ahumada Castro Carlos Iván Torres Duarte Sergio Alejandro Galván Páez Nicolás González Fonseca Juan Carlos Balderas Flores Aldo Micel Rodríguez García Raúl Abraham Uribe Reyna Silvia Lorena Vera Buendía Enrique Gerardo López Martínez Ana Lilia Hernández Sánchez María del Refugio Castillo Monroy Claudia Lisset Macías Garza Israel Cantú González Mariana Leos Cabral Hazel Peña Bernal Jessica Guadalupe Ayala Fernández Omar Alejandro Jiménez Moreno Julio César Escobedo de la Rosa Carlos Alberto Alvárez Herrera Dixie Diana Saldaña Loera Salinas Salinas Edith Nohemi Flores Guzmán José Israel Cynthia Margarita Herrera Llanes Daldinia Garza Delgado Susana Fabiola Casas Rocha Jared Blanco Martínez Manuel Torres García Aurelio López González IEC IEC IEC IEC IEC IEC IEC IEC IEC IEC IEC IEC IEC IEC IEC IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS IAS Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 96.15 96.12 95.32 94.53 94.06 94.01 93.93 93.82 93.82 93.00 91.79 91.57 90.76 90.43 90.37 97.59 96.34 96.09 95.88 94.88 94.35 93.60 91.78 91.39 91.01 90.94 90.85 90.73 90.64 90.57 90.38 90.26 90.11 90.11 IV. 30 AÑOS DE ANTIGÜEDAD COMO MAESTROS DE LA FIME-UANL Con motivo del “Día del Maestro” la Dirección de la FIME-UANL efectuó un reconocimiento a los profesores de mayor antigüedad laboral, así como a los que cumplieron 30, 25, 20 y 15 años como catedráticos de dicha institución. Los maestros que durante el año 2003 cumplen 30 años de labor docente se listan a continuación. M.C. Dagoberto Almanza Cabrera M.C. José Antonio González Treviño M.C. Juan de Dios Alton Barrios Ing. Gerardo Guerra Lozano M.C. José Wenceslao Báez Martínez M.C. José Jaime Guerrero Garza M.C. José Ernesto Bernal Avalos Ing. Lorenzo Hernández Medellín Ing. Apolonio Gerardo Cantú Rodríguez M.C. Noe Hortiales Pacheco M.C. Margarita Cantú Villarreal M.C. Eligio Jaime Muñoz M.C. José Luis Castillo Ocañas M.C. Heriberto Martínez Garza M.C. Jesús Antonio del Bosque González M.C. Alfredo Mata Briseño Ing. Francisco Javier Delgadillo Arreola M.C. Jesús José Meléndez Olivas M.C. Fernando Javier Elizondo Garza Ing. Armando Mesta Montelongo Dr. César Elizondo González M.C. Arturo Moreno Rodríguez Ing. Jesús Javier Elizondo Platas M.C. María Blanca E. Palomares Ruiz M.C. Raúl Escamilla Garza M.C. Juan Antonio Pérez Patiño El MEC Rogelio Garza Rivera, Director de la FIME-UANL y el MC José A. Gonzalez T., Secretario General de la UANL, acompañan a los profesores de la FIME que cumplen 30 años de antigüedad laboral. 79 �Eventos y reconocimientos M.C. Moisés Espinosa Esquivel Ing. Marcos Picasso Ledezma M.C. Paulino Flores Saavedra M.C. María Guadalupe Ramírez López Ing. Gerardo Frutos Guerra M.C. Efraín Ramírez Vijil M.C. Ricardo Garza Castaño M.C. José Guadalupe Ríos Martínez M.C. Eliezer Garza Elizondo Ing. Hugo Enrique Rivas Lozano Ing. Hugo Emilio Garza Jáuregui M.C. José D. Rivera Martínez M.C. Álvaro Garza Quiroga Ing. Juan Francisco Rodríguez García M.E.C. Rogelio Guillermo Garza Rivera Ing. Jorge Luis Sáenz Martínez M.C. Guillermo Garza Villarreal M.C. Simona Sánchez Villanueva M.C. Adalberto Gaytán Reyes Ing. Elías Benjamín Torres Gómez M.C. Humberto Baltazar González González M.C. Lilia Nelda Treviño Lara Ing. José Antonio Treviño Torres VI. RECONOCIMIENTO A PROFESORES DISTINGUIDOS DE LA UANL El día 14 de mayo de 2003, en el Aula Magna del Colegio Civil de la UANL, profesores distinguidos de la Universidad Autónoma de Nuevo León recibieron un homenaje de su alma mater tanto por su trayectoria dentro de las aulas como por su proyección fuera de ellas a nivel nacional e internacional. De las diferentes facultades de ingeniería de la UANL se hicieron merecedores al reconocimiento 80 por su trayectoria docente los siguientes catedráticos: Lic. Juan Antonio Cadena Guerra, FCQ. M.C. Guadalupe E. Cedillo Garza, FIME. Ing. Antonio Garza Garza, FIME. Ing. Matías Botello Treviño, FIME M.C. Manuel Amarante Rodríguez, FIME En la categoría de Profesores distinguidos a nivel nacional e internacional, de las diferentes escuelas de ingeniería de la UANL fueron distinguidos los siguientes profesores e investigadores: Q.F.B. Yolanda Molina Recio, FCQ. M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, FIME. M.C. Benjamín Limón Rodríguez, FIC. M.C. José Manuel Rojas Ruiz, FIC. M.C. Rafael Gallegos López, FIC. Catedráticos de la UANL que se hicieron acreedores al reconocimiento como profesores distinguidos a nivel nacional e internacional. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Marzo-Mayo 2003 Aracely Silva Garza, M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Requerimientos sugeridos por el sector productivo para el egresado de la carrera de Ingeniero Administrador de Sistemas ”, 3 de Marzo de 2003. Ma. Magdalena Galindo Serna, M.C. Administración con Especialidad en Investigaciones de operaciones, “Estrategia para la toma de decisiones en la adquisición de tecnología aplicable a las licenciaturas de arquitectura y diseño industrial”, 7 de Marzo de 2003. Alfredo Alavez Murillo, M.C. Ingeniería Mecánica con Especialidad en Diseño mecánico, “Utilización de la computadora como herramienta en el diseño de elementos de máquinas”, 11 de Marzo de 2003. Blanca Patricia Sánchez Juárez, M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Requerimientos sugeridos por el sector productivo para el egresado de la carrera de Ingeniero Administrador de Sistemas”, 17 de Marzo de 2003. Ramón Alanís Carreón, M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Desarrollo de técnicas de motivación para mejorar el rendimiento de los alumnos de la preparatoria 23 de la UANL en la materia matemáticas”, 18 de Marzo de 2003. Oscar Miguel Delgado López, M.C. Adminitración con Especialidad en Producción y Calidad, “Diseño de un modelo administrativo para una empresa de instalaciones”, 19 de Marzo de 2003. Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 César José García Matar, M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Cambios en los procedimientos y evaluaciones de una playera y un short de maquila textil y su efecto económico”, 19 de Marzo de 2003. Netzahualcoyotl Hernández Rodríguez, M.C. Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Control, “Requerimientos de diseño para sistemas de control lineales, una representación en el dominio de la frecuencia”, 22 de Marzo de 2003. Jesús Martínez Nalón, M.C. Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Potencia, “Análisis del congestionamiento de los sistemas de transmisión en mercados eléctricos competitivos”, 22 de Marzo de 2003. Edén Amaral Rodríguez Castellanos, M.C. Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Estudio sobre la influencia de la espinela magnesia-alúmina (MgA1 2 0 4 ) e n u n a combinación innovadora de fases refractarias MgO-CAZr03 -Zr02 ”, 24 de Marzo de 2003. Leonel López de León Ponce , M.C. Administración con Especialidad en Producción y Calidad, “Procedimientos de operación de las máquinas de ensamblaje y prueba para la producción de tarjetas electrónicas basado en el modelo de aseguramiento de calidad ISO 9002”, 24 de Marzo de 2003. Jesús Rodríguez Zamora, M.C. Ingeniería con Especialidad en Telecomunicaciones, “Métodos de medición y prueba en órbita para trasponder de sátelites”, 28 de Abril de 2003. 81 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Julio César Castillo Covarrubias , M.C. Ingeniería de Manufactura con Especialidad en Diseño del Producto, “Desarrollo de una técnica de diseño de troqueles de alta velocidad para producir laminación rotor-estator grapado”, 2 de Mayo de 2003. Sergio Isidro Pérez García, M.C. Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Potencia, “E s t i m a c i ó n d e e s t a d o c o n m e d i c i o n e s fasoriales sincronizadas”, 10 de Mayo de 2003. Ramón Cervantes Cantú, M.C. Administración con Especialidad en Finanzas, “Evaluación de un proyecto de inversión en equipos de computo IBM contra UNISXS”, 26 de Mayo de 2003. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA CONGRESO DE INGENIERÍA TÉRMICA E HIDRÁULICA 2003 10 – 12 de Septiembre de 2003 Sede: FIME-UANL Los Departamentos de Ingeniería Térmica e Ingeniería Hidráulica de la FIME-UANL se complacen en invitarlo a participar en su Congreso de Ingeniería Térmica e Hidráulica 2003, que se llevará a cabo los días 10, 11 y 12 de Septiembre de 2003 en esta Facultad. El objetivo fundamental del evento es difundir los nuevos desarrollos y tendencias en las áreas de Ingeniería Térmica e Hidráulica. Entre las actividades que se desarrollarán se incluyen conferencias, exposiciones y concursos. INVITACIÓN A PONENTES Los interesados en participar con una ponencia o un póster deberán enviar un resumen de 500 palabras por correo electrónico a las direcciones: jaguilar@gama.fime.uanl.mx o jafranco@gama.fime.uanl.mx o al Fax (81)8332-0904. La fecha límite para la recepción de resúmenes será el 21 de Julio de 2003. PARA MAYOR INFORMACIÓN Página del evento: http://grafito.fime.uanl.mx/termica_hidraulica/congreso2003.html Departamento de Ingeniería Térmica Juan Antonio Aguilar Garib E-mail: jaguilar@gama.fime.uanl.mx Departamento de Ingeniería Hidráulica Juan Antonio Franco Quintanilla E-mail: jafranco@gama.fime.uanl.mx Tel: (81) 8329-4020 Ext 5843. Fax: (81) 8332-0904 82 Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Acuse de recibo Revista EMPRENDEDORES Revista CINTERMEX La revista Emprendedores es publicada mensualmente en España por la editorial Hachette Filipachi y distribuida internacionalmente. Especializada en artículos de divulgación relativos al quehacer emprendedor, presenta en sus páginas con un formato compacto, didáctico y agradable a la vista, temas como: liderazgo, capital humano estrategia, habilidades, cibernegocios, dinero, plan de negocios, etc. En el número correspondiente a mayo de 2003, se presenta como tema central un dossier sobre «Como ser más creativo en tu trabajo» en el que se analizan técnicas para tener ideas que mejoren nuestro trabajo, así como los artículos: «Hacer una entrevista», donde se discuten que tipo de preguntas deben hacerse en una entrevista de selección de personal; «Montar una guardería», en el que se analiza el boom del mercado del cuidado de niños, etc. Para más información sobre esta publicación puede consultarse la página de Internet www.emprendedores.es o comunicarse vía el E-mail: mfmontes@hachette.es (FJEG) Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 CINTERMEX, revista que como su nombre lo indica es editada por el Centro Internacional de Negocios, de la ciudad de Monterrey, México, en su número 55 correspondiente al invierno del 2002, contiene interesantes artículos como “No puedes vender nada si no puedes vender tu propia imagen” de Marjorie Brody en el que se dan una serie de consejos prácticos para que los profesionales de ventas se presenten a sí mismos de la mejor manera dominando las 3 V’s que son las señales de comunicación Visual, Vocal y Verbal. Otros textos son ¿Cuándo le preguntaste a tus Clientes lo que Deseaban de tu Exposición?, una nota sobre la visita de Vicente Fox a Cintermex, notas de los eventos realizados e información de las exposiciones a realizar en un futuro próximo. Más información en http://www.cintermex.com.mx E-mail: info@cintermex.com.mx (JCM) 83 �Colaboradores Arantes, Luciano José Graduado en Ingeniería Mecánica por la Universidad Federal de Uberlândia, Brasil, 1999. Maestría en Ingeniería Mecánica en la Universidad Federal de Uberlândia y Massachusetts Institute of TechnologyBoston, EUA, 2001. Doctorando en Ingeniería Mecánica en la UFU, Brasil. Barajas Pinzón, Oscar Mauricio Ingeniero Mecánico y maestría en Automatización Industrial por la Universidad Nacional de Colombia en 1995 y 2001. Cursos especializados en Manejo de Catástrofes Naturales en Francia, Holanda, Bolivia, Ecuador, Perú, Cuba y Colombia. Trabajó en la Cruz Roja Colombiana de 1997 al 2001. Actualmente es Ingeniero Supervisor de Facilidades (depuración del petróleo) en la Occidental de Colombia. Colás Ortíz, Rafael Cursó estudios de ingeniería metalúrgica en la Universidad Metropolitana y la maestría y el doctorado en Metalúrgica en la Universidad de Sheffield, Inglaterra. Fue Gerente de Tecnología de Procesos en la empresa Hojalata y Lámina. De 1992 a la fecha es profesor investigador del Doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Investigador Nacional nivel 3. Da Silva, Evaldo Malaquias Doctorado en Ingeniería Mecánica en la Universidad Federal de Uberlândia, Maestría en Ingeniería Mecánica en la Universidad Federal de Uberlândia. Graduación en Ingeniería Mecánica en la Universidad Federal de Uberlândia. Da Silva, Márcio Bacci Graduado en Ingeniería Mecánica y maestría por la UFU-MG, Brasil. Doctorado en Ingeniería en la University of Warwick-Conventry, Inglaterra, 1998. 84 Elizondo Garza, Fernando Javier Ingeniero Mecánico Electricista egresado de la FIME-UANL. Diplomado en Administración de Tecnología en el CINVESTAV del IPN. Estudios de maestría en Ingeniería Ambiental en la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. Es catedrático y consultor de la FIME. Director de la revista Ingenierías. García Loera, Antonio Ingeniero Mecánico Administrador y Master en Ciencias de la Ingeniería de los Materiales por parte de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Obtuvo el grado de PhD en Ciencia de los Materiales Compositos y Poliméricos en el Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Francia. Actualmente se desempeña como Catedrático- Investigador en la FIME. Guerrero Mata, Martha Patricia Licenciada en Ciencias Físicas por la Universidad Autónoma de Nuevo León, obtuvo la Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales en la UANL, obtuvo el Doctorado en la Universidad de Sheffield, Inglaterra. Es profesora de tiempo completo desde 1997 del Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la FIMEUANL. Investigador Nacional nivel 1. Kalashnikov V., Vyacheslav Profesor de Cátedra en el Departamento de Matemáticas del ITESM. Doctor en Cibernética Matemática por el Instituto Central de Económica y Matemática de la Academia de Ciencias de Rusia, Moscú, su grado de Ph.D. en el Instituto de Matemáticas en Departamento Sibérico de la Academia de Ciencias de la URSS, Novosibirsk, y sus títulos de Maestro en Ciencias y de Lic. en Matemáticas de la Universidad de Novosibirsk, Rusia. Sus Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �Colaboradores áreas de interés son investigación de operaciones, optimización, problemas de complementaridad y desigualdades variacionales. Kharisov, Boris I. Estudió Radioquímica y Química Inorgánica en la Universidad Estatal de Moscú, Rusia, institución en la que obtuvo también su grado de doctor. Hasta 1989 trabajó en el Instituto de Tecnología Química en Moscú en el área de Radioquímica Aplicada. Desde 1994 labora en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANLeón. Es autor de más de 25 artículos científicos publicados en revistas tanto del país como del extranjero. Mata Cabrera, Francisco Ingeniero Industrial e Ingeniero Técnico de Minas por la Universidad de Castilla-La Mancha. Diplomado en Ingeniería de Materiales por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Master en Evaluación de Impacto Ambiental por el Instituto de Investigaciones Ecológicas de Málaga, Experto Universitario en Educación por la UNED. Es profesor Asociado en el Área de Ingeniería Mecánica en la Escuela Universitaria Politécnica de Almadén. Morado Macías, César Licenciado en Filosofía y Maestro en Educación por la Facultad de Filosofía y Letras de la UANL, donde actualmente imparte cátedra. Coordinador del Archivo Histórico del Archivo General del Estado de Nuevo Léon. Autor de varios libros sobre historia regional del noreste mexicano. Doctorante en Ciencias Sociales por la Universidad de Guadalajara. Palomo González, Miguel A. Profesor en la Jefatura de Ingeniería Industrial, en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León, tiene estudios de Doctorado en “Estrategia Internacional de la Empresa” (I.A.E., Grenoble, Francia) y especialidad en “Administración de Tecnología” (Battelle Memorial Institute, (Columbus, Ohio, E.U.A.). Pérez Rodríguez, José Alfredo Originario de Sinaloa, México, obtuvo el título de Ingeniero Industrial Militar en la especialidad de Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 Ingeniería Eléctrica en la Escuela Militar de Ingenieros de la Secretaría de la Defensa Nacional, México en 2002. Actualmente está incorporado en actividades de supervisión de redes eléctricas en Irapuato, Guanajuato, México. Raslan, Alberto Arnaldo Graduado en Física, ICEx-UFMG, Brasil, 1976. Maestría en Ingeniería Metalúrgica UFMG, 1979. Doctorado en Ingeniería Metalúrgica UFMG 1988. Posdoctorado en el LCEP/ENSMM, Francia, 1991. Ríos Mercado, Roger Z. Profesor de tiempo completo y exclusivo en el Programa de Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la FIME, UANL. Recibió sus títulos de Doctor y Maestro en Ciencias en Investigación de Operaciones e Ingeniería Industrial por la Universidad de Texas en Austin, y su título de Licenciado en Matemáticas por la UANL. Sus áreas de interés son investigación de operaciones, desarrollo de heurísticas y optimización estocástica, con aplicación a problemas de toma de decisiones provenientes de la industria del gas y procesos de manufactura. Salas Zamarripa, Ezequiel Egresado de la carrera de Ingeniero Mecánico Eléctricista, ofrecida por la FIME de la UANL. Actualmente estudia la Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, ofrecida por la misma institución. Vázquez Martínez, Ernesto Se graduó de Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones en 1988, y obtuvo su Maestría y Doctorado en Ingeniería Eléctrica en 1991 y 1994 respectivamente, en la Universidad Autónoma de Nuevo León, México. Desde 1996 es Profesor Investigador del Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la UANL y es responsable del laboratorio de sistemas eléctricos de potencia y protecciones. Es Miembro del Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica (IEEE) de Estados Unidos. Su área de investigación es la aplicación de técnicas de inteligencia artificial en sistemas eléctricos de potencia. 85 �Información para colaboradores Se invita a profesores e investigadores de las diferentes áreas de la ingeniería a colaborar en la Revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes de eventos, convocatorias, etc. Las colaboraciones deberán estar escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. No deberá ser en primera persona. Solamente se aceptarán trabajos en inglés de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos serán sujetos a arbitraje tipo doble anónimo siendo inapelable el veredicto de los revisores. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras y carta de cesión de derechos, en formato electrónico .doc de Word, en disquete, CD o por E-mail a las direcciones: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx hinojosa@gama.fime.uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por artículo es cuatro. La extensión de los artículos no deberá exceder de 8 páginas tamaño carta (incluyendo 86 gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras. Deberán incluirse un máximo de 5 palabras clave tanto en español como inglés. Las referencias irán numeradas en el orden que fueron citadas en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Deben incluirse al menos 1 imagen o gráfica por página, en formato jpg, con 300 dpi y con al menos 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales. Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4020 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx Ingenierías, Julio-Septiembre 2003, Vol. VI, No. 20 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2003 Volumen Volumen de la revista 6 Número Número de la revista 20 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2003, Vol 6, No 20, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2003 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020783 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Activos intangibles Fluidos dieléctricos Ftalocianinas Ingeniería mecánica INRUSH RIPS https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20742/Ingenierias_2003_Vol_6_No_19_Abril-Junio.pdf 15efc36ccfaa3a82461b42efed5f886d PDF Text Text ���Editorial: El paradigma de la vinculación entre ciencia y sociedad Virgilio A. González González Profesor del Doctorado en Ingenieria de Materiales de la FIME-UANL E-mail: vigonzal@ccr.dsi.uanl.mx La vinculación entre el sector académico y la sociedad es en todo el mundo una actividad estratégica para el desarrollo social y económico de las naciones, las cuales requieren que la inversión que hacen en las universidades y centros de investigación se traduzca más rápidamente en satisfactores sociales y en ventajas competitivas con otras naciones, aún y cuando éstas sean socios de tratados económicos y comerciales. La vinculación de los Grupos Académicos y de Investigación (GAI) con la sociedad es un paradigma que ha servido de guía al CONACYT desde su fundación en la década de los 70, razón por la cual sus programas indicativos han tenido títulos como: “Sustitución de importaciones”, “Aprovechamiento de recursos naturales”, “Alimentos”, “Energía”, etc. En otras palabras, desde su inicio y hasta la fecha (casi 30 años), la idea del desarrollo de la investigación en México, ha sido y es concebida como necesariamente vinculada a las necesidades de la Nación. Con afortunadas excepciones, en las universidades y en los centros de investigación ha habido poca vinculación entre los grupos académicos y los sectores social y económico, lo cual se refleja en pocos ingresos por contratos, en la mínima cantidad de patentes y en la ínfima cantidad de patentes en uso. Para lograr el éxito en la vinculación de los grupos académicos y de investigación se requiere, que los GAI sean un sistema con capacidad, infraestructura y organización, orientados a este fin. Como prerequisito para conseguir estructurar dicho sistema es indispensable uniformizar los conceptos involucrados con las actividades y productos de los GAI, esto no es trivial, los ejemplos más sobresalientes de esta dificultad son los conceptos de investigación básica, aplicada, desarrollo tecnológico, innovación y servicios. Por otra parte la formación de recursos humanos se puede contemplar desde la perspectiva de los alumnos como cliente o bien como los profesionistas como producto para ofrecer a la sociedad. Ambas perspectivas, aunque válidas, determinan diferencias estratégicas en la formación académica . Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI No. 19. 3 �Editorial / Virgilio A. González González Los GAI tienen tres funciones substantivas: a) Formar recursos humanos competitivos internacionalmente, b) Generar conocimientos y tecnologías en sus áreas de especialidad mediante proyectos de investigación básica y c) Apoyar el desarrollo social y económico del país y de la región mediante proyectos de servicios técnicos, tecnológicos, de investigación aplicada y de desarrollo tecnológico para los sectores público y privado. Las tres funciones son interdependientes (figura 1) y son necesarias para el desenvolvimiento exitoso del GAI. Fig. 1.- La interdependencia de la formación de recursos humanos, la investigación básica y la investigación aplicada y el desarrollo tecnológico. Los clientes de los GAI como unidades de servicio y/o negocio se pueden englobar en tres tipos (figura 2), que son: a) Otros grupos académicos y de investigación con quienes intercambia recursos humanos y conocimientos, b) El sector público a quien se le transfieren resultados de servicios académicos y técnicos, proyectos de investigación aplicada y de desarrollo tecnológico a cambio de financiamiento y c) El sector productivo privado, a quien también se le ofrecen servicios académicos y de investigación, solamente que la relación tiene una característica de negocios mucho más acentuada. Mientras que con el sector público se establecen convenios y contratos en los que las utilidades pudieran ser marginales, con el sector productivo se establecen contratos donde los precios se rigen por las leyes del mercado. Además, con el sector productivo los tipos de servicios y proyectos que se requieren (al menos potencialmente), son mucho más diversos. Las dinámicas de cada mercado (otros GAI, sector social y sector productivo), son diferentes y el impacto o implicaciones del éxito o fracaso de los proyectos también se diferencian. 4 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol VI, No. 19. �Editorial / Virgilio A. González González Fig. 2. Relaciones de vinculación de los grupos académicos y de investigación con el resto de la sociedad. Como en toda unidad de negocios, los GAI tienen que ofrecer y promocionar sus productos, convenciendo a sus clientes que estos son de calidad, con un precio justo y que su adquisición significará ventajas en relación a la competencia, mejoras financieras (utilidades) o satisfactores sociales. En otras palabras, es necesario tener una estrategia de ventas de los productos y servicios del GAI. Es claro que para promocionar los productos, es necesario tenerlos bien definidos (descritos) y bien estructurada su producción y prestación a precios competitivos, con el máximo de calidad y en el mínimo del tiempo. En México, las instituciones que han tenido experiencias exitosas de vinculación son aquellas que han sabido atender en forma eficiente a los tres sectores en que se pueden englobar los clientes y que han apoyado y mantenido con altos estándares de calidad las tres funciones esenciales de los GAI: a) formación de recursos humanos, b) investigación aplicada y servicios, c) investigación básica. En el caso particular de la FIME-UANL, hay experiencias exitosas en proyectos con la industria, en investigación básica y en formación de recursos humanos de alto nivel. Esto se ha reflejado en la aceptación de sus egresados, los que actualmente se desempeñan satisfactoriamente en México y en países como EUA, Canadá, Francia e Inglaterra, otro indicador son los servicios y proyectos de investigación que se desarrollan a empresas de diversos ramos como la industria metal–mecánica, la eléctrica, de cerámicos y polímeros, además de la publicación de artículos técnicos y científicos en revistas nacionales e internacionales de reconocido prestigio. El éxito de este modelo puede ser considerado como el punto de partida que permita establecer estrategias para que las instituciones y sus GAI mejoren su capacidad, infraestructura y organización, lo que con seguridad permitirá acceder a estadios superiores de vinculación con los diferentes sectores de nuestra sociedad. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI No. 19. 5 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908 Parte I. Las minas. César Morado Macías E-mail: cmorado@mail.nl.gob.mx ABSTRACT The aim of this article is to verify the assumption that the mining and metal smelting activities were factors of economic development and caused regional liaisons.We seek to explain the relations between the metal mining industry developed in the states of Coahuila and Nuevo León, Mexico with the sprouting of three metallurgical plants founded the year of 1890 on the Nuevo León state. Chronologicaly it is considered the period 1890-1908 and the city of Monterrey, as well as it’s area of economic influence.1 The work will appear in three parts: first on the mining, the second on the smelting and third on the mechanisms of integration between mining and metallurgy. KEYWORDS Mining, Smelting, Metallurgy, Monterrey, Nuevo León, México. RESUMEN El objetivo de este ensayo es comprobar el supuesto de que la actividad minera y de fundición de metales fue factor de desarrollo económico y propició lazos regionales; se busca explicar la vinculación de la minería de metales industriales desarrollada en Coahuila y Nuevo León, con el surgimiento de tres plantas metalúrgicas fundadas el año de 1890 en la capital nuevoleonesa. Cronológicamente se alude al período 1890-1908 y espacialmente a Monterrey, así como su área de influencia económica.1 El trabajo se presentará en tres partes: la primera sobre la minería, la segunda sobre las fundiciones y la tercera sobre los mecanismos de integración entre minería y metalurgia. PALABRAS CLAVE Minería, fundición, metalurgia, Monterrey, Nuevo León, México. AUGE DE LA MINERÍA DE METALES INDUSTRIALES Estabilidad política y social, capitales disponibles, infraestructura ferroviaria y legislación moderna que fomentaba el desarrollo del ramo, hicieron posible, a partir de 1885, la revitalización de la minería nuevoleonesa. A fines del siglo XIX con el auge de la industrialización, creció ampliamente la demanda de metales industriales. La industria eléctrica norteamericana requería grandes cantidades de plomo. Por esta razón y gracias al Arancel McKinley, para 1893 teníamos en Monterrey funcionando tres plantas metalúrgicas: Nuevo León Smelting, Peñoles y Asarco, conocidas popularmente como fundición 1, 2 y 3 respectivamente. 6 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte I / César Morado Macías Los peritos mineros habían localizado en varios puntos de Nuevo León, numerosas vetas de plomo argentífero, muchas de estas propiedades mineras, o fundos, eran los mismos que fueron explotados durante el período colonial; sin embargo, las bajas leyes de plata que contenían y la disminución de su precio en el mercado hacía incosteable su explotación. Ahora interesaban más el plomo, el zinc, el cobre y el hierro. México dejaba atrás la minería de metales preciosos y se introducía en los industriales. Tan sólo en Monterrey, tenían su domicilio social más de cuatrocientas empresas dedicadas a la explotación de esta nueva minería, funcionando con capital de empresarios regiomontanos.2 Hace algunos años iniciamos una investigación en torno a la problemática de esta pequeña y mediana minería. Entre 1890 y 1908 clasificamos nueve centros mineros en función de la localización de sus fundos, ver tabla I, de estos los clasificados del I al VI están en Nuevo León y del VII al IX en Coahuila. En los protocolos notariales del Archivo General del Estado de Nuevo León, se localizaron 405 actas constitutivas de compañías mineras entre 1890 y 1908 -excluyendo las empresas metalúrgicas-, seleccionamos un universo de 400, para estudiar sus accionistas. No se intentó realizar demografía empresarial, sino sólo ubicar el monto de las inversiones y a quienes las realizan. Tabla I. Clasificación de los centros mineros. (1890 a 1908). CENTROS MINEROS NÚMERO DE FUNDOS EXPLOTADOS MINERAL I. Lampazos 16 Plomo, Hierro, Zinc, Cobre II. Cerralvo 15 Plomo, Cobre III. Villaldama 5 Plomo, Zinc, Cobre IV. Monterrey 31 Plomo, Zinc, Cobre V. Vallecillo 3 Plomo, Zinc VI. Santa Catarina 32 Plomo, Zinc, Cobre VII. Monclova 75 Plomo, Hierro, Cobre VIII. Sierra Mojada 7 Plomo, Zinc, Cobre IX. Ramos Arizpe 19 Plomo, Zinc, Cobre Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. Foto 1. Estación terminal del cable transportador de metales en las Minas de San Pedro. La mayoría de las compañías fueron sociedades anónimas, como tales, regían su funcionamiento por el Código de comercio. Todas tenían domicilio legal en Monterrey, lo que evidencia la importancia de la ciudad como centro financiero, que ya por ese entonces había desarrollado una sobresaliente infraestructura bancaria, en la que destacaban el Banco Mercantil de Monterrey (1899) y el de Nuevo León (1892), además de numerosas casas que brindaron financiamiento en forma independiente. Es preciso acotar que la mayoría de los accionistas de los dos establecimientos bancarios tienen participación en compañías mineras. Su listado, sería también el de los principales empresarios mineros. Mediante una revisión exhaustiva a las actas constitutivas de las empresas, se evidenció que un grupo de 14 familias invierten en 358 empresas, es decir un contundente 89.5% del total: Zambrano, Ferrara, Rivero, Cueva, Larralde, Armendáriz, Madero, Hernández, Chapa, Maiz, Muguerza, Dresel y Santos. Encabezan el índice la familia Zambrano Eduardo, Adolfo, Onofre, Gregorio, Octaviano, Ildefonso, Francisco, Nicéforo-, con intereses en 79 corporaciones representando el 19.75% del universo de 400. Le siguen los Ferrara -Miguel, Antonio, Vicente-, con 54 participaciones, es decir un 13.75 %. Continúan los Rivero -Ramón, Víctor, Juan, Valentín Rivero y Valentín Rivero Gajá- con 31 compañías y un 7.75 %. La familia Cueva -Federico, Eusebio, Atenedoroinvierte en 23 compañias, un 5.75%; Los Larralde 7 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte I / César Morado Macías -Adolfo y Rómulo- aparecen en 21 compañías, o sea un 5.75%. Con participación en 19 empresas cada una aparece la familia Hernández -Mariano, José y Antonio V. Hernández- y los Madero -Ernesto, Gustavo, Francisco Madero, padre, y Francisco 1. Madero, hijo- representando un 4.75%. La familia Chapa -Leobardo, Francisco, Jesús, Longino, Policarpo- figuran en 17 sociedades mineras al igual que los Sada -Francisco, Alberto, Leopoldo- lo que significa un 4.75%. Con 15 empresas aparecen 4 familias, los Maiz -Joaquín, Justo, Agustín, José-; los Muguerza -José, José Antonio y Venancio- ; los Santos -Ignacio, Apolonio, Nicolás- y solitariamente don Gustavo Dresel, cada uno representa un 3.75% del universo de 400. Otras familias que aparecen son los Ancira que invierten en 14 empresas al igual que los Castillón, los Belden participan en 13; los Robertson en 11, los Gorostieta y Canales figuran en 10 cada una. Con 9 participaciones están los Piazzini y los Coindreau, los Mendirichaga con 6 y los Milmo con sólo 4. Conviene subrayar que los empresarios mineros más destacados; Vicente Ferrara, Gustavo Dresel y las familias Maiz, Zambrano, Rivero y Madero, ver grafica 1, figuran también como accionistas de las plantas fundidoras como parte de un proceso de integración económica.3 Foto 2. Estación de embarque de los metales en los carros del ferrocarril minero en las Minas de San Pedro. LA LÓGICA DE LAS INVERSIONES: PRECIOS Y MONTOS DE PRODUCCIÓN Debemos analizar ahora, en qué medida la inversión es determinada por el mercado. Parecen destacarse 5 variables importantes -desde luego no autónomas que van a incidir en la lógica de las inversiones: 1) La existencia de capitales locales y de un clima financiero favorable a la inversión. 2) La disposición de tecnología para realizar el proceso de fundición de los metales. 3) La cercanía del mercado norteamericano y su acceso por ferrocarril. 4) La demanda del plomo en el mercado mundial. 5) Las fluctuaciones del precio. GRÁFICA I PRINCIPALES FAMILIAS DE MONTERREY QUE INVIERTEN EN MINERIA DURANTE EL PERIODO 1890-1908 DR SA MU ZA MA SD CH HE FE MA AM RI LA ZAMBRANO LARRALDE CHAPA DRESEL 8 FERRARA ARMENDARIZ SADA SANTOS CU RIVERO MADERO MAIZ CUEVA HERNANDEZ 18 MUGUERZA Foto 3. Primera estación del cable de las Minas de San Pedro. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte I / César Morado Macías Foto 4. Edificio de la Administración de las Minas de San Pedro. Como los tres primeros aspectos los hemos subrayado en otro punto, nos limitaremos a las dos últimas variables. Nos basaremos al respecto en el subíndice de Metales industriales no ferrosos, que nos proporciona Guadalupe Nava en el capítulo sobre minería, de la Historia Moderna de México, coordinada por Daniel Cosío Villegas. Es obvio que el ritmo de industrialización que viven México y el mundo en ese período, requiere de plomo, cobre y zinc a gran escala. Sin embargo, el alza de los precios varía en cada uno de los metales industriales que suben a una tasa anual promedio de 2.1 % entre 1891-1892 y 1910-1911. En el caso que nos ocupa, el plomo, su ascenso fue a una tasa anual muy moderada (1.9 %.); con tres fluctuaciones muy importantes: 1) Una baja sensible entre 1897-1898, 2) Una enorme tendencia alcista a partir de 1898 y hasta 1901, 3) Una caída muy considerable a partir de 1906, que se prolonga hasta 1908, en que el precio continúa bajo. Con estos antecedentes es fácil relacionar los cuadros sobre número de empresas organizadas entre 1890-1908 y la magnitud de los montos invertidos. Vemos así cómo en 1890, sólo se iniciaron tres compañías, pero en cuanto se instalan las metalúrgicas, se establecen 14 con un alto promedio de inversión por empresa. Hacia 1896 suben las expectativas y se fundan 38 sociedades mineras, pero ante la baja del precio al año siguiente sólo se organizan 23 y en 1898 sólo catorce. Es a partir de la segunda parte de este año cuando se produce un repunte importante que genera 15 nuevas empresas en 1899 y 82 en 1900. Es claro que este mayor número de compañías en 1900 coincide con el punto más alto en que se encontraba el precio del plomo. El auge se mantiene en 1901 -se fundan 69 compañías-, y empieza a descender en 1903 -apenas 26-, para luego lograr una relativa estabilidad que se rompe en 1906-1908, con la caída del precio. En este último año, sólo algunos arriesgados inversionistas organizan un par de empresas. Foto 5. Entrada a las minas ubicadas en la zona de “El Diente”, Monterrey, México. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 9 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte I / César Morado Macías Por lo que se refiere al volumen físico de la producción de metales industriales no ferrosos, su explotación, a nivel nacional creció a una tasa media anual del 7.5%. La del plomo crece de una manera considerable entre 1891 y 1893, para disminuir gradualmente su crecimiento hasta 1898 y desde ahí subir a excelentes niveles entre 1899 y 1905, momentos en que empieza a declinar la producción. En general este subíndice de Guadalupe Nava, coincide con los períodos de auge y decadencia de nuestra minería regional. Cabe destacar que Nava también apunta que las vetas nuevoleonesas rendían en general 80 kilos de plomo, 45 de cobre y 3 de plata por tonelada de mineral beneficiado. Antes de pasar a la geografía minera, debemos señalar que el 85.5 % del universo de 400 empresas estudiadas explota plomo; 2.2 % cobre; 2.5 % hierro; y resta un 9.98 % cuya explotación no fue posible determinar. UBICACIÓN DE LOS FUNDOS MINEROS La localización de los fundos mineros es importante porque: 1) Refleja el destino de las inversiones de empresarios regiomontanos. 2) Confirma la hegemonía de Monterrey como centro de negocios del noreste. 3) Define los principales centros de trabajo minero y da pie para validar, en qué medida su dinámica poblacional es impactada por la lógica del desarrollo minero. Así, del universo de 400 empresas analizadas, 162, el 40.5%, explotan fundos en Nuevo León y 123, equivalentes al 30.75%, en Coahuila, sumando estos 2 estados tenemos un 70.25 %, lo que nos muestra claramente la enorme vinculación entre ambas entidades, misma que amerita que se analice la ubicación de los principales centros mineros de estos estados, como haremos más adelante. Tenemos además, 22 fundos mineros en Zacatecas -5.5 %-; 15 en Chihuahua -3.75 %-; 14 en Tamaulipas -3.5 %-; y 14 en Durango -3.5 %-. Con menor significación, 5 compañías explotan fundos de San Luis Potosí, 2 en Puebla, 2 en Texas, y una más en Querétaro. Cabe señalar que en el caso de 54 empresas, no se encontraron elementos indicadores de la localización de los fundos, en el acta constitutiva. Como hemos venido señalando, se desarrollaron numerosas explotaciones en el norte y centro de Nue- 10 vo León. Sólo hemos considerado 5 centros mineros para estudiarlos más detenidamente: Cerralvo, Lampazos, Villaldama, Santa Catarina y Monterrey, ver gráfica 2 y tabla II. Solamente para efectos de localización de minas y en consideración a su tradición minera, incluimos a Vallecillo. GRÁFICA II UBICACION DE LOS FUNDOS MINEROS NUEVOLEONESES VALLECILLO 3% CERRALVO 13% MONTERREY 27% LAMPAZOS 16% VILLALDAMA 13% SANTA CATARINA 28% CERRALVO LAMPAZOS VILLALDAMA SANTA CATARINA MONTERREY VALLECILLO Tabla II. Explotación de los fundos mineros en Nuevo León (1980 – 1908) CENTROS MINEROS NÚMERO DE FUNDOS PORCENTAJE 1. Cerralvo 15 3.75% 2. Lampazos 19 4.75% 3. Villaldama 5 1.25% 4. Santa Catarina 32 8.0% 5. Monterrey 31 7.75% 6. Vallecillo 4 1% TOTALES 106 26.5% Nota: En Nuevo León había 162 fundos, de los cuales 126 se localizaban en 6 centros mineros principales y el resto en otras localidades. Los puntos porcentuales son respecto al universo de 400 fundos. Fuente: Notarios del A.G.E.N.L. En Coahuila localizamos tres zonas mineras que destacan ampliamente por encima de explotaciones dispersas y aisladas. Si sumamos el total de fundos en ambos estados, observaremos que estos 9 centros mineros concentran una cantidad de 207 puntos de explotación, el Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte I / César Morado Macías Foto 6. Instalaciones de la Mina de Zaragoza, Monterrey. México. 51.75% del universo estudiado. Si elaboramos una simple deducción, habremos de calcular que por lo menos la mitad de las 54 compañías que no especifican la localización de sus minas están en estas zonas, el porcentaje aumenta a 58.50% Si reducimos el universo de referencia a cada uno de los dos estados, veremos que los seis centros mineros de Nuevo León, concentran el 65.43 % de las explotaciones. Para el caso de Coahuila las tres zonas consideradas tienen el 82.11 % de las minas, ver gráfica 3 y tabla III. GRÁFICA III UBICACION DE LOS FUNDOS MINEROS COAHUILENSES SIERRA MOJADA 7% RAMOS ARIZPE 19% MONCLOVA 74% RAMOS ARIZPE MONCLOVA SIERRA MOJADA Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. Tabla III. Explotacion de los fundos mineros en Coahuila. (1890-1908). CENTROS MINEROS NÚMERO DE FUNDOS PORCENTAJE 1. Ramos Arizpe 19 4.75% 2. Monclova 75 18.75% 3. Sierra Mojada 7 1.75% 101 25.25% Totales Nota: Los puntos porcentuales son relativos al universo de 400 fundos. Para el caso de Monclova, incluye su área de influencia: Candela, Frontera y Múzquiz. Fuente: Notarios del A.G.E.N.L. NOTAS 1. Buena parte del ensayo es producto del « Seminario sobre Integración Regional de Minería y Metalurgia en el norte y centro de México, durante el Porfiriato» , convocado por el Colegio de la Frontera Norte, el Colegio de San Luis, y el Archivo General del Gobierno de Nuevo León, que sesionó en San Luis Potosí durante enero de 2002 y en abril del mismo año en Monterrey. Memoria de 11 �Empresas mineras y metalúrgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte I / César Morado Macías Foto 7. Terminal del ferrocarril en las instalaciones mineras de “El Diente”, Monterrey. México. este encuentro en prensa. 2. César Morado “Economía Minera en torno a Monterrey. Tres plantas metalúrgicas”. Ponencia presentada en el Tercer Congreso Internacional de Minería. Escuela de Minas de Colorado, Denver Colorado EUA, 6-10 de junio de 1994. 35p. 3. Para dimensionar mejor la participación accionaria de las familias señaladas, ver la gráfica correspondiente. Para su realización se revisaron las actas constitutivas de 410 empresas registradas en los protocolos de los principales notarios públicos de Monterrey: Tomás Pacheco, Francisco L. Pérez, Anastacio Treviño. BIBLIOGRAFÍA Benavides Hinojosa, Artemio. El general Bernardo Reyes. Vida de un liberal porfirista. Ediciones Castillo. Monterrey, México.1998. Cerutti, Mario. Burguesía y Capitalismo en Monterrey, 1850-1910. México. Claves Latinoamericanas,1983. Covarrubias Mijares, Rosana. et-al. Tierra, fuego, aire, agua. Un estudio sobre el devenir urbanístico y arquitectónico de la Fundidora de Monterrey. 12 Gobierno de Nuevo León. Monterrey, México, 2000 García Valero, José Luis. Nuevo León una historia compartida. Coedición del Instituto Mora y el gobierno de Nuevo León. México, 1989. Gómez Serrano, Jesús. Aguascalientes: Imperio de los Guggenheim. Fondo de Cultura Económica. 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San Pablo # 180, Col. Reynosa, México, D. F. 02200, México. ABSTRACT Ceramic materials with both high superficial area and porosity have been frequently employed in catalytic applications such as: water treatment, gas control emissions and percolation process. The present paper describes the fabrication of a monolithic ceramic by the extrusion technique. Transversal section of the final product is formed by small equilateral triangles; the product itself is also triangular in shape. The form of the monolith allows stacking for building the catalytic reactors. Likewise, its cross section exhibit high specific surface area. The material used for the fabrication of the monolith was alumina, because of its high chemical stability in different mediums, it also allows to obtain high porosity values after sintering by an appropriated heated cycle. Aspects of the fabrication technique, as well as results of the characterization made by textural analysis, density, microscopy and mechanical properties will be analyzed. KEYWORDS Production, alumina, ceramics, extrusion. RESUMEN Los materiales cerámicos con altas áreas superficiales y porosidades son frecuentemente empleados en aplicaciones catalíticas tales como: tratamiento de aguas, control en la emisión de gases y procesos de percolación. El presente artículo describe la fabricación de un monolito cerámico por la técnica de extrusión. La sección transversal del producto final está formada por pequeños triángulos equiláteros, el producto en sí también tiene forma triangular. La forma del monolito permite su apilamiento para la construcción de reactores catalíticos. Igualmente, su sección transversal facilita la obtención de altas superficies específicas. El material usado para la fabricación del monolito fue alúmina, ya que este material es muy estable químicamente en medios acuosos, asímismo Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 13 �Producción de cerámicos triangulares base alúmina... / Enrique Rocha Rangel et al con este material es posible obtener altos valores de porosidad después de la sinterización mediante un ciclo de calentamiento apropiado. Aspectos de la técnica de fabricación, así como resultados de la caracterización hecha por análisis de texturas, densidad, microscopía y propiedades mecánicas serán aquí analizados. Palabras clave Producción, alúmina, cerámicos, extrusión. INTRODUCCIÓN El uso de materiales cerámicos en la construcción de soportes catalíticos es cada vez más común, debido a que se pueden fabricar en una gran diversidad de formas geométricas al mismo tiempo que su porosidad y área superficial específica puede ser controlada. Existen diferentes técnicas para conformar los materiales cerámicos en barras, tubos y perfiles.1-3 Para que después de acuerdo a su forma se puedan apilar para la construcción de reactores catalíticos. La extrusión es una de estas técnicas de conformado, en la cual se hace una masa constituida por una mezcla de diferentes compuestos entre los cuales se tienen: polvos cerámicos, plastificantes, solventes y dispersantes. Esta masa será deformada plásticamente haciéndola pasar a través de un dado cuya sección transversal dará a la masa la forma geométrica final deseada. Después de su extrusión el perfil cerámico es secado y sinterizado de manera controlada para obtener en el mismo las propiedades físicas deseadas. El objetivo de este trabajo es la fabricación por extrusión de perfiles cerámicos monolíticos con sección transversal triangular hechos a base de alúmina. La alúmina es una materia prima de bajo costo y su estudio ha sido tan amplio que en la actualidad puede ser sinterizada controlando sin problemas su porosidad y área superficial específica. DESARROLLO EXPERIMENTAL Fabricación del monolito cerámico La técnica empleada para la obtención del monolito cerámico es la extrusión directa combinada con un proceso de sinterizado. El dispositivo para la extrusión directa fue diseñado y fabricado por los autores y antes ya ha sido bien descrito. 4 14 Esencialmente el dispositivo consiste de un contenedor, émbolo, dado y el soporte del dado, fabricado todo en acero inoxidable 316. El sistema es ensamblado a una máquina de ensayos universales (Instron modelo, 1125, EUA). La pasta cerámica fue preparada usando un 75% peso de alúmina - Al2 O3 (A12 Alcoa, ~ 5mm, EUA), un 18% peso agua destilada y un 7% peso de un plastifícante cuyo nombre comercial es methocel (Tecnomold, S.A., México), este compuesto es un polímero cuya temperatura de descomposición es de 150ºC. Estos constituyentes fueron amasados manualmente hasta obtener una pasta homogénea y consistente. La pasta se coloca en el contenedor y se aplica en la misma una precarga de 200 Kgf para eliminar aire atrapado en la misma. A continuación la pasta es extruida aplicando presiones de 500 Kgf y velocidades de 200 mm/s. De aquí se obtienen los monolitos en verde con forma triangular, estos monolitos entonces son secados al aire durante 72 horas. El siguie nte paso consiste en la sinterización de los monolitos en verde para la cual se ocupa un horno eléctrico de resistencias con capacidad de calentamiento de 1,600ºC (Carbolite, RHF17/3E, EUA). Resultados preliminares 5-9 indican que 1,100ºC es una buena temperatura de trabajo para evitar distorsiones en la geometría del producto. Así los monolitos se sinterizan a 1,100ºC durante (2, 4, 6 y 8 horas). La variación del tiempo de sinterización tiene el propósito de determinar su efecto en la porosidad y área superficial específica del producto final. Caracterización del monolito cerámico La caracterización de los monolitos sinterizados se hace mediante las técnicas siguientes: La densidad y porosidad abierta se determinan a través del método de Arquímedes. El área superficial específica se evalúa por medio de la absorción física de nitrógeno. La morfología de la microestructura se observa por microscopia electrónica de barrido utilizando electrones secundarios. La dureza del monolito se midió con ayuda de un durómetro empleando escala Rockwell F. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Tamaño y forma del monolito Observaciones visuales de las piezas recién extruidas permiten afirmar que el monolito conformado presenta la geometría y tamaño del diseño original. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Producción de cerámicos triangulares base alúmina... / Enrique Rocha Rangel et al Observaciones de las mismas después del secado al aire durante 72 horas muestran en las piezas pequeños defectos superficiales como rugosidades y rebabas. La figura 1 presenta dos vistas del monolito obtenido después de la etapa de sinterización a 1,1000 C durante 4 horas. Como puede observarse después de la sinterización la forma geométrica del monolito se mantiene, igualmente no se aprecian distorsiones en el mismo. Por esta razón es factible el apilamiento de varias piezas de manera tal que se pueden construir reactores de diferentes tamaños y formas mediante el apilamiento de varios monolitos. Cada monolito triangular mide 2.54 cm de lado, la longitud en este caso es de 15 cm. Sin embargo, la misma puede ser modificada durante la extrusión. En su sección transversal el monolito está constituido por 81 triángulos equiláteros de 0.3 cm de lado y con un espesor de pared de 0.05 cm. Esta geometría permite la obtención de un área superficial muy grande, requerimiento importante en la construcción de reactores catalíticos. a Porosidad abierta y textura La figura 2 muestra las gráficas de los valores de porosidad abierta y área superficial específica en función del tiempo de sinterizado a 1,1000 C. El efecto del tiempo en ambas curvas es evidente. Principalmente, después de 4 horas de tratamiento el valor del área superficial específica tiene una marcada disminución. Este efecto también se refleja en la porosidad y en el tamaño de poro de los monolitos sinterizados que se presenta en la tabla I. Se tiene que el tamaño de poro disminuye aproximadamente 4 Å al pasar de 2h a 8h de sinterización. Estas disminuciones con el tiempo de la porosidad abierta, área superficial específica y tamaño de poro son debidas al fenómeno de sinterización que siempre viene acompañado de la formación de cuellos entre partículas adyacentes, coalescencia de las mismas y finalmente crecimiento de ellas. Lógicamente mayores tiempos de sinterización implican que el efecto de éste sea más marcado. Como consecuencia de esto se obtendrán productos más densos, situación que también se puede corroborar al observar la tabla I en donde se presentan los valores de densidad del monolito en función del tiempo. El proceso de sinterizado es muy importante en el procesamiento de los materiales cerámicos ya que a través del mismo se consigue la consolidación de los productos y se obtienen las mejores características físicas y mecánicas en los mismos. Sin embargo, este debe ser controlado eligiendo las temperaturas y los tiempos de tratamiento de tal manera que se alcancen las propiedades deseadas en los productos. Por lo mismo, altas temperaturas o tiempos largos de tratamiento no siempre son lo mejor para la consolidación de los productos. Caso particular el de b Fig. 1. Monolitos cerámicos triangulares fabricados mediante extrusión y sinterización a 1,1000C por 4 horas. (a) vista sección transversal, (b) arreglo de varios monolitos. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. Fig. 2. Gráficas que muestran la variación de la porosidad abierta y área superficial específica del monolito sinterizado a 1,100 0 C en función del tiempo de sinterización. 15 �Producción de cerámicos triangulares base alúmina... / Enrique Rocha Rangel et al Tabla I. Valores de tamaño de poro, densidad y dureza en los monolitos sinterizados a 1,100 0 C como una función del tiempo de sinterizado. Tiempo de sinterización (Horas) Tamaño de poro (A) Densidad (g/cm3) Dureza Rockwell F 2 85 +/- 3 3.06 233 4 85 +/- 2 3.10 235 6 85 +/- 4 3.17 248 8 82 +/- 3 3.20 250 a b este trabajo, en donde se desea fabricar un cerámico con fines catalíticos, para lo cual es necesario que el mismo presente áreas superficiales grandes, propiedad que a su vez depende de la porosidad y tamaño de poro en el material. Por lo que de acuerdo a la figura 2 y tabla I, tiempos de sinterizado mayores a 4h no son recomendables en la obtención del monolito cerámico aquí deseado. Fig. 3. Microestructura de los monolitos cerámicos sinterizados a 1,1000C por 4 horas. Dureza Los resultados de las mediciones de dureza se muestran en la tabla I. Aquí se observa que no hay grandes variaciones en esta propiedad toda vez que los valores son reportados en escala Rockwell F. Sin embargo, si se tiene presente una secuencia ascendente en la medida que el tiempo de sinterizado es mayor. Este comportamiento es lógico ya que una mayor consolidación del producto se obtiene con mayores tiempos de tratamiento (ver tabla I -valores de densidad- y figura 2) lo que implica mayores propiedades mecánicas en el cerámico fabricado. mejor en la foto (b) el tamaño de los poros es muy pequeño en algunos casos y esto hace que el área superficial específica sea grande. El efecto de la sinterización se alcanza a observar por la formación de cuellos entre algunas de las partículas de la figura (b). Es probable también que las partículas más grandes aquí presentes se deban al crecimiento y coalescencia de las mismas durante el sinterizado. Lógicamente los tamaños principales de poros de algunos amstrongs reportados en la tabla I no son posibles de distinguir en estas fotografías. Microestructura La microestructura del monolito triangular sinterizado a 1,1000 C durante 4h se presenta en la Figura 3. Aquí se tienen dos fotografías tomadas a diferentes aumentos en un microscopio electrónico de barrido. En ambas fotos se observa una microestructura muy homogénea constituida por partículas de alúmina con formas alargadas y tamaños que varían entre 1 y 5 µm. No se alcanza a apreciar la presencia de poros muy grandes en la muestra. Sin embargo, sí se tiene una buena distribución de la porosidad misma que se aprecia CONCLUSIONES Dos características importantes que deben reunir los soportes catalíticos son presentar grandes porosidades y áreas superficiales específicas. En este trabajo se describió la fabricación de un monolito cerámico cuya sección transversal está formada por pequeños triángulos equiláteros, y el producto en sí también tiene forma triangular, esta forma geométrica se establece con el propósito de poder apilar diferentes piezas para la construcción de reactores catalíticos en donde se vean magnificadas las dos propiedades físicas que se comentan líneas arriba. Una situación importante durante la sinterización del 16 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Producción de cerámicos triangulares base alúmina... / Enrique Rocha Rangel et al material es controlar las condiciones de tiempo y temperatura de manera tal que la forma geométrica del monolito se mantenga y se alcancen altos valores de porosidad y superficie específica en un material cuya densidad permita buenos valores de propiedades mecánicas. De esta forma para el material aquí fabricado se establecen como las condiciones de sinterizado tiempos de 4 horas a 1,100 ºC de temperatura. REFERENCIAS 1. J.S. Bradley, O. Vollmer, R. Rovai and F. Lefebre, "Microporous Silicon Nitride - Based Solid Bases", Advanced Catlytic Materials - 1998, ed. P.W. Lednor, D.A. Nagki and L.T. Thompson, vol 549, Materials Research Society. 2. K.R. Butcher and G.R. Pickrell, "A New Generation of Ceramic Foams with Small Pore Size", Advanced Catalytic Materials - 1998, ed. P.W. Lednor, D.A. Nagki and L.T. Thompson, vol 549, Materials Research Society. 3. J.W. Halloran, "Role of Powder Agglomerates in Ceramic Processing", Advances in Ceramics, vol. 9, Forming of Ceramic, ed. By J.A. Mangels and Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. G.L. Messing, pp. 67-75, 1983. 4. R. Hernández López, E. Rocha Rangel and M. Rodríguez Cruz, "Production and Characterization of Hexagonal Ceramic Packing", Ceram. Eng. Sci. Proc., 2001, vol. 22, [3], pp.209-214 5. R. Hernández López, E. Rocha Rangel and M. Rodríguez Cruz, "Production of Honey-Comb", Ceram. Eng. Sci. Proc., 2000, vol. 21, [4], pp.415420 6. J.R. Peshek, "Ceramic Components by Injection Molding", Advances in Ceramics, vol. 9, Forming of Ceramic, ed. By J.A. Mangels and G.L. Messing, pp. 220-233, 1983. 7. I.M. Lachman, R.D. Bagley and R.M. Lewis, "Thermal Expansion of Extruded Cordierite Ceramics", Am. Ceram. Soc. Bull., 60, [2], pp. 202-205, 1981. 8. I.M. Lachman and R.N. McNally, "HighTemperature Monolithic Supports for Automobile Exhaust Catalysis", Ceram. Eng. Sci. Proc., 2, [5-6], pp.337-351, 1981. 9. J. Vara, "Woodburning: The Catalytic Combustor Comes of Age", Country Journal, pp. 92-99, 1982. 17 �Ciencia y valores sociales Manuel Rojas Garcidueñas Profesor Emérito del ITESM y miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Hace varios años tuve oportunidad de charlar con un grupo de profesores de secundaria para presentar un libro de texto. Introduje un cuestionamiento: considerando que la gran mayoría de egresados de la secundaria no seguirían estudios profesionales, ¿qué utilidad deben dejar los cursos de ciencia a quienes serán artesanos, choferes, empleados de comercio, etc? Porque si no van a dejarles algo, sería mejor cambiarlos por cursos de comportamiento cívico o social. La impresión que tuve (quizá errónea o no aplicable a todos los egresados de normal superior) es que no habían reflexionado sobre el tópico pues se concretaron a discutir sobre los objetivos de aprendizaje marcados en el libro. Al parecer había confusión entre instruir y educar, pero la diferencia entre ambos, es importante. Artículo publicado en la revista CiENCiAUANL, Vol. VI, No. 1, Enero-Marzo de 2003. 18 NECESIDAD DE VALORES Los valores son conceptos que norman nuestra vida personal y social. Son tan necesarios que, de hecho, siempre existen. El punto es, ¿son congruentes entre sí?, ¿conducen a una sociedad justa?, ¿a una vida de serena satisfacción? No se nace con valores, los niños son profundamente egoístas, injustos y caprichosos, y deben ser educados para actuar en sociedad. Los valores éticos (honestidad, justicia, filantropía, etc.) son fundamentales para el funcionamiento de toda sociedad. Existen valores éticos superiores, conocidos por militares pero no sólo por ellos, que pueden llegar a ser heróicos, si no es una palabra ridícula en estos tiempos, como la lealtad, la disciplina, el autosacrificio. Hay valores estéticos que deben ejercitarse para disfrutar de formas elaboradas del arte. Hay valores religiosos y filosóficos que llevan a la reflexión sobre problemas que el hombre se ha planteado siempre. La muerte, el sentido de la vida, etc. Muchos los contestan conforme una autoridad y un dogma preestablecido, otros quieren pensarlos por sí mismos. Dice Russell 1 que la filosofía oscila entre la ciencia y la teología: como teología especula sobre tópicos en los que no hay conocimiento definitivo pero como ciencia se apoya en la razón y no en la autoridad tradicional o revelada. Un buen ejemplo es la vida después de la muerte, imposible de sujetarse al método experimental y sobre la que existen diversas opiniones religiosas o filosóficas. Existen también, de manera muy importante en nuestra cultura, valores científicos. Se pensará que para poseerlos se necesita dotes de los que algunos carecen, pero esto es cierto para todos los valores pues cada individuo es un complejo de sus genes, su educación y su medio. Todos conocemos personas impermeables a la cultura artística: han acudido a conciertos y pinacotecas sin asimilar las artes; hay personas cuyos egoísmos y deshonestidad prevalecen sobre consejos y castigos familiares y sociales; a muchas personas los problemas Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Ciencia y valores sociales / Manuel Rojas Garcidueñas filosóficos les parecen locuras que no deberían preocupar al “hombre práctico”o cuya respuesta se deja a la tecnología. Sin embargo, la sociedad en general exige la existencia de valores, incluyendo los científicos, y por fortuna la mayoría de los hombres poseemos en mayor o menor grado los dotes personales necesarios para acceder a ellos. VALORES CIENTÍFICOS La enseñanza de la ciencia comprende una instrucción que comunica conocimientos, la cual se contempla en los objetivos de cada tópico o unidad y que, juzgando con optimismo quizá ingenuo, deja conocimientos útiles: por ejemplo, en biología conceptos sobre la enfermedad y la higiene, sobre el organismo humano y su cuidado, sobre ecología y conservación del ambiente. Laa enseñanza debe comprender también una educación científica que comunique una manera de pensar y de explicar el mundo y sus fenómenos. Los valores característicos de la ciencia (Rojas Garcidueñas2 ) son: a) La visión objetiva que hace ver las cosas y fenómenos en su propia realidad y no conforme al gusto o prejuicios del observador. b) El pensamiento lógico que exige explicaciones de las causas de los fenómenos que sean razonables y verificables, excluyendo causas imposibles de comprobar. c) El pensamiento crítico, comparando las construcciones teóricas con los hechos observados. Algunos han querido crear conflicto entre los valores científicos y los religiosos pero crearlos es artificioso: la ciencia se ocupa de estudiar fenómenos verificables sobre todo conforme al método experimental; las explicaciones metafísicas corresponden a la tecnología o a la filosofía. La naturaleza se conduce conforme a leyes y ello es comprobable científicamente; si esas leyes fueron dadas por un Creador y cómo conceptualizamos a dicho Creador es tema de la filosofía o de la tecnología pues no es cognoscible por el método científico. Los valores científicos se propusieron en el siglo XVII con Bacon, Descartes y Galileo, en quienes “hallamos por primera vez la convergencia de la Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. tradición práctica de los artesanos y técnicos con la gran tradición teórica y metodológica (Rossi3 ). Sobre ellos se han desarrollado la ciencia durante quinientos años para crear el mundo moderno. Con gran razón dice Pérez Tamayo4 que el mejor regalo de la ciencia no está en los resultados prácticos ni en los grandes esquemas conceptuales sino en el método científico, que es confrontar sistemática y rigurosamente los modelos teóricos con los fenómenos de la naturaleza. Este es el regalo que la enseñanza de la ciencia niega al dar solamente instrucción y no educación. STATUS DE LA ENSEÑANZA CIENTÍFICA En la vida personal y social los valores de la ciencia se suman a otros, no los sustituyen; por sí mismo el conocimiento no tiene contenido ético, puede usarse para bien o para mal. La ciencia no me dice que está mal robar a un banco; tampoco me dice que una sinfonía de Beethoven tiene mayor calidad estética que un corrido grupero. Creer que la ciencia cubre todo el espectro de valores y querer derivar de ella reglas de moral o principios metafísicos es una transposición cientificista que ha dado origen a doctrinas tan falsas como la eugenesia. Mas no por ello deja de ser cierto que la visión científica contiene valores básicos en la cultura occidental. No es fácil comunicar con éxito una educación científica y sus logros no son los deseables aún en países con alto presupuesto educativo. En un artículo desconsolador, Schermer 5 presenta datos publicados por la National Science Foundation en su Reporte Bienal de abril de 2002. En los Estados Unidos 30% 19 �Ciencia y valores sociales / Manuel Rojas Garcidueñas de la población cree en los ovnis, 60% cree en la parapsicología, 40% cree que la astrología es científica, 32% cree que hay “números de la suerte” y un 70% acepta la teoría magnética (talismanes curativos, imposición de manos por “psíquicos”, etc.). De los graduados en College con 9 o más cursos de ciencias solamente el 53% entienden el método experimental definido como comprobación de hipótesis. De los graduados en High School con 6 a 8 cursos de ciencias solamente el 38% lo entienden; en general en la población de Estados Unidos 70% no entiende el método científico. Schermer6 concluye que: “Aparentemente los estudiantes son incapaces de aplicar criterios científicos a los argumentos pseudocientíficos”; y para remediar esta triste situación propone que “...La clave es enseñar cómo funciona la ciencia y no solamente sus descubrimientos...enseñar ciencia no cómo hechos inconexos sino como un método diseñado para interpretar los fenómenos”. En México, como bien sabemos, la enseñanza media y media superior en ciencias está bastante maltrecha. El consumo masivo de alimentos chatarra, la carencia de higiene y la rapidez con que los sitios de recreo son convertidos en muladares confirman los desastrosos resultados de los exámenes rendidos por los egresados de secundaria y preparatoria y atestiguan que la instrucción en temas biológicos no ha dejado huella perceptible en la vida diaria. El impacto de la ciencia en cuanto educación de valores es prácticamente nulo. El mexicano común, que en muchos casos ha terminado secundaria, vive conforme a conceptos tradicionales, cree en el poder del “mal de ojo” y en las “limpias”; considera que los fenómenos naturales ocurren de modo caprichoso y no conforme a la existencia de leyes naturales y; así considera su propia vida como sujeta a un azar sobre el cual no tiene poder. La ciencia es razón y sigue siendo verdad el juicio de Jacob6 : “El siglo de las luces y el siglo XIX tuvieron la locura de pensar que la razón es suficiente para resolver todos los problemas. En la actualidad sería mayor locura decidir, como quieren algunos, que por no ser la razón suficiente, tampoco es necesaria”. La Academia Mexicana de Ciencias ha pedido que se elaboren programas educativos que “valoren temas científicos como componentes fundamentales 20 de la cultura”, es decir como valores sociales. Así como se presiona a los alumnos a no estudiar simplemente para pasar el examen sino para realmente obtener conocimientos, se debería concientizar al profesor de no ceñirse a explicar los objetivos de aprendizaje sino a comunicar los valores del método científico: objetividad, lógica y crítica en la enseñanza de los cursos de ciencia. REFERENCIAS 1. Russell, B.1969. La perspectiva científica. Ariel. Barcelona. 2. Rojas Garcidueñas, M. 2000. La ciencia y la sociedad mexicana. Ciencia UANL 4: 127-129. 3. Rossi, P. 1967. Los filósofos y las máquinas 14001700. Labor. Barcelona. 4. Pérez Tamayo, R. 1987. Acerca de Minerva. Fondo de Cultura Económica (Col. La Ciencia desde México). México. 5. Schermer, M. 2002. Smart people believe weird things. Scientific American Vol.287; num. 3 (september) p.19. 6. Jacob, F. 1982. El juego de lo posible. Grijalbo. Barcelona. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Obtención y caracterización de carburo y nitruro de silicio a partir de cascarilla de arroz Brenda Treviño Cardona, Idalia Gómez de la Fuente Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. E-mail: idaliagomez@fcq.uanl.mx Ventura Rodríguez Lugo Universidad Autónoma de Puebla. ABSTRACT * * * * * α - Si3N4 β − Si3N4 SiC β -β-SiC * * * * °* * ***** °° ° ° ° ° ° °° This paper presents a methodological study for the synthesis of SiC and Si3N4 from rice hulls of Tamaulipas, Mexico. Two different thermal treatments were applied to rice hull, first at 800°C during 3 hours under argon atmosphere, for the production of rice hull ash; which was then heated at 1,400°C during 8 hours in an inert atmosphere for the formation of SiC and for 6 hours at temperatures of 1,250°C to 1,400°C in a nitrogen atmosphere for the formation of Si3N4. Characterization was performed by X-Ray diffraction and scanning electron microscopy confirming the formation of b-SiC and a -Si3N4 with whisker morphology. KEYWORD Rice hull ash, silicon carbide, silicon nitrade. RESUMEN El presente trabajo muestra los resultados de un estudio metodológico para obtener SiC y Si3N4 a partir de cascarilla de arroz proveniente del sur del estado de Tamaulipas; para lo cual se realizaron dos pirólisis en muestras de cascarilla de arroz, la primera a 800°C durante 3 horas, obteniéndose así cenizas, las cuales fueron procesadas térmicamente para obtener los compuestos de interés. Para la obtención de SiC se realizó una segunda pirólisis a 1,400°C en intervalos de hasta 8 horas en atmósfera de argón y de 6 horas en atmósfera de nitrógeno en rangos de temperatura de 1,250°C a 1,400°C para la formación de Si3N4. Las muestras obtenidas se caracterizaron por difracción de Rayos X y por microscopía electrónica de barrido, confirmando la obtención del b-SiC y a -Si3N4, ambos con morfología de whiskers. PALABRAS CLAVE Ceniza de cascarilla de arroz, carburo de silicio, nitruro de silicio. INTRODUCCIÓN Debido al alto contenido de silicio en la cascarilla de arroz y sus usos potenciales como fuente de carbón activo, así como un alto contenido en fibras, cenizas crudas, además de tener propiedades abrasivas, de gran resistencia a la Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 21 �Obtención y caracterización de carburo y nitruro de silicio... / Brenda Treviño Cardona et al degradación, así como características de material puzolánico entre otros, permiten considerar a este desecho agro industrial como materia prima potencial en la obtención de compuestos cerámicos de diversas propiedades tanto químicas como físicas que pueden ser de utilidad industrial.1-7 Entre éstas se pueden considerar la obtención de carburo de silicio (SiC) y de nitruro de silicio (Si3N4), los cuales se definen como los cerámicos con más futuro para aplicaciones de ingeniería a altas temperaturas debido a sus excelentes propiedades mecánicas que son resultado de enlaces químicos con una elevada naturaleza covalente.8-10 Las reacciones involucradas para la obtención de SiC según June y Cutler11 son las siguientes: SiO2 ® SiO + ½ O2 ½ O2 + C ® CO SiO + C ® Si + CO Si + C ® SiC Obteniéndose la ecuación global: SiO2 + 3C ® SiC + 2 CO Siendo la disociación del SiO2 la reacción más importante para la posterior combinación con el C; para lo cual se utiliza atmósfera inerte para evitar la oxidación, favoreciendo así la formación de SiC.7,11 Para la obtención de Si 3N 4 se somete a la cascarilla de arroz a nitruración carbotérmica, a través de diversos procesos de pirólisis, en los cuales las reacciones más importantes son las siguientes:12 SiO2(s) + C(s) ® SiO(g) + CO(g) SiO2(s) + CO(s) ® SiO(g) + CO2(g) CO2(s) + C(s) ® 2CO(g) 3SiO(g) + 3C(s) + 2N2(g) ® Si3N4(s) + 3CO(g) Aquí podemos ver que la reacción más importante es la disociación del SiO2. DESARROLLO EXPERIMENTAL La cascarilla de arroz utilizada en este trabajo corresponde a una especie híbrida de arroz índico, obtenido especialmente para su producción en la zona Sur del Estado de Tamaulipas y fue caracterizada por diferentes técnicas físicas y químicas tales como Absorción Atómica (AA), Análisis Térmico (DTADTG), Espectrometría de Infrarrojo (FTIR) y 22 Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) con una sonda de microanálisis acoplada (EDS). La cascarilla de arroz se sometió a un proceso de lavado con una solución de HCl:H2O 1:1 molar, posteriormente se lavó con agua destilada hirviendo durante 2 horas, y se secó a 100°C en un horno eléctrico, esto con la finalidad de eliminar algunas impurezas tales como iones alcalinos que se encuentran en baja proporción.13 La cascarilla de arroz fue sometida a dos procesos de pirólisis, el primer tratamiento térmico se realizó para obtener la ceniza de cascarilla de arroz en condiciones de atmósfera inerte de argón durante 3 horas a una temperatura de 800°C.14 La ceniza obtenida fue caracterizada por AA, DRX, FTIR, MEB y EDS. Para la obtención de SiC se realizó una segunda pirólisis a la ceniza previamente obtenida, en atmósfera de argón a 1,400°C, variando el tiempo de residencia de 3 a 8 horas. Para la síntesis de nitruro de silicio se realizó también una segunda pirólisis a otra muestra de ceniza previamente obtenida, a temperaturas desde 1,250°C hasta 1,400°C pero en atmósfera de nitrógeno, variando el tiempo de residencia de 2 a 6 horas. Para eliminar el carbono excedente en ambos tipos de muestras procesadas, éstas se sometieron posteriormente a un tratamiento térmico a 900°C por 6 horas en un horno eléctrico.14,15 Los productos de reacción fueron caracterizados por DRX, FTIR, MEB y EDS. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Cascarilla de Arroz La tabla I muestra los resultados del análisis químico realizado por Absorción Atómica (AA) a la cascarilla de arroz. En ésta se puede observar que el Tabla I. Composición química de la cascarilla de arroz. Componente Valor obtenido (%P) SiO2 42.16 K 2O 0.472 MgO 0.053 CaO 0.127 PPI 57.188 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Obtención y caracterización de carburo y nitruro de silicio... / Brenda Treviño Cardona et al contenido de SiO2 es bastante alto comparado con el resto de los componentes (42.16% en peso). Se realizó el análisis térmico (DTA-DTG) para conocer la estabilidad térmica de la cascarilla de arroz, bajo dos tipos de condiciones: 20°C/min hasta 1,300°C, uno en atmósfera de aire extra seco y otro en atmósfera de argón, esto con la finalidad de obtener la razón de C/SiO2. En estos análisis se observaron tres eventos térmicos importantes: el primero ocurre aproximadamente a 80°C caracterizado por una pérdida en peso de 7.25% el cual corresponde a pérdida de humedad de la muestra; un segundo evento térmico se presenta a 323°C en el que existe una pérdida del 39% en peso debido a la degradación de los componentes orgánicos, principalmente celulosa, hemicelulosa y lignina; la tercera etapa representa una pérdida en peso del 29%, debida a la oxidación de residuos de carbón ocurrida aproximadamente a 454°C. Quedando al final del tratamiento térmico en aire extra seco un residuo (cenizas) de 24.66% en peso, el cual representa el contenido de sílice e impurezas inorgánicas en la cascarilla de arroz. En el análisis térmico en atmósfera de argón quedó un residuo de 34.3% en peso, correspondiente al contenido de sílice, carbón e impurezas de la cascarilla de arroz, determinándose de estos dos análisis que la cantidad de carbono contenido en la cascarilla de arroz es de 9.68% en peso, lo cual da una relación C/SiO2 = 2.61. La figura 1 muestra un espectro FTIR para la cascarilla de arroz, donde se puede observar la presencia de bandas de absorción características de los grupos funcionales de compuestos orgánicos. La banda de 3,515 cm-1 corresponde a OH que originan 0 2 4 6 8 10 1 54 3347 -OH % Transmitancia 52 3515 -OH 50 528 2930 -CH 2365 C=O 8 657 Si-O 6 787 Si-O 1310 C=O 48 4 1712 C=O 1649 C=C 46 2 44 1082 Si-O 4000 3000 2000 1000 -1 nœmero de onda (cm ) Fig. 1. Espectro FTIR de cascarilla de arroz. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 0 nitroxilos; en tanto la banda a 3,347 cm -1 es consecuencia de la presencia de agua, así mismo la aparición de bandas a 2,930 cm-1, 1,712 cm-1, 1,649 cm-1 y 1,310 cm-1 corresponden a enlaces C=O, C=C y C–H característicos de materiales orgánicos tales como la celulosa, hemicelulosa y lignina, por otra parte el modo de vibración a 2,365 cm-1 es característico del CO2 en el ambiente, así como también se observa la presencia de las bandas del enlace Si–O en 1082 cm-1, 787 cm-1 y 657 cm-1.16,17 En la figura 2 se muestra una micrografía en electrones retrodispersados de la parte externa de la cascarilla de arroz, donde se puede apreciar que está constituida por estructuras rectangulares de 60 mm perfectamente alineadas, con los contornos ondulados y esponjosos. Fig. 2 Micrografía de electrones retrodispersados de cascarilla de arroz. Cenizas de cascarilla de arroz Una vez caracterizada la cascarilla de arroz limpia y seca, se le dieron tratamientos térmicos (primera pirólisis) en atmósfera de argón a 800°C por 3 horas. En la figura 3 se muestra el espectro de absorción infrarroja de las cenizas de cascarilla de arroz, donde se observa la desaparición de las bandas de absorción de los compuestos orgánicos, quedando solamente las bandas de absorción características del enlace Si–O que se identifican a 1100 cm-1, 792 cm-1, y 465 cm-1.17 Esto concuerda con lo encontrado en el análisis térmico realizado a la cascarilla, pues a 800°C sólo se tiene la presencia de SiO2, C e impurezas. 23 �Obtención y caracterización de carburo y nitruro de silicio... / Brenda Treviño Cardona et al 0 2 4 6 8 10 10 70 60 8 50 6 counts 40 30 4 20 2 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2θ Fig. 3 Espectro de Difracción de Rayos X de las cenizas de cascarilla de arroz. La figura 4 presenta el análisis por difracción de rayos X realizado a la ceniza de cascarilla de arroz en el cual se identificó que la muestra, después de la primera pirólisis, tiene una estructura amorfa, debido a la observación de un cúmulo de intensidades (sin llegar a la cristalización), aproximadamente en 2q = 22° el cual corresponde a una reflexión característica de la sílice vítrea.18 Esta falta de cristalinidad conlleva a tener un sólido con una energía de activación más baja,19 lo que puede resultar en un mejoramiento de las condiciones de reacción tanto cinéticas como termodinámicas para la producción de los materiales de interés: SiC y Si3N4.8-10,19 0 2 4 6 8 10 20 15 8 792 Si-O 6 de arroz, después de haber sido sometida a la primera pirólisis, donde se pueden apreciar gran cantidad de conductos en forma de fibras con un diámetro de 1.5mm y longitudes de 92mm conformando una red de entrecruzados en forma de cuadros, sobre los cuales se observan estructuras en forma de aglomerados del orden de 30mm. Carburo de Silicio Para la obtención de SiC, se realizó una segunda pirólisis a las cenizas de cascarilla de arroz a 1,400°C en atmósfera de argón, variando los tiempos de reacción de 3 a 8 horas, en la figura 6 se presenta un espectro de FTIR de las cenizas tratadas a 1,400°C durante 8 horas, en éste se puede observar la presencia de las bandas de absorción características del Si-O; así como la presencia de una banda a 810 cm1, característica del SiC.20 5 85 4 80 75 Si-O 1100 0 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 403 -5 70 65 60 454 465 2 Si-O % Transmitancia 0 681 593 575 % Transmitancia 10 Fig. 5 Micrografía de la parte interna de la cascarilla de arroz después de ser sometida a la primera pirólisis. 55 -1 Fig. 4 Espectro infrarrojo de las cenizas de cascarilla de arroz. 492 50 1105 1040 928 881 852 nœmero de onda (cm ) 45 40 2500 2000 1500 1000 500 -1 nœmero de onda (cm ) En la figura 5 se presenta una micrografía en el modo de electrones retrodispersados de las cenizas en la que se observa la parte interna de la cascarilla 24 Fig. 6 Espectro infrarrojo de las cenizas tratadas a 1400°C en argón por 6 horas. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Obtención y caracterización de carburo y nitruro de silicio... / Brenda Treviño Cardona et al En la figura 7 se presenta la evolución de la reacción por difracción de rayos X en la segunda pirólisis, de 3 a 8 horas en atmósfera de argón a un flujo de 100 mL/min a 1,400°C, en donde se observa que la fase de SiC–3C, la cual corresponde a la fase b del arreglo cristalino cúbico, aparece desde las tres horas de tratamiento térmico, además no se observa la presencia de algún polimorfo de SiO2 que haya quedado sin reaccionar, por lo que se puede inferir que la reacción tiene un rendimiento superior al 90%. 350 300 Nitruro de Silicio Para la obtención de Si3N4 se realizó una segunda pirólisis a las cenizas de cascarilla de arroz a 1,400°C en atmósfera de nitrógeno, variando los tiempos de reacción de 3 a 8 horas. La figura 9 presenta un espectro FTIR de una muestra para la obtención de Si3N4, donde se puede observar que las bandas de absorción que resultan de enlaces Si–N, se encuentran entre 850 a 1,000 cm-1, las frecuencias de estiramiento asimétrico característico se encuentran en la región que va desde 900 a 1,000 cm-1, y las frecuencias de estiramiento simétrico para el mismo grupo es de 400 a 600 cm-1.21 250 80 8 H rs. 150 3 H rs. 0 SiC 403 70 65 60 454 5 H rs. 50 681 593 575 75 100 % Transmitancia counts 85 200 55 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2θ 50 Fig. 7 Evolución de los difractogramas de las cenizas de cascarilla de arroz tratadas en atmósfera de argón a 1,400°C. Element Wt % At % CK 23.97 38.43 OK 19.07 22.95 SiK 55.44 38.01 CaK 0.62 0.3 FeK 0.89 0.31 Total 100 100 45 40 2500 2000 500 Fig. 9 Espectro infrarrojo de las cenizas tratadas a 1,400°C en nitrógeno por 6 horas. La figura 10 muestra el análisis por difracción de rayos X de una muestra obtenida después de 6 horas de tratamiento térmico, en éste se pudo identificar la presencia de 3 fases: a - Si3N4, b- Si3N4 y b - SiC, pero esta última no se esperaba encontrar en este 1000 * * * * 800 * α - Si3N4 β − Si3N4 β -β-SiC SiC 600 * 400 * * * °* ° * ***** ° ° ° ° ° ° °° 0 0 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 1000 -1 200 Fig. 8 Micrografía de electrones secundarios de whiskers de SiC con tabla del microanálisis de EDS. 1500 nœmero de onda (cm ) counts La figura 8 presenta la micrografía de una muestra de ceniza de cascarilla de arroz, tratada a 1,400°C por 8 horas, en donde se observa el crecimiento de fibras con un diámetro de 0.16mm y de largo 3.52mm, sobre una matriz en forma de conglomerados, formados por partículas menores de 0.5mm de diámetro, estas fibras son de SiC de acuerdo al microanálisis por EDS, la morfología que presentan permiten identificarlas como whiskers, debido a la relación longitud - diámetro que presentan, la cual es de 22 en este caso. 492 10 1105 1040 928 881 852 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2θ Fig. 10 Espectro de Difracción de Rayos X de las cenizas tratadas a 1,400°C en nitrógeno por 6 horas. 25 �Obtención y caracterización de carburo y nitruro de silicio... / Brenda Treviño Cardona et al proceso, debido a que el experimento se diseñó para la completa formación de nitruro de silicio, sin embargo, la literatura reporta que cuando la relación molar C/SiO2 es inferior a 3, se forma SiC incluso por debajo de los 1,450°C22,23 y de acuerdo al análisis térmico realizado en la cascarilla, mencionado anteriormente, la relación C/SiO2 es de 2.61, por lo que se puede explicar la formación de la fase b SiC. Debido a que también se encontraron estas tres fases, en el experimento donde las cenizas fueron tratadas a 1,400°C a un tiempo de 2 horas, se realizaron experimentos a diferentes temperaturas, con la finalidad de determinar las condiciones a las cuales se obtiene fundamentalmente la fase a Si3N4, y establecer la frontera termodinámica y cinética de transformación de fases entre SiC y Si3N4. La figura 11 muestra en forma comparativa los patrones de difracción de Rayos X de los experimentos realizados a diferentes temperaturas en tiempos de 6 horas, en éstos se puede observar que a 1,250°C y 1,300°C aparecen solamente las difracciones de las fases de a-Si3N4 y SiO2, mientras que a 1,350°C y 1,400°C aparecen además las de SiC. Fig. 12 Micrografía de la ceniza pirolizada a 1,250°C por 6 horas. en atmósfera de nitrógeno. En la figura 13 se presenta la micrografía de una muestra tratada a 1,400°C por 6 horas en atmósfera de nitrógeno en donde se pueden apreciar granos con morfologías de whiskers de 2.3mm de longitud y 0.16mm de diámetro, pero en este caso aparecen aglomerados en una matriz constituida principalmente por Si, C, N y O, además de Fe y Ca, de acuerdo al microanálisis realizado a la misma. 800 600 counts 400 1400 C 1350 C 200 1300 C 1250 C 0 α - Si3N4 0 20 40 60 80 100 2θ Fig. 11 Evolución de los difractogramas de las cenizas de cascarilla de arroz tratadas en atmósfera de N2 por 6 horas. La figura 12 muestra una micrografía en el modo de electrones retrodispersados de la ceniza de cascarilla de arroz pirolizada en atmósfera de nitrógeno por 6 horas a 1,250°C, la cual contiene a Si3N4 y SiO2 residual. El grano con morfología de barra que aparece en el centro de 26mm de longitud y 4mm de diámetro, está constituido de acuerdo al microanálisis por EDS, mayormente por Si, N y O, además de contener trazas de Fe y Ca; los aglomerados que aparecen alrededor son de SiO2 que quedó sin reaccionar. 26 Fig. 13 Micrografía de electrones secundarios de whiskers y aglomerados de Si3N4. CONCLUSIONES El análisis y la discusión de los resultados encontrados permiten concluir que la cascarilla de arroz utilizada en este trabajo puede utilizarse como materia prima para la obtención de SiC y Si3N4. Siendo las condiciones mínimas para la síntesis de SiC de una temperatura de 1,400°C y un tiempo de exposición de 3 horas en atmósfera de argón, obteniéndose una morfología de grano de whiskers con una relación longitud –diámetro de 22. Al utilizar atmósfera de Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Obtención y caracterización de carburo y nitruro de silicio... / Brenda Treviño Cardona et al nitrógeno a 1,400°C por 6 horas se determinó la presencia de a-Si 3 N 4 , b-Si 3 N 4 y b-SiC. Encontrándose que despues de 6 horas a 1,250°C se obtenía la frontera termodinámica y cinética de formación entre el Si3N4 y SiC, siendo las morfologías de los granos de Si3N4 obtenido de whiskers y barras. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo para el desarrollo de este trabajo a los Laboratorios del Posgrado en Ingeniería Cerámica de la UANL, a los Proyectos PAYCT 387-00 y 540-01, a los Proyectos de la Red Nacional de Cerámica INFOTEC – CONACYT 6003-1 y 600-2-1, al Proyecto RI-600-2-2, así como a la Q. Leticia Carapio y al Ing. Omar Garza por su colaboración en la operación del MEB. Tanto en la Gerencia de Materiales del ININ como en los Laboratorios del PDIM en la FIME. BIBLIOGRAFÍA 1. F. Rodríguez Reinoso y F.J. Narciso Romero, Sintesis de SiC y Si3N4 a partir de cascarilla de arroz, Anales de Química, 1991, Vol. 87. 2. Weimer, A.W., Cassiday, J.R., Susnitzky, D.W., Black, C.K. & Beaman, D.R., Carbothermal nitridation synthesis of a-Si3N4 powder from pyrolysed rice hulls, Journal of Materials Science, Vol. 31, (1996). 3. Jose James and M. Subba Rao, Reaction product of lime and silica from rice husk ash, Cement and Concrete Research, 1986, Vol. 16, pp. 67-73. 4. Yolanda Pliego, Vicente Lemus, Pedro Cabrera, Aprovechamiento de la cascarilla de arroz para la obtención de cemento, Revista IMCYC, 1987, Vol. 25, No. 199, pp. 13-16. 5. V. I. E. Ajiwe, C. A. Okeke, F. C. Akigwe, “A preliminary study of manufacture of cement from rice husk ash”, Bioresource Technology, 73, 2000, 37-39. 6. Treviño Cardona B., Síntesis de SiC y Si3N4 a partir de la cascarilla de arroz, Tesis de Maestría, CIDEMAC, FCQ, UANL, (2002). 7. Treviño Cardona B., Gómez I., Obtención de fases del cemento utilizando desechos agrícolas e industriales, CIENCIA, UANL; Vol. V, No. 2, pp. 59-65, Abril-Junio (2002). Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 8. Engineered Materials Handbook, Vol. 4, Ceramics and Glasses, ASM International 1991. 9. Ceramic Microstructures, William E. Lee and W. Mark Rainforth, Chapman & Hall, 1994. 10. Yet Ming Chiang, Dunbar Birnie III, W. David Kingery, Physical Ceramics, John Wiley & Sons 1997. 11. Formation of Silicon Carbide from Rice Hulls, June-Gunn Lee and Ivan B. Cutler, Am. Ceram Soc., 1975. 12. Kumari Mishra, P., Bihari Nayak, B. & Mohanty, B., Synthesis of Silicon Carbide from Rice Husk in a Packed Bed Reactor, Journal American Ceramic Society, Vol. 78, (1995). 13. F.J. Narciso-Romero, F. Rodríguez-Reinoso, Synthesis of SiC from rice husks catalysed by iron, cobalt or nickel, Journal of Materials Science, 1996, 779-84. 14. 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Shi-Chang, Z. & Cannon, W.R., Journal American Ceramics Society, pp. 67, 691, 1984). 23. Vlasova, M., Journal of Materials Science, Vol. 30, pp. 5263 – 5271, (1995). 27 �La función de la ASME en la sociedad moderna Susan H. Skemp Presidenta 2002-2003 de ASME International. E-mail: skemps@asme.org ABSTRACT As the American Society of Mechanical Engineers nears its 125th anniversary, the Society’s 2002-2003 president reflects on the core programs that define ASME’s integral role in the engineering community and the world. These include public safety, education and training, lifelong learning, and professional ethics. KEYWORDS ASME, international, mechanical engineering, society, functions. RESUMEN Cuando la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) se acerca a su 125 aniversario, la presidenta de la Sociedad para el periodo 2002-2003, reflexiona sobre los programas que definen el papel del ASME en la comunidad ingenieril y en el mundo. Estos incluyen seguridad pública, educación y entrenamiento, educación continua y ética profesional. PALABRAS CLAVE ASME, internacional, ingeniería mecánica, sociedad, funciones. INTRODUCCIÓN La Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (American Society of Mechanical Engineers, ASME) fue establecida en 1880 con el fin de ofrecer un punto de confluencia para la discusión entre los ingenieros sobre los aspectos clave y las preocupaciones que se derivaban de la creciente industrialización y mecanización en dicha época, particularmente en las áreas de la seguridad de las máquinas y su confiabilidad. Desde su fundación, líderes industriales, educadores e ingenieros de campo se han involucrado en las actividades de ASME, incluyendo a Alexander Holley, Robert H. Thurston, George Westinghouse, Willis H. Carrier y Thomas Edison entre muchas otras personalidades. La ASME actualmente ha establecido alrededor de 600 normas industriales y apoya un gran número de programas relacionados con educación, investigación, desarrollo tecnológico y realización profesional. La ASME desempeña un papel significativo en la sociedad global la cual busca utilizar la tecnología para mejorar sus condiciones de vida, garantizar la seguridad y crear oportunidades enriquecedoras y benéficas para todas las per- 28 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �La función de la ASME en la sociedad moderna / Susan H. Skemp sonas. Dos de los principales objetivos de la Sociedad son el contribuir al bienestar de la raza humana y hacer que la tecnología esté realmente al servicio de todas las personas. Desde hace 123 años la ASME ha llevado a cabo programas para alcanzar estos objetivos. NORMAS El proceso de desarrollo de códigos y normas de ASME beneficia a la sociedad de dos modos importantes. Las normas aseguran un criterio uniforme y generalmente aceptado para diseñar, fabricar y probar una amplia selección de herramientas y sistemas mecánicos, procurando la intercambiabilidad de las piezas, lo que constituye la base misma de la producción en masa de las mercancías utilizadas en todo el mundo. Las normas no sólo proporcionan pautas técnicas comunes y universales que resultan esenciales, sino que reflejan el acuerdo general de las muchas partes interesadas respecto de procesos de ingeniería más efectivos para diseñar y probar equipos mecánicos. De esta manera, los productos que ingresan al mercado son de primera calidad, confiables y seguros. ASME se enorgullece de su rol en la seguridad pública. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. GUÍA DE NUEVAS GENERACIONES Otra manera en la que ASME desempeña un papel en la sociedad es al brindar su ayuda a los estudiantes que son los ingenieros potenciales del mañana. De acuerdo con los expertos, muchas economías mundiales enfrentarán una escasez de ingenieros, científicos y técnicos en ingeniería. Las comunidades académicas y comerciales están cada vez más preocupadas porque, en los próximos 20 años, no habrá suficiente personal capacitado para satisfacer los requisitos de una nueva era tecnológica. La industria mundial, lista para introducir la próxima generación de tecnología, teme que pueda carecer de los recursos necesarios para el desarrollo, fabricación y prueba de los productos... un panorama que dejaría muchos descubrimientos científicos útiles sin aprovechar. ASME se compromete a guiar a los jóvenes hacia las carreras de ingeniería y ciencias, así como a mantener a los estudiantes universitarios en el camino de la tecnología a pesar de los rigores de la educación técnica y el atractivo de otras profesiones. La Sociedad mantiene 441 secciones estudiantiles en todo el mundo. Estas secciones conectan a los estudiantes de ingeniería con una amplia gama de recursos y oportunidades, entre los que se incluyen tutoría y asesoramiento sobre la profesión vía Internet. Un comité para jóvenes profesionales (Early Career Committee) recién formado tiene como meta aumentar la contratación y retención de estudiantes y jóvenes ingenieros en ASME. La Sociedad se centra cada vez más en los estudiantes. Al llegar a estudiantes de todas las edades, ASME está trabajando para que haya cada vez más ingenieros graduados, Competencia Estudiantil de Diseño durante el congreso del ASME del 2002 en New Orleans. 29 �La función de la ASME en la sociedad moderna / Susan H. Skemp que ingresen a carreras profesionales satisfactorias y contribuyan al desarrollo de la tecnología. INGENIEROS ACTUALIZADOS La mayoría de los programas de la ASME y de otras sociedades similares apuntan a proporcionar nuevos conocimientos y nuevas herramientas que les permitan a los ingenieros crecer profesionalmente y convertirse en verdaderos activos para los lugares donde trabajan. Esto no quiere decir que los programas de ASME orientados a los miembros no desempeñan un papel importante para mejorar la sociedad en la que vivimos. Un ingeniero que aprende un nuevo concepto o metodología en una publicación, curso de educación continua, conferencia técnica, seminario o taller de ASME se encuentra en condiciones de diseñar una nueva tecnología o pulir una ya existente, que pueda brindar mayor seguridad, confiabilidad, confort y oportunidad al público en general. Un colega mío de ASME, que se desempeñaba como investigador en una compañía de motores de aeronaves, dijo que una serie de artículos científicos sobre plasticidad publicados en la revista de mecánica aplicada de ASME, Journal of Applied Mechanics, contribuyó al inicio de ciertas mejoras en el diseño de las estructuras de los sistemas de transporte supersónicos que en ese momento desarrollaban su empresa y la Administración Nacional Espacial y Aeronáutica. SOCIEDAD GLOBAL Al reconocer la creciente globalización de las economías, en años recientes la ASME ha trabajado para apoyar los intereses transnacionales de los ingenieros y sus empleadores. ASME organiza conferencias y talleres técnicos alrededor del mundo y mantiene acuerdos de cooperación en 60 países, incluyendo España y otros países de habla hispana. ASME posee 17 secciones y 6,000 miembros fuera de América del Norte, además de 30 corresponsales activos en más de 50 países. En 1994, la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos se transformó en ASME International. No obstante, la globalización de nuestra organización está reflejada en más que un mero cambio de nombre. COMENTARIOS FINALES ASME promueve un comportamiento profesional ético y sólido, y menciona estos criterios al otorgar todos los años premios de reconocimiento a los logros. En mi opinión, éste es un importante servicio a la sociedad. No puede negarse el valor que tiene para la sociedad un ingeniero que no sólo es hábil para diseñar sistemas, sino que también está motivado por una ética firme y un sólido sentido de ciudadanía. A nombre de ASME Internacional invito a los ingenieros mecánicos en formación y a quienes ya ejercen esta profesión a que visiten la página web de ASME: www.asme.org, donde podrán conocer las múltiples facetas de esta organización. 30 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Diseño de una máquina de fatiga para el estudio de alambres con memoria de forma base Ti-Ni Enrique López Cuéllar FIME, Universidad Autónoma de Nuevo León, A.P. 076 Suc. “F”, Cd. Universitaria C.P. 66450, San Nicolás de los Garza, N.L., México. e-mail: enlopez_73@yahoo.com 0 20 40 60 80 100 120 Temperatura (°C) 28 (d) 24 20 Pendiente 16 12 8 4 0 -4 -1 0 1 2 3 ε (%) 4 5 6 Carlos J. de Araújo Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Paraíba, Caixa Postal: 10069, Cep: 58109-970, Campina Grande, PB, Brasil. e-mail: carlos@dem.ufpb.br Gerard Guénin, Michel Morin GEMPPM-Bât.502, UMR CNRS 5510, INSA de Lyon, Bât. Blaise Pascal, 7 av. Jean Capelle, F-69621 Villeurbanne, France. e-mail: gerard.guenin@insa-lyon.fr , Michel.Morin@insa-lyon.fr ABSTRACT Shape memory alloys can be used in the field of activators due to their properties. When shape memory wires are submitted to thermal changes under constant load, the austenite to martensite or martensite to austenite transformations lead to strain (ε) and electrical resistivity (∆ρ ) changes. The linear relationship and the hysteresis of ∆ρ−ε coupled measurements are two very important parameters because they are related with the precision of the control of position, for example in robotic devices. To follow the behavior of ∆ρ−ε coupled measurements, both parameters have to be measured at the same time during thermomechanical cycles. In this work is described a fatigue machine developed by the authors to study this behavior for Ti-Ni wires. The results of ∆ρ−ε coupled measurements for two different alloys, Ti-Ni and Ti-Ni-Cu5%, are presented and discussed. KEYWORDS Fatigue machine, shape memory effect, Ti-Ni, Ti-Ni-Cu5%, activators. RESUMEN Las aleaciones con memoria de forma pueden emplearse como activadores debido a sus propiedades. Cuando un alambre con memoria de forma es sometido a ciclos térmicos bajo carga constante, las transformaciones austenita → martensita o martensita → austenita provocan un cambio en la deformación (ε) y en la resistividad eléctrica (∆ρ ). En el campo de los activadores de aleaciones con memoria de forma, la relación lineal y la histéresis de las curvas ∆ρ−ε , son dos parámetros Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 31 �Diseño de máquina de fatiga para el estudio de alambres... / Enrique López Cuéllar et al muy importantes que determinan la precisión del control de la posición del activador, por ejemplo en dispositivos de robótica. Para analizar el comportamiento de las curvas ∆ρ−ε, ambos parámetros tienen que ser medidos al mismo tiempo durante los ciclos termomecánicos. En este trabajo se describe una máquina de fatiga desarrollada por los autores para el estudio de este comportamiento en alambres base Ti-Ni. Los resultados de las curvas ∆ρ−ε para dos aleaciones distintas, Ti-Ni y Ti-Ni-Cu5%, son presentados y discutidos. PALABRAS CLAVE Máquina de fatiga, efecto memoria de forma, Ti-Ni, Ti-Ni-Cu5%, activadores. INTRODUCCIÓN Las aleaciones con memoria de forma (AMF) poseen propiedades completamente distintas a las de las aleaciones metálicas comunes como: el efecto memoria de forma, el efecto superelástico, el efecto cauchótico y una capacidad elevada de amortiguamiento. 1-2 El efecto memoria de forma permite contemplar a las AMF como posibles activadores dentro del campo de la robótica. Cuando un alambre con memoria de forma es sometido bajo ciclos térmicos a esfuerzos constantes, se producen cambios en la deformación y la resistividad eléctrica de la muestra debido a la transformación austenita → martensita. En algunos casos, bajo ciertas condiciones y composiciones de las muestras, se pueden presentar una correlación lineal y una histéresis despreciable en las curvas de la correlación entre la deformación (ε) y los cambios relativos de resistividad (∆ρ/ρ) de la muestra. Si ambas condiciones se dan, el material puede ser contemplado como un fuerte candidato para ser empleado como un activador debido a que el control de la posición depende directamente de ambos parámetros. Lo citado con anterioridad puede resumirse de la siguiente manera, “mientras mayor linealidad y menor histéresis existan en las curvas de ε−∆ρ/ρ , mejor es la calidad del control de la posición”.3 Además, otro parámetro importante a considerar, es la estabilidad en las propiedades mecánicas, térmicas y eléctrica durante el ciclo de trabajo termomecánico que realiza el activador. 32 Para estudiar el comportamiento de la correlación entre las medidas de ε−∆ρ/ρ de las aleaciones con memoria de forma, es necesario medir ambas propiedades simultáneamente con una cierta precisión cuando las muestras son sometidas a los ciclos térmicos de trabajo. Con esta finalidad una máquina de fatiga fue diseñada por los autores. En este trabajo se describe el funcionamiento y componentes de dicha máquina, así como el grado de error en las mediciones y los resultados que pueden ser obtenidos. Además se analizan y discuten los resultados de las curvas ε−∆ρ/ρ para una aleación binaria Ti-Ni y una aleación Ti-Ni-Cu5%. DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA DE FATIGA La máquina de fatiga que se describe, fue diseñada con la finalidad de caracterizar el comportamiento mecánico y eléctrico hasta la ruptura de alambres con memoria de forma durante ciclos de efecto de memoria doble sentido asistido 4-5 (EMDSA). El principio de funcionamiento es simple, una carga constante se aplica sobre la muestra y durante los ciclos térmicos de transformación es posible medir la deformación (ε) y las variaciones de la resistencia eléctrica (∆ρ/ρ) de la muestra en función de la temperatura y del número de ciclos. Descripción general de la máquina En la figura 1 se muestra un esquema de la máquina de fatiga. La muestra (12) se encuentra fija entre dos pinzas de joyero empleadas como mordazas. Una de las mordazas (10) que se encuentra insertada al eje de tensión (9) es móvil, la otra es fija (11) y está unida a la columna o soporte principal de la máquina (5). La carga se aplica mediante pesas (3) que van unidas a los ejes de tensión (9) mediante un hilo de Nylon (2) y guiadas por un sistema de poleas (1). Este sistema se puede desplazar verticalmente en el vástago (4). El soporte principal (5) y el eje de tensión (9), fueron maquinados en INVAR para minimizar los problemas de dilatación térmica durante los ciclos lentos. Las variaciones de longitud de las muestras son adquiridas con un captor de desplazamiento magnético (8) de tipo LVDT con una precisión de ± 1 µm. El valor de la posición (l) del captor de desplazamiento es restado al valor de Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Diseño de máquina de fatiga para el estudio de alambres... / Enrique López Cuéllar et al Fig. 1. Esquema de la máquina de fatiga. 1 Sistema de poleas, 2. Hilo de Nylon, 3. Pesas, 4. Vástago, 5. Soporte principal, 6. Contacto móvil, 7. Fuente de CA, 8. Captor LVDT, 9. Eje de tensión, 10. Mordaza móvil, 11. Mordaza fija, 12. Alambre, 13. Baño Rhodorsil 47V50, 14. Cryotermostato HAAKE, 15. Termopar, 16. Computadora, 17. Contacto fijo, 18. Fuente de CD. Descripción a detalle sobre la obtención de la variación de resistividad En la figura 2 se muestra un esquema más a detalle de la máquina de fatiga. Durante los ciclos lentos, la fuente de corriente directa es puesta en operación mediante el contacto fijo, lo que provoca el paso de una corriente continua (i) muy pequeña a través del alambre (<0.1 A). La caída de tensión (U) que genera la resistencia eléctrica del alambre es tomada de las mordazas. “U” es medida y amplificada por un 181 Nanovoltmeter Keithley y es enviada a un sistema de adquisición de datos. Mediante la computadora se controla el cryotermostato y se mide al mismo tiempo la temperatura del baño (T), la señal del captor LVDT que corresponde al cambio en la longitud del alambre (d) y la señal amplificada de “U”. la posición al inicio (li) de la prueba y comparado con la longitud inicial de la muestra (l0) y de esta manera se obtiene la deformación ε de la muestra, ecuación 1. ε= l − li ×100 l0 (1) Los ciclos de temperatura son realizados ya sea por convección forzada en un medio líquido (ciclos lentos) o bien por efecto Joule en el mismo ambiente mantenido el baño a una temperatura constante e inferior a la temperatura Mf (ciclos rápidos). Para los ciclos lentos se utiliza un baño de aceite de silicón Rhodorsil 47V50 (13) controlado por un cryotermostato HAAKE (14). El calentamiento por efecto Joule se realiza mediante un transformador de bajo voltaje y alta corriente (15 A max) (7) con un contacto móvil (6) que permite minimizar la fricción. Además, una fuente de corriente directa (18) se emplea para medir los cambios de resistencia eléctrica y se encuentra unida a la máquina por contactos fijos ligeros (17). La máquina se controla desde una computadora (16). El sistema de adquisición de datos esta formado por una interfase AD/DA, Eurosmart PC-MES2, 12 bits. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. Fig. 2. Detalle de la máquina de fatiga. El cálculo de la deformación (ε) y del cambio de la resistencia eléctrica (∆R/R) se realizan en comparación a los valores del alambre obtenidos en el estado austenítico a la temperatura máxima del primer ciclo. La siguiente relación se utiliza en el programa para determinar ∆R/R0 . Además es posible hacer la medición en función del tiempo (t). 33 �Diseño de máquina de fatiga para el estudio de alambres... / Enrique López Cuéllar et al U (T ) − U amp (Tmax ) ∆R (T ) = amp × 100 R0 U amp (Tmax ) (2) Durante el ciclo térmico bajo esfuerzo, las muestras cambian su forma por lo que la caída de voltaje no solo depende de la variación de la resistividad eléctrica sino también del cambio en la geometría, y éste tiene que contemplarse para el cálculo del cambio de resistividad eléctrica. Para esto se considerará que el cambio en la geometría se da sin cambio de volumen, o sea que se considera que el aumento de la longitud del alambre (ε ) va acompañado por una reducción del diámetro de tal forma que el cambio de volumen es cero (∆V=0), y que la dilatación térmica es despreciable .6 De esta manera, la resistividad eléctrica se puede obtener a partir de la ecuación 3. ∆ρ ∆R (T ) = (T ) − 2 × ε(T ) ρ0 R (3) Modos de calentamiento La máquina de fatiga está diseñada para trabajar en dos modos de calentamiento distintos, por convección o ciclos lentos y por efecto Joule o ciclos rápidos: • Ciclos por convección (lentos). La muestra se encuentra inmersa en un baño de aceite de silicón con termostato. La temperatura del baño se programa en función de los rangos de temperatura del ciclo térmico a realizar, en este caso entre los 10 a 150° C. La ventaja de este método es que permite medir de manera continua durante el ciclo térmico, la temperatura, la deformación y el cambio de voltaje en los extremos de la muestra. El inconveniente es que su duración es de aproximadamente una hora. • Ciclos por efecto Joule (rápidos). La muestra sigue sumergida en el baño de aceite de silicón, pero en este modo, el baño es mantenido a una temperatura constante < 10° C. Y esta vez, el calentamiento de la muestra se realiza por efecto Joule, haciendo pasar una corriente a través del alambre que oscila entre 4 a 7 A. El valor de la corriente y de la duración de la pulsación eléctrica son predeterminados de tal forma que se asegure la completa transformación austenítica del alambre. 34 Debido a la corta duración de estos ciclos, el contacto de calentamiento se realiza vía un contacto eléctrico en un pequeño recipiente con mercurio (figura 2), esto con la finalidad de evitar perturbaciones ocasionadas por posibles frotamientos en la medición de la deformación obtenida por el LVDT. La ventaja de estos ciclos es su duración (12 a 15 ciclos/minuto). La desventaja es que no es posible medir la temperatura del alambre ni el cambio de voltaje en la muestra, solo son obtenidos los valores de deformación a baja y a alta temperatura. La máquina está diseñada para realizar los dos modos de manera independiente o bien combinarlos. El programa que combina los ciclos se estableció bajo las siguientes condiciones, cuando: N = 2 n ⇒ Ciclos lentos N ≠ 2 n ⇒ Ciclos rápidos en donde N es el número de ciclo y n es un entero. Por lo que para N = 1, 2, 4, 8, ..., se obtendrán curvas continuas de ε-T y de ∆R-T como las que se muestran en las figuras 3 (a y b), mediante ciclos lentos y en el resto de N, solo se obtendrán las deformaciones a baja y alta temperatura. Este método combinado de ciclos permite seguir el comportamiento de la muestra hasta su ruptura en tiempos relativamente cortos (una semana). Para poder llevar a cabo la combinación de los ciclos, la computadora está programada para conectar el circuito de la fuente de corriente directa y el nano-voltímetro con amplificador de señal durante los ciclos lentos y desconectar mediante una serie de relevadores, el circuito de corriente alterna. O bien, durante los ciclos rápidos realiza la operación opuesta (figura 1 y 2). CONDICIONES DE EXPERIMENTACIÓN La máquina está diseñada para trabajar con aleaciones con transformaciones de fase que oscilen entre una temperatura Mf > 15° C y una Af < 135° C. Con un diámetro de muestras entre 0.8 y 0.2 mm y una longitud entre 45 y 25 mm. El grado de error en la medición de la variación ε y la medición de ∆R/R0 es de ± 0.05 % y ±0.1 % respectivamente. El coeficiente de dilatación de las mordazas fue estimado entre 26 y 29x10-6° C-1. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Diseño de máquina de fatiga para el estudio de alambres... / Enrique López Cuéllar et al B Tratamiento Termomecánico 5 Deformado por el fabricante y después tratado a 485° C dos horas 1 ∆R/R 0 (%) εβ-m 2 εm-β ε 0 20 40 60 80 P 100 120 140 ∆R β-m/R 0 80 100 120 140 40 ∆R/R0 (%) (a) ε (%) 4 2 0 20 40 60 80 100 Temperatura (°C) 28 24 25 20 15 10 5 120 0 20 28 24 (c) ∆ρ/ρ0 (%) 20 ∆ρ/ρ0 (%) (b) 35 30 0 -5 0 Las figuras 4 y 5 muestran las curvas de ε-T, ∆R/R0-T, ∆ρ/ρ 0 -T y la correlación entre ∆ρ/ρ 0 −ε de la muestra A y B respectivamente a 125 MPa. Af 60 Figura 3. (a y b) Curvas de ε-T y ∆R/R0-T respectivamente a 125 MPa para la muestra A. RESULTADOS (3) 40 Temperatura (°C) ε P 20 16 12 8 40 60 80 100 Temperatura (°C) 120 (d) 20 16 Pendiente 12 4 8 4 0 0 -4 0 20 40 60 80 -4 120 -1 100 0 1 2 3 4 5 6 ε (%) Temperatura (°C) Fig. 4. (a, b y c) Curvas de ε-T, ∆R/R0-T, ∆ρ/ρ 0 -T respectivamente de los primeros 20 ciclos térmicos a 125 MPa de la muestra A. (d) Correlación entre ∆ρ/ρ0 −ε. 6 25 (a) ∆R/R0 (%) ε (%) (b) 20 4 2 15 10 5 0 0 Fase R 0 20 20 40 60 80 Temperatura (°C) 100 -5 120 16 ∆ρ/ρ0 (%) 12 8 Fase R 0 20 40 60 80 Temperatura (°C) 20 (c) 16 ∆ρ/ρ0 (%) Ciclos en modo lento En la figura 3 se muestra una curva típica de ε-T y ∆R/R0 -T obtenida con la máquina de fatiga de una AMF sometida a un ciclo térmico bajo esfuerzo. En este caso se trata de la muestra A. El ciclo térmico se realizó entre los 10 y 120° C bajo un esfuerzo de 125 MPa. En la figura se pueden observar los distintos parámetros que pueden obtenerse a partir de estas curvas y que son de suma importancia para la caracterización de las AMF y de sus condiciones de trabajo. En la figura 3 (a) se observa como se cuantifican el EMDSA (ε m−β), la deformación sufrida durante el enfriamiento (ε β-m) y la deformación plástica (ε ρ ). En la figura 3 (b) además de las variaciones de resistencia eléctrica (∆R/R0 ) se muestran las temperaturas de transformación martensíticas durante el enfriamiento (Ms y Mf) y austeníticas durante el calentamiento (As y Af) y la histéresis térmica de la transformación. Como se mencionó anteriormente, a partir de la información de las curvas ε-T y ∆R/R0 -T puede determinarse también la variación de la resistividad eléctrica del material (∆ρ/ρ 0 ) mediante la ecuación 3. ∆R β/R 0 Ms 20 Temperatura (°C) En este trabajo se presentan los resultados obtenidos con dos aleaciones distintas. En la tabla I se presentan algunas características de cada muestra. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 10 ∆R m-β/R 0 Ht -10 0 6 ∆ρ ∆R (T ) = (T ) − 2 × ε(T ) ρ0 R 20 0 0 -1 Tabla I. Algunas características de las muestras analizadas As Mf (b) 30 3 Enfriamiento Deformado 30 % y Ti-45.0Ni-5.0Cu después tratado a 485° C una hora 50Ti-50Ni 40 (a) 4 Calentamiento A Composición (%at) Deformación (%) Muestra 4 100 120 (d) 12 H 8 4 0 0 -4 -4 120 - 1 0 20 40 60 80 Temperatura (°C) 100 0 1 2 3 4 5 ε (%) Fig.5. (a, b y c) Curvas de ε-T, ∆R/R 0-T, ∆ρ/ρ 0 -T respectivamente de los primeros 20 ciclos térmicos a 125 MPa de la muestra B. (d) Correlación entre ∆ρ/ρ0 −ε. 35 �Diseño de máquina de fatiga para el estudio de alambres... / Enrique López Cuéllar et al En las figuras 6 y 7 se presenta la continuación de los ciclos térmicos de la muestra A, pero combinando los ciclos del modo lento (por convección) con los ciclos del modo rápido (por efecto Joule). Lo anterior con el objetivo de llegar a la ruptura del material en un tiempo corto y a su vez evaluar la evolución de sus propiedades (punto 2.3) 30 (a) ε (%) 6 4 0 32 28 15 10 0 -5 20 40 60 80 100 120 140 0 32 Temperatura (°C) 28 (c) 24 20 16 12 8 20 24 ∆ρ/ρ0 (%) ∆ρ/ρ0 (%) 20 5 εP 2 (b) 25 ∆R/R0 (%) 8 4 40 60 80 100 Temperatura (°C) 120 140 (d) 20 16 12 8 4 0 0 -4 0 20 40 60 80 -4 100 120 140 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ε (%) Temperatura (°C) Fig. 6. (a, b y c) Curvas de la muestra A de e-T, ∆R/R0-T, ∆ρ/ρ0-T respectivamente a partir del ciclo 21 hasta la ruptura mediante el modo combinado a 125 MPa. (d) correlación entre ∆ρ/ρ0 −ε. Ciclos todos los 2n. 9 8 ε % Baja Temp. 7 6 ε % Alta Temp. ε% 5 4 3 EMDSA 2 1 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Num. de Ciclo Fig. 7. Curva de la muestra A de “ε-Número de ciclo térmico por efecto Joule” durante el modo combinado a 125 MPa a partir del ciclo 21 hasta la ruptura del alambre. Ciclos rápidos. Ciclos combinados En las figuras 6 (a, b, c y d) se muestran las curvas de ε -T, ∆R/R 0 -T, ∆ ρ / ρ 0 -T y ε − ∆ ρ / ρ 0 respectivamente de la muestra A, del ciclo 21 hasta la ruptura del alambre, mediante el modo de calentamiento lento. En la figura 7 se muestra la curva 36 de “ε-Número de ciclo térmico por efecto Joule” o modo de calentamiento rápido. En esta curva se aprecia que los valores de deformación que se obtienen son solamente los valores de las posiciones del captor LVDT a alta y baja temperatura, y la diferencia proporciona la recuperación de deformación, es decir el EMDSA. DISCUSIÓN El equipo está diseñado para trabajar en dos modos distintos de calentamiento: por convección o por efecto Joule. Ambos tipos de ciclos pueden ser combinados con éxito. La precisión de los resultados que se obtienen con la máquina de fatiga es adecuada para el estudio de las AMF. Además con este equipo, la ruptura del material es alcanzada en tiempos cortos obteniendo también la evolución de los parámetros más importantes durante la fatiga termomecánica. Al observar el comportamiento de la muestra A en la figura 4 se aprecia una transformación simple durante el enfriamiento y el calentamiento de la muestra. Tanto en la curva de ε-T, como en la de ∆R/R0 -T y la de ∆ρ/ρ 0 -T. Esto bajo las condiciones de traba jo establecidas, se ve reflejado en un comportamiento lineal de la correlación entre los valores de la deformación y del cambio de resistencia eléctrica, así como en una histéresis prácticamente nula en la figura 4 (d). Esto indica por lo tanto que, la posición de un activador elaborado con la aleación A, puede ser localizada con una excelente precisión midiendo el cambio de resistividad eléctrica de la muestra. El comportamiento de la muestra B es distinto al de la muestra A como se aprecia en la figura 5. En la figura 5 (a) se puede observar durante los primeros ciclos térmicos, una transformación en dos etapas durante el enfriamiento. La primera transformación provoca un pequeño incremento en ε entre los 47 y 25°C aproximadamente, a esta transformación se le conoce como la fase R.7 La transformación que se da posteriormente es a la fase martensítica y ésta provoca un incremento mayor de ε . Durante el calentamiento se observa una transformación simple martensita austenita. En las figuras 5 (b y c) se puede observar que, a diferencia del efecto en la deformación, la fase R provoca un incremento en la resistencia y resistividad eléctrica mucho mayor que el que provoca la transformación a fase martensítica. Lo anterior se ve reflejado en una geometría Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Diseño de máquina de fatiga para el estudio de alambres... / Enrique López Cuéllar et al Fig. 8. Fotografía de la máquina de fatiga y su equipo periférico. triangular de la correlación entre ∆ρ/ρ 0 -e, debido a la diferente influencia de la fase R sobre ambas propiedades. Por lo que la muestra B, bajo estas condiciones de trabajo, complica de manera determinante el control de la posición del activador. Además en la figura 5 (a), se puede hacer otra observación importante. Conforme los ciclos térmicos avanzan, el incremento de ε ocasionado por la fase R va disminuyendo hasta desaparecer por completo aproximadamente en el ciclo 14. Lo anterior no sucede con la resistencia ni con la resistividad eléctrica del material, ya que la fase R sigue provocando el incremento de ambas, como se puede observar en las figuras 5 (b, c y d). Es decir, el cambio de forma que provoca la fase R (incremento de ε), desaparece conforme se introducen dislocaciones (ε p ) ocasionadas por los ciclos térmicos bajo esfuerzo (Figura 5 (a)). Pero la introducción de dislocaciones no impide que se de transformación de la fase R y ésta sigue provocando el incremento de resistencia (∆R/R0 ) y resistividad eléctrica (∆ρ/ρ 0 ) que se da aproximadamente a los 50°C en las figuras 5 (b y c). La transformación austenita fase R no puede confundirse con la transformación fase R martensita ya que esta última se da hasta los 30°C aproximadamente, como se puede apreciar claramente en la figura 5 (a). Otro fenómeno que se puede observar en ambas muestras, es el aumento clásico de las temperaturas de transformación conforme se avanza en el número de ciclos y la disminución de la histéresis térmica. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. Para analizar los resultados que se pueden obtener a partir del ensayo de fatiga, solo se presentan los resultados de la muestra A combinando el tipo de ciclos. En la figura 6 (a, b, c y d) se muestran las curvas de ε -T, ∆R/R0 -T, ∆ρ/ρ 0 -T y ε−∆ρ/ρ 0 respectivamente desde el ciclo 21 hasta el 32788, respetando la condición de programación establecida anteriormente. En la figura 6 (a) se puede apreciar a simple vista, una evolución fuerte de las curvas en función del número de ciclos, impactando en un aumento de la plasticidad (ε p ), en un aumento de las temperaturas de transformación martenísticas (Ms y Mf) y una disminución de la histéresis térmica. La evolución de propiedades térmicas también puede apreciarse en las curvas de ∆R/R0 −Τ, ∆ρ/ρ0 −Τ, sin embargo la introducción de dislocaciones (ε p ) parece afectar en menos medida estas propiedades como se aprecia en las figuras 6 (b y d) en la parte derechainferior a alta temperatura. Un dato interesante se puede obtener a partir de la figura 6 (d), y es que a pesar de la evolución de las propiedades, la pendiente de la correlación ε−∆ρ/ρ 0 permanece constante. Esto quiere decir que si se emplea la medida de variación de resistividad como control de posición, ésta será precisa durante todo el tiempo de vida del activador. Finalmente, los resultados obtenidos mediante el modo de calentamiento por efecto Joule que se muestran en la figura 7, además de permitir conocer el tiempo de vida del activador, permiten llegar a la ruptura del material en tiempos relativamente cortos (< una semana) y confirmar que los ciclos térmicos se efectúen completamente. CONCLUSIONES • El equipo es capaz de medir simultáneamente la deformación del material y el cambio de resistencia eléctrica durante los ciclos térmicos bajo esfuerzo. El equipo cuenta con dos modos de calentamiento: por convección y por efecto Joule. Ambos pueden combinarse de tal forma que se pueda llegar a la ruptura del material en tiempos cortos y siguiendo la evolución de las propiedades más importantes del activador durante su fatiga termo-mecánica. • Los parámetros relevantes para el estudio de las AMF que se pueden obtener con este equipo 37 �Diseño de máquina de fatiga para el estudio de alambres... / Enrique López Cuéllar et al durante los ensayos son los siguientes: efecto memoria de forma doble sentido asistido EMDSA (ε µ − β), deformación sufrida durante el enfriamiento (ε β−µ ), deformación plástica (ε p ). Cambios de resistencia (∆R/R0 ) y resistividad eléctrica (∆ρ/ρ 0 ) a alta y baja temperatura, correlación entre la deformación y la resistencia o resistividad eléctrica de la muestra (ε−∆ρ/ρ 0 ). Temperaturas de transformación (Ms, Mf, As y Af) y la histéresis térmica de la transformación. Todo esto en función del número de ciclo, del esfuerzo aplicado, de la composición del material y de su estado inicial. La precisión de las mediciones es satisfactoria para nuestro caso. • La muestra B (aleación binaria Ti-Ni) no presenta un comportamiento satisfactorio para ser considerada como un activador. La influencia diferente que ejerce la fase R sobre la deformación (ε) y el cambio de resistividad (∆ρ/ρ 0 ), provoca una curva de correlación ε−∆ρ/ρ0 con una geometría triangular, lo que dificulta el control de la posición del activador. • La introducción de dislocaciones conforme avanzan los ciclos térmicos bajo esfuerzos, parece inhibir el cambio de forma del alambre producido por la transformación de la fase R. Sin embargo, la transformación de la fase R continúa afectando de igual manera a la resistencia eléctrica del material. • La muestra A (aleación Ti-45Ni-5Cu) presenta un comportamiento satisfactorio como activador debido a que la pendiente de la correlación ε − ∆ρ/ρ0 permanece constante durante todo su período de vida a pesar de que existe una evolución de sus propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas.8 REFERENCIAS 1. López Cuéllar E. Una introducción a las aleaciones con memoria de forma I. Ingenierías, JulioSeptiembre 2002, Vol. V, No. 16, p. 5-11. 2. López Cuéllar E. Una introducción a las aleaciones con memoria de forma II. Ingenierías, OctubreDiciembre 2002, Vol. V, No. 7, p. 14-19. 3. Mertmann M., Hornbogen E. Grippers for the Micro Assembly Containing Shape Memory Actuators and Sensors. In European Symposium on Martensitc Transformations. J. PHYS. IV France 7, Colloque C5, 1997, p. C5-621-C4-626. 4. De Araújo, C. J. Comportement cyclique de fils en alliage à mémoire de forme Ti-Ni-Cu: analyse electro-thermomécanique, dégradation et fatigue par cyclage thermique sous contrainte. Thèse d’Etat, INSA de Lyon , Lyon I, 1999, 177p. 5. López Cuéllar, Enrique. Fatigue par cyclage thermique sous contrainte de fils à mémoire de forme Ti-Ni-Cu après différents traitements thermomécaniques. Thèse d’Etat, INSA de Lyon, Lyon I, 2002, 180p. 6. Airoldi G., Ranucci T., Riva G., Sciacca A. The two-way memory effect in a 50at%Ti-40at%Ni10at%Cu alloy. J. Phys.: Condens. Matter, 1995, vol.7, p 3709-3720. 7. Khelfaoui F. Effet des traitements thermomécaniques sur les transformations displacives de l’alliage Ti-Ni. Thèse d’Etat, INSA de Lyon, Lyon I, 2000, p. 142p. 8. De Araújo C. J., Morin M., Guenin G. Electrothermomechanical behavior of a Ti-Ni-5.0Cu (at%) alloy during shape memory cycling. Materials Science and Engineering 1999, Vol. A000, p. 1-5. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al CONACYT de México, al CAPES de Brasil y al INSA de Lyon, por su apoyo financiero y técnico durante la realización de este proyecto. 38 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Determinación de parámetros electromagnéticos de vías férreas Emanuele Guglielmino University of Bath (UK) E-mail: emanuele@guglielmino.com ABSTRACT This paper describes a method to determine longitudinal and transversal electromagnetic parameters of railway line tracks. The technique is based upon differential mode measurements as well as transmission line theory. The results have been used to validate a distibuted parameter model of the tracks which can be suitable for electromagnetic compatibility studies in particular in the design of electromagnetic equipment for signaling systems. The model represents satisfactorly enough, for design purposes, the longitudinal parameters (series resistance and inductance) dependence upon frequency. The transversal parameters (shunt capacity and conductance) strongly depend on soil conditions, hence they cannot be precisely modeled by means of a pure electromagnetic model. KEYWORDS Determination, t ransmission lines, railway tracks, electromagnetic compatibility. RESUMEN Este artículo describe una técnica para determinar los parámetros electromagnéticos longitudinales y transversales de los rieles de una vía férrea. La técnica está basada en medidas de modo diferencial, así como en la teoría de las líneas de transmisión. Los resultados han sido utilizados para validar un modelo matemático para estudios de compatibilidad electromagnética y en particular para el diseño y la optimización de dispositivos electromagnéticos de señalización. El modelo describe con precisión suficiente para el diseño los comportamientos de los parámetros longitudinales (resistencia e inductancia) al variar la frecuencia. Los parámetros transversales (capacidad y conductancia) dependen fuertemente de las condiciones del terreno, y no pueden ser representados con precisión por un modelo meramente electromagnético. PALABRAS CLAVE Determinación, líneas de transmisión, rieles, compatibilidad electromagnética. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 39 �Determinación de parámetros electromagnéticos de vías férreas / Emanuele Guglielmino NOTACIÓN C = capacitancia transversal [mF/km] G = conductancia transversal [mS/km] I = corriente de línea (escalar o vector) [A] L = inductancia longitudinal [mH/km] R = resistencia longitudinal [Ω/km] V = tensión de fase (escalar o vector) [V] Y = admitancia (escalar o matriz) [(Ω/km)-1] Z = impedancia (escalar o matriz) [Ω/km] Zo = impedancia caracteristica [Ω/km] Zca = impedancia en circuito abierto [Ω/km] Zcc = impedancia en corto circuito [Ω/km] Zloop = impedancia de loop de la línea [W/km] α = constante de atenuación [neper/m] β = constante de fase [rad/m] γ = constante de propagación [-] µ r = permeabilidad relativa de los rieles [-] ñ = resistividad de los rieles[Ωm] ù = pulsación [rad/s] INTRODUCCIÓN La construcción de trenes de alta velocidad (por ejemplo, el TGV en Francia, el Pendolino en Italia y el AVE en España) ha llevado al desarrollo de dispositivos eléctricos para la tracción y sistemas de señalización extremadamente sofisticados. La utilización frecuente de la electrónica de potencia resulta en que las corrientes y las tensiones tengan un contenido armónico muy alto y esto es causa potencial de problemas de compatibilidad electromagnética entre las diversas partes de los sistemas eléctricos ferroviarios. Hasta ahora ha habido relativamente poca investigación sobre la compatibilidad electromagnética en el sector ferroviario, en comparación con otros sectores, como por ejemplo el aeronáutico. Sin embargo, este tipo de problemática está adquiriendo una importancia cada vez mayor. 1-5 Para diseñar y optimizar dispositivos eléctricos y electrónicos fiables, es necesario tener una clara comprensión del ambiente electromagnético ferroviario. 40 El circuito de potencia equivalente de un sistema eléctrico ferroviario está constituido por las subestaciones, el motor y el accionamiento del tren, así como por la línea de contacto y los rieles. Los sistemas de señalización comparten parcialmente la misma infraestructura. Entre las distintas partes del sistema, tanto como con sistemas extraños, existen acoplamientos inductivos y capacitivos y además los sistemas ferroviarios producen emisiones de radiofrecuencia.6 Bajo esta luz resulta clara la necesidad de desarrollar un modelo electromagnético de los sistemas eléctricos ferroviarios, adecuado para investigar los fenómenos de compatibilidad electromagnética. Este artículo analiza la elaboración de un subsistema de este circuito, los rieles. La disponibilidad de un modelo de los rieles preciso es particularmente importante en el diseño de sistemas de señalización en audiofrecuencia, como los circuitos de vía.7,8,9 Estos circuitos se utilizan para indicar la posición de los trenes a lo largo de los rieles y deben poder funcionar en todas las condiciones operativas. Para un buen diseño de estos dispositivos es extremadamente importante conocer en qué medida los parámetros electromagnéticos de los rieles dependen de la frecuencia. Los rieles están constituidos por dos conductores de material ferromagnético, colocados en el suelo, supuesto conductor débil. Estos conductores pueden ser concebidos como una línea de transmisión multiconductora con parámetros distribuidos. A diferencia de las líneas aéreas que pueden ser consideradas lineales en buena medida, los rieles son un sistema no lineal y además con parámetros variables. Las causas de no linealidad son principalmente la presencia del hierro (saturación e histéresis) y la forma geométrica de los rieles que causa una distribución no uniforme de la corriente. La causa primera de incertidumbre y variabilidad de los parámetros eléctricos es la presencia del suelo. Éste afecta los valores de constante dieléctrica y resistividad, y por consiguiente los valores de capacitancia y conductancia transversales entre los dos rieles. Estas propiedades eléctricas varían en función de la frecuencia y de muchos parámetros no eléctricos, tales como la humedad del suelo. 10,11 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Determinación de parámetros electromagnéticos de vías férreas / Emanuele Guglielmino Este artículo analiza la determinación de los parámetros eléctricos longitudinales y transversales por unidad de longitud de los rieles en función de la frecuencia y en varias condiciones climáticas. Los resultados son sucesivamente utilizados para validar un modelo matemático de los rieles a parámetros distribuidos. IDENTIFICACIÓN DE LOS PARÁMETROS Durante los ultimos años se han investigado diferentes técnicas para modelar los rieles e identificar sus parámetros electromagnéticos. El enfoque tradicional consiste en modelar los rieles como un circuito equivalente de parámetros concentrados. Este modelo de los rieles ha sido utilizado durante años en el diseño de sistemas de señalización. 12 Tal aproximación es básica y no resulta adecuada para un diseño preciso y una optimización de los sistemas de audiofrecuencia. El problema de la identificación de los parámetros ha sido afrontado por otros investigadores utilizando un método basado en los campos electromagnéticos:13-15 utilizando el método de los elementos finitos se ha calculado la distribución de los campos eléctrico y magnético dentro y entre los rieles, obteniéndose consecuentemente los parámetros electromagnéticos. Este método es muy preciso puesto que permite describir la geometría de los rieles con gran exactitud. Aun así, el problema principal es que es necesario introducir datos confiables para las propiedades eléctricas de los materiales. Otros estudios han afrontado el problema utilizando métodos basados en la teoría de las líneas:16,17 se han desarollado modelos de diferente nivel de complejidad. Sin embargo es importante desarrollar modelos en los que se puedan medir fácilmente los parámetros a fin de validar dichos modelos.18 En este estudio se presenta un método semi-analítico basado en la teoría de las líneas de transmisión, que permite la determinación de los parámetros de los rieles a partir del conocimiento de cantidades fácilmente mesurables, es decir, las impedancias en corto circuito y en circuito abierto. El sistema está constituído por 2 conductores más el conductor de regreso, situado en el suelo. Utilizando la teoría de las líneas de transmisión,19 el sistema, en regimen sinoidal, está descrito por: Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. d [V ] = − dx [Z] [I] d [I ] = − [Y] [V] dx (1) (2) donde [V] e [I] son vectores columna de las tensiones de fase y de las corrientes respectivamente, mientras que [Z] y [Y], son las matrices de las impedancias y de la admitancias por unidad de longitud. El problema mayor es medir los elementos de esas matrices, lo cual no es simple porque el conductor de regreso es inaccesible, y no se pueden hacer medidas de modo común. La alternativa es hacer medidas de modo diferencial y, en particular, una medida en circuito abierto y una en corto circuito. De esta manera se puede medir la impedancia de lazo de los dos rieles. En el caso de parámetros distribuidos (figura 1) la impedancia del lazo es función de las condiciones iniciales de la línea (más la condiciones de frontera al final de la línea) Z loop = V1 (0) − V2 (0) I ( 0) (3) El enfoque experimental desarrollado está basado en medidas de las impedancias en circuito abierto, Zca , y corto circuito, Zcc, y el subsecuente cálculo de los parámetros eléctricos. Los valores de resistencia longitudinal R, inductancia longitudinales L, capacitancia C y conductancia transversales G, se pueden calcular a partir del conocimiento de Zca y Zcc, de la constante Fig. 1. Circuito equivalente de parámetros distribuidos de los rieles. 41 �Determinación de parámetros electromagnéticos de vías férreas / Emanuele Guglielmino Fig. 2. Circuito equivalente por unidad de longitud de una línea de transmisión. de propagación γ y de la impedancia característica de la línea Z0 . Se define: γ = ZY = (R + jωL)(G + j ωC) = α+ jβ (4) Z0 = R + j ωL = α + jβ R + jωL G + j ωC (5) Estas ecuaciones permiten la determinación de los párametros de los rieles directamente a partir del conocimiento de las características de la línea: la constante de propagación y la impedancia característica. El método es preciso para frecuencias menores a la frecuencia de resonancia de la línea. Cerca de la resonancia los valores de Zca y Zcc son parecidos y esto causa problemas de precisión en las medidas. MEDIDAS DE LOS PARÁMETROS Las medidas se efectuaron en la Universidad de Bath, Reino Unido, sobre rieles experimentales de 36 metros de longitud, con travesaños de madera. Los parámetros se midieron en varias condiciones climáticas para evaluar la influencia del suelo seco y húmedo. En las figuras 3, 4 y 5 aparecen los rieles y la instrumentación utilizada. donde Z=R+jωL e Y=G+jωC. A partir de la teoría de las líneas se obtiene: Z0 = Z ca Z cc tanh (γl ) = Z SC Z OC (6) (7) utilizando la igualdad trigonométrica: tanh (γl ) = tanh( αl ) + j tan( βl ) = p + jq (8) 1 + j tanh( αl ) tan( βl ) y resolviendo respecto a α y β se obtiene: α= 1  2p   arctan h 2 2  2l 1 + p + q   β=  1  2q   arctan    + n π 2 2   2l  1− p − q   Fig. 3. Rieles experimentales utilizados para efectuar las medidas. (9) (10) A continuación, los parámetros eléctricos: 42 R=Re(γ Z0 ) (11) L=Im((γ Z0 )/ω) (12) C=Im((γ / Z0 )/ω) (13) G=Re(γ / Z0 ) (14) Fig. 4. Instrumentación para efectuar las medidas: sensor de efecto Hall. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Determinación de parámetros electromagnéticos de vías férreas / Emanuele Guglielmino Fig. 5. Instrumentación para efectuar las medidas: osciloscopio digital y amplificador. Se midieron las tensiones y las corrientes en circuito abierto y en corto circuito y se calcularon los valores de Zca y Zcc. Los rieles han sido alimentados con una tensión sinoidal dentro del intervalo 1 Hz-25 kHz. Las señales se adquirieron a través de un osciloscopio digital. Para hacer las medidas en corto circuito se ha empleado un sensor de efecto Hall que produce una salida proporcional a la corriente en el circuito, mientras que en la medidas en circuito abierto se empleó un resistor de medida. Las señales adquiridas han sido transferidas a una computadora y los datos procesados al fin de obtener R, L, C y G. En las figuras 6-9 se presentan los resultados de las medidas. Fig. 6, 7, 8, 9. Tendencias medidas de R, L, C y G, al variar la frecuencia en varias condiciones climáticas; extremadamente seco (cruces); seco (círculos); húmedo (asteriscos negros); mojado (asteriscos grises). . Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 43 �Determinación de parámetros electromagnéticos de vías férreas / Emanuele Guglielmino Los resultados indican que la resistencia R aumenta con la frecuencia (figura 6), con una pendiente inicial acorde con la proporcionada por el modelo de conductor cilíndrico con efecto piel, es decir, proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia. Después de 2 kHz la pendiente aumenta y la resistencia se incrementa de manera proporcional a la frecuencia. Esto es atribuible a la forma de los rieles, que causan una distribución no uniforme de la corriente en su interior. La inductancia L baja con la frecuencia (figura 7), a causa del efecto piel. A frecuencias mayores L comienza a aumentar ligeramente. Esto es debido a la distribución de los parámetros (formalmente lo que se ha medido no es una inductancia, sino la parte imaginaria de una reactancia dividida por una pulsación). Las condiciones climáticas influyen de manera mínima en los parámetros longitudinales R y L, como era esperado. Las condiciones del terreno, por su parte, tienen un efecto significativo sobre los parámetros transversales de capacitancia y conductancia. La capacitancia C baja con la frecuencia y el incremento de humedad produce un incremento de los valores de C (figura 8). La conductancia G mantiene un comportamiento casi constante al variar la frecuencia y su valor sube en terrenos más húmedos (figura 9). Es muy difícil obtener medidas repetibles de estos parámetros, debido a que la manera en que la constante dieléctrica y la resistividad del suelo dependen de la humedad es extremadamente variable. son la geometría de los rieles (longitud, distancia entre los rieles, distancia desde la tierra ideal, etc.) y las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales. En las figuras 10 y 11 se comparan los parámetros simulados y medidos. La comparación se ha efectuado con R y L. Para realizar una comparación sencilla entre los parámetros transversales sería necesaria una modelación más sofisticada de la constante dieléctrica y resistividad del terreno. VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DEL MODELO DISTRIBUIDO DE LOS RIELES Los resultados experimentales, obtenidos a través de la medida de las impedancias en circuito abierto y en corto circuito y la utilización de las ecuaciones (11)-(14), han sido comparados con un modelo matemático de los rieles de parámetros distribuidos desarrollado por la Universidad de Génova (Italia), basado en las ecuaciones de Carson. 19 Estas ecuaciones describen las líneas de transmisión en presencia de dos medios diferentes que, en este caso, son el hierro y el terreno. En este modelo los rieles han sido sustituidos por conductores cilíndricos de área equivalente. Los datos de entrada del modelo 44 Fig. 10, 11. Tendencias medidas (asteriscos negros) y simuladas de R y L, al variar la frecuencia y la permeabilidad relativa: µr =1 (cruces); µr =10 (círculos grises); µr =100 (asteriscos grises); µr=200 (círculos negros). Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Determinación de parámetros electromagnéticos de vías férreas / Emanuele Guglielmino Se ha hecho un estudio de sensitividad variando el valor de la permeabilidad relativa de los rieles desde 1 hasta 200 y de resistividad desde 10-7 Ωm hasta 2*10-6 Ωm. El modelo no es capaz de describir el cambio de pendiente en el comportamiento de la resistencia R, debido al efecto piel no uniforme. Un valor de µr=10 se aproxima bien al comportamiento a bajas frecuencias, mientras que un valor de µr=100 se acerca mejor a las frecuencias mayores. Con respecto a L, un valor de µr=10 se aproxima bien al comportamiento medido. Además, se puede observar que los Fig. 12, 13. Tendencias medidas (asteriscos) y simuladas de R y L, al variar la frecuencia y la resistividad: r=2*106 (asteriscos negros); r=10-6 (cruces); r=2.27*10-7 (círculos grises); r=1.25*10-7 (círculos negros); r=10-7 (asteriscos grises). Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. resultados simulados de L tienden a converger con aquéllos medidos al aumentar la frecuencia. En las figuras 12 y 13 se presentan los comportamientos medidos y simulados, variando el valor de resistividad de los rieles. El valor de la resistividad en el modelo influye en la frecuencia en la cual comienza el efecto piel. Se nota que el modelo describe bien el cambio de pendiente de la L debido a las distribuciones de los parámetros en las frecuencias más altas. CONCLUSIONES El artículo ha abordado el problema de la determinación de los parámetros electromagnéticos de los rieles. El objetivo final del proyecto es la modelación electromagnética de los sistemas eléctricos ferroviarios para estudios de compatibilidad electromagnética. Esto es de interes para el diseño y la optimización de dispositivos electromagnéticos ferroviarios, en particular de sistemas de señalización en audiofrecuencia. Se ha presentado un método experimental basado en la teoría de las líneas de transmisión para determinar los parámetros por unidad de longitud de los rieles a través de medidas de impedancia en corto circuito y en circuito abierto y la utilización de éstas para validar un modelo de los rieles a parámetros distribuídos. La principal aproximación en el modelo es que los rieles han sido sustituidos con conductores cilíndricos de área equivalente, lo que no ha permitido describir el efecto piel no uniforme. El modelo describe con suficiente precisión para el diseño los comportamientos de los parámetros longitudinales al variar la frecuencia. El modelo no puede describir con precisión los parámetros transversales: sería necesario introducir modelos de constante dieléctrica y resistividad del suelo dependientes de la frecuencia. Además sería útil tener en cuenta la dependencia de la humedad del terreno (o de otras variables no eléctricas) por medio de un modelo adecuado o, más simplemente, a partir de correlaciones experimentales. Investigaciones posteriores analizarán la validez del modelo para frecuencias superiores a 25 kHz y con corrientes más elevadas que pueden llevar el hierro hacia la saturación. 45 �Determinación de parámetros electromagnéticos de vías férreas / Emanuele Guglielmino AGRADECIMIENTOS Se agradece a Cecilia Lartigue, Aquiles Negrete y Pilar Mantecón por su colaboración en la redacción de este artículo. BIBLIOGRAFÍA 1. Allan, J., “The Power Supply/Rolling Stock/ Signalling System for Compatibility with Power Frequency Track Circuits”, I.Mech.E RailTech ‘94, Birmingham, Reino Unido, 1994. 2. 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Bogotá D.C. - Colombia. E-mail: oscar@impsat.net.co http://www.oscarbarajas.com/ INTRODUCCIÓN Antes de mediados del siglo XVIII los trabajos de construcción a gran escala se ponían en manos de los ingenieros militares. La ingeniería militar englobaba tareas tales como la preparación de mapas topográficos, la ubicación, diseño y construcción de carreteras y puentes, y la construcción de fuertes y muelles. Sin embargo, en el siglo XVIII se empezó a utilizar el término ingeniería civil o de caminos para designar a los trabajos de ingeniería efectuados con propósitos no militares. Debido al aumento de la utilización de maquinaria en el siglo XIX como consecuencia de la Revolución Industrial, la ingeniería mecánica se consolidó como rama independiente de la ingeniería; posteriormente ocurrió lo mismo con la ingeniería de minas. Los avances técnicos del siglo XIX ampliaron en gran medida el campo de la ingeniería e introdujeron un gran número de especializaciones. Las incesantes demandas del entorno socioeconómico del siglo XX han incrementado aún más su campo de acción; y se ha producido una gran diferenciación de disciplinas, con distinción de múltiples ramas en ámbitos tales como la aeronáutica, la química, la construcción naval, de caminos, canales y puertos, las telecomunicaciones, la electrónica, la ingeniería industrial, naval, militar, de minas y geología e informática. Además, en los últimos tiempos se han incorporado campos del conocimiento que antes eran ajenos a la ingeniería como la investigación genética y nuclear. El ingeniero que desarrolla su actividad en una de las ramas o especialización de la ingeniería ha de tener conocimientos básicos de otras áreas afines, ya que muchos problemas que se presentan en ingeniería son complejos y están interrelacionados. Por ejemplo, un ingeniero químico que tiene que diseñar una planta para el refinamiento electrolítico de minerales metálicos debe enfrentarse al diseño de estructuras, maquinaria, dispositivos eléctricos, además de los problemas estrictamente químicos La Ingeniería Mecánica propiamente dicha reúne todos los conocimientos científicos y técnicos para la dirección de la producción, la conservación y la reparación de maquinaria e instalaciones, equipos y sistemas de producción industrial, así como el estudio tecnológico especializado de diferentes materiales, productos o procesos; la proyección de máquinas herramientas para la industria manufacturera, minera y construcción y otras con fines no industriales como la agricultura. Estudia la proyección de máquinas de vapor, motores de combustión interna y otras máquinas y motores no eléctricos, utilizados para propulsar locomotoras de ferrocarriles, vehículos de transporte por carretera o aeronaves o Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 47 �Breve historia de la ingeniería mecánica. Parte I / Oscar Mauricio Barajas Pinzón para hacer funcionar instalaciones industriales, los sistemas de propulsión para buques, centrales generadoras de energía, sistemas de calefacción y ventilación, bombas, cascos y superestructuras de buques, fuselajes y trenes de aterrizaje y otros equipos para aeronaves, carrocerías, sistemas de suspensión y frenos para vehículos automotores. Estudia el diseño y montaje de sistemas y equipos de calefacción, ventilación y refrigeración; instalaciones y equipos mecánicos para la producción, control y utilización de energía nuclear. Implementa y estudia el diseño de partes o elementos (salvo los eléctricos o electrónicos) de aparatos o productos como procesadores de texto, ordenadores, instrumentos de precisión, cámaras y proyectores; especifica y verifica métodos de producción o instalación y el funcionamiento de maquinaria agrícola y de otras máquinas, mecanismos, herramientas, motores, instalaciones o equipos industriales; el establecimiento de normas y procedimientos de control para garantizar la seguridad y el funcionamiento eficaz. LA EDAD DE PIEDRA El hombre paleolítico, compañero del mamut y el reno, vivió siempre asediado por el hielo, que con sólo algunas intermitencias dejó de cubrir el norte y centro de Europa y Asia. Fue pues de diez milenios el periodo durante el cual el hombre facilitó la satisfacción de sus necesidades con el sílex, desconchándolo y retocando sus bordes hasta afilarlo. Emociona pensar que por tanto tiempo empleó la piedra de sílex como su herramienta principal. Se cambió la forma de los sílex, se vio el predominio o la moda de ciertas tallas, hubo épocas en que los sílex De piedra a herramienta: el sílex fue de gran ayuda al hombre primitivo. 48 fueron grandes como cuchillos y martillos, otras en que se prefirieron hojas como navajas transparentes, pero siempre el sílex, el sílex duro, impenetrable aunque frágil, tuvo que atender a todos los servicios. Desde mediados del siglo pasado empleamos tantos nuevos materiales para la industria, tantos artefactos movidos por vapor y electricidad, que acongoja pensar que nuestros antepasados tuvieron que valerse de la piedra pedernal, por miles y miles de años. Con la época siguiente de la piedra pulimentada, ya pudo el hombre escoger basaltos y otras rocas volcánicas para hacer hachas de piedra pulimentada, pero en la época paleolítica sólo el sílex amarillento, de color cerúleo, lechoso, fue utilizado como empleamos ahora los metales y el vidrio. PRIMEROS ARTILUGIOS MECÁNICOS Egipto, Grecia. El antiguo Dios de Egipto, Tot, era recordado y venerado como inventor de las matemáticas, la astronomía y la ingeniería. A través de su voluntad y poder, mantenía las fuerzas del Cielo y la Tierra en equilibrio. Sus grandes dotes para las matemáticas celestiales le permitieron aplicar correctamente las leyes sobre las cuales descansaban los fundamentos y el mantenimiento del universo. Así mismo, se dice que TOT enseñó a los primeros egipcios los principios de la geometría y la agrimensura, la medicina y la botánica. Según afirma la leyenda, fue el inventor de los números, de las letras del alfabeto y de las artes de leer y escribir. Era el gran Señor de la Magia, capaz de mover objetos con el poder de la voz, el autor de todas las obras sobre cada rama de la ciencia, tanto humana como divina. Arquímedes (287-212 AC), notable matemático e inventor griego, que escribió importantes obras sobre geometría plana y del espacio, aritmética y mecánica. Nació en Siracusa, Sicilia, y se educó en Alejandría, Egipto. En el campo de las matemáticas puras, se anticipó a muchos de los descubrimientos de la ciencia moderna, como el cálculo integral, con sus estudios de áreas y volúmenes de figuras sólidas curvadas y de áreas de figuras planas. Demostró también que el volumen de una esfera es dos tercios del volumen del cilindro que la circunscribe. En mecánica, Arquímedes definió la ley de la palanca y se le reconoce como el inventor de la polea Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Breve historia de la ingeniería mecánica. Parte I / Oscar Mauricio Barajas Pinzón Tornillo de Arquímides. Primitiva bomba hidráulica, que en la actualidad ha encontrado aplicaciones en plantas industriales. compuesta. Durante su estancia en Egipto inventó el “tornillo sinfin” para elevar el agua de nivel. Arquímedes es conocido sobre todo por el descubrimiento de la ley de la hidrostática, el llamado principio de Arquímedes, que establece que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una pérdida de peso igual al peso del volumen del fluido que desaloja. Se dice que este descubrimiento lo hizo mientras se bañaba, al comprobar cómo el agua se desplazaba y se desbordaba. Arquímedes pasó la mayor parte de su vida en Sicilia, en Siracusa y sus alrededores, dedicado a la investigación y los experimentos. Aunque no tuvo ningún cargo público, durante la conquista de Sicilia por los romanos se puso a disposición de las autoridades de la ciudad y muchos de sus instrumentos mecánicos se utilizaron en la defensa de Siracusa. Entre la maquinaria de guerra cuya invención se le atribuye está la catapulta y un sistema de espejos —quizá legendario— que incendiaba las embarcaciones enemigas al enfocarlas con los rayos del sol. Al ser conquistada Siracusa, durante la segunda Guerra Púnica, fue asesinado por un soldado romano que le encontró dibujando un diagrama matemático en la arena. Se cuenta que Arquímedes estaba tan absorto en las operaciones que ofendió al intruso al decirle: “No desordenes mis diagramas”. Todavía Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. subsisten muchas de sus obras sobre matemáticas y mecánica, como el Tratado de los cuerpos flotantes, El arenario y Sobre la esfera y el cilindro. Todas ellas muestran el rigor y la imaginación de su pensamiento matemático. Herón de Alejandría (c. 20-62 D.C.), matemático y científico griego. Su nombre también podría ser Hero (aproximadamente 18 escritores griegos se llamaron Hero o Herón, creándose cierta dificultad a la hora de su identificación). Herón de Alejandría nació probablemente en Egipto y realizó su trabajo en Alejandría (Egipto). Escribió al menos 13 obras sobre mecánica, matemáticas y física. Inventó varios instrumentos mecánicos, gran parte de ellos para uso práctico: la aelípila, una máquina a vapor giratoria; la fuente de Herón, un aparato neumático que produce un chorro vertical de agua por la presión del aire y la dioptra, un primitivo instrumento geodésico. Sin embargo, es conocido sobre todo como matemático tanto en el campo de la geometría como en el de la geodesia (una rama de las matemáticas que se encarga de la determinación del tamaño y configuración de la Tierra, y de la ubicación de áreas concretas de la misma). Herón trató los problemas de las mediciones terrestres con mucho más éxito que cualquier otro de su generación. También inventó un método de aproximación a las raíces cuadradas y cúbicas de números que no las tienen exactas. A Herón se le ha atribuido en algunas ocasiones el haber desarrollado la fórmula para hallar el área de un triángulo en función de sus lados, pero esta fórmula, probablemente, había sido desarrollada antes de su época. Herón de Alejandría y su Aelípila, primitiva turbina de vapor. 49 �Breve historia de la ingeniería mecánica. Parte I / Oscar Mauricio Barajas Pinzón LA INGENIERIA MECÁNICA EN LA EDAD MEDIA El renacimiento: Leonardo Da Vinci. El humanismo del sigo XIV trajo consigo un deseo de renacimiento de la mentalidad clásica como reconocimiento a los grandes logros de los griegos y romanos en tiempos de antaño. Sin embargo, el espíritu humano hace a veces sus mayores progresos por los más extraviados caminos. Para conocer a aquellos griegos y romanos, admirables capitanes, estadistas y poetas, hacía falta desenterrar mármoles y descifrar manuscritos, aprender lenguas muertas y otras lenguas (en Florencia se estudiaba el griego como el verdadero camino de la salvación, como el principio de una nueva y esplendorosa Era, como la única manera de conseguir una vida civilizada), estudiar, investigar y comparar. Y he aquí el verdadero renacimiento: no de lo que renació (que no renació nada), sino de las facultades puestas en juego para hacer renacer, que se avivaron con aquel esfuerzo de la mente. Leonardo Da Vinci nació en 1452 en Vinci (Entre Florencia y Pisa). Arquitecto, pintor, escultor, Ingeniero y sabio italiano. Heredero de todas las aspiraciones artísticas del quattrocento florentino, aporta conclusiones geniales a la investigación de su siglo. A partir del siglo XVI, fue considerado como una especie de “mago”. A pesar de que muchas de sus obras se han perdido o no están acabadas, la significación de su obra es inmensa. Muere cerca de Amboise en el castillo de Cloux (propiedad de la madre de Francisco I) en 1519. Artista y hombre de ciencia, hijo natural de un notario, desde niño sintió ambición de querer abarcar toda disciplina humana; su padre presentó dibujos de Leonardo a Verrocchio, quien pasmado de las aptitudes que aquellos revelaban, aceptó en su taller al joven artista, que sin tregua llenaba cuadernos con croquis directos del natural y caricaturescos esbozos imaginativos de figuras y caras. Buscaba lo bello y lo feo, pretendiendo en todos los casos que perdurara la expresión fugitiva de los afectos anímicos y de las ideas. Colaboró en la pintura “ Bautismo de Cristo “ de Verrocchio y una de sus obras de la mocedad parece haber sido modelo de una tapicería, destinada al Rey de Portugal: “ Adán y Eva cogiendo la manzana”. Por los mismos tiempos hizo la “La Anunciación y La adoración de los Magos” de los Uffizi y el “San Jerónimo” del 50 Imagen clásica de los apuntes de Leonardo da Vinci. Vaticano. Poco favorecido por los Médicis, deja Florencia en 1482; invitado por Ludovico Esforza, llamado el Moro, se traslada a Milán como tañedor de lira, con rara lira en forma de cabeza de caballo, construida en plata y basándose en principios acústicos ignorados hasta entonces. En el certamen en que como tal se presenta, da respuestas muy agudas a diversas preguntas, causando la admiración de la Corte. Al poco tiempo es en Milán el ordenador de las fiestas de Ludovico y de aquellas que los magnates de la ciudad organizan en honor al Soberano; es también el ingeniero de los servicios hidráulicos, evidenciando con ello las aptitudes que expusiera en el memorial que al llegar a Milán presentó a su protector. Decía saber dirigir la construcción de puentes ligerísimos, fácil de poner y quitar, así como tener fácil manera de incendiar, en tiempo de guerra, los puentes del enemigo. Y añadía: “En tiempo de paz creo satisfacer perfectamente, tanto como el mejor, en arquitectura y composición de edificios públicos y privados, y en conducción de aguas de un lugar a otro; también puedo dedicarme a la escultura en mármol, en bronce o en barro, y a la pintura”. Para todo fue aprovechado en los diecisiete años que estuvo en Milán, con lo cual, si de una parte Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Breve historia de la ingeniería mecánica. Parte I / Oscar Mauricio Barajas Pinzón permitiéronle dar a conocer sus omnímodas cualidades, de otra le dificultaron concentrarse en trascendentales pinturas. Con todo, la etapa milanesa es un periodo de apogeo del arte de Leonardo, y ni la dirección de grandes trabajos hidráulicos, o los proyectos que hizo para el palacio de los Sforza y el tambor de la cúpula de la catedral, o los croquis de innumerables dispositivos militares, no le impidieron realizar dos de sus grandes creaciones pictóricas: “La Virgen de las Rocas, entregado hacia 1490, y el fresco del Cenáculo, terminado en 1497, en Santa María de las Gracias”. Al propio tiempo que en esta última obra, Leonardo trabaja en una gran escultura que en el memorial presentado a Ludovico el Moro se había ofrecido a realizar: la estatua ecuestre del fundador de la dinastía, Francisco Sforza. Con la caída de Ludovico empieza lo que se ha llamado la época errante de Leonardo, que comprende de 1500 a 1516. Así en marzo de 1500 está en Venecia, de donde pasa a Mantua para hacer el retrato de Isabel de Este; en Florencia al año siguiente, compone el cartón de Santa Ana para los servitas, esbozo para el cuadro que posee el Louvre; en 1502, entrado al servicio de César Borgia como ingeniero militar, inspecciona las fortalezas de Rimini, Pésaro, Cesena, Piombino y Siena; en 1503, con la caída del Borgia, vuelve a Autorretrato de Leonardo da Vinci. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. Florencia, donde retrata bellas damas: Ginebra de Vencí y Monna Lisa, tercera mujer del comerciante Giocondo, llamada por ello la Gioconda, en cuya efigie de medio cuerpo trabajó el pintor a lo largo de cuatro años. En 1507 viaja por la Lombardía; en 1510 está nuevamente en Florencia; dos años más tarde se halla en Milán y de allí parte a Roma, de donde vuelve a Milán y conoce a Francisco I, quien apreciando su alto valor, se lo lleva consigo a Francia, donde reside el resto de su vida. Leonardo destacó por encima de sus contemporáneos como científico. Sus teorías en este sentido, de igual modo que sus innovaciones artísticas, se basan en una precisa observación y documentación. Comprendió, mejor que nadie en su siglo y aún en el siguiente, la importancia de la observación científica rigurosa. Desgraciadamente, del mismo modo que frecuentemente podía fracasar a la hora de rematar un proyecto artístico, nunca concluyó sus planificados tratados sobre diversas materias científicas, cuyas teorías nos han llegado a través de anotaciones manuscritas. Los descubrimientos de Leonardo no se difundieron en su época debido a que suponían un avance tan grande que los hacía indescifrables, hasta tal punto que, de haberse publicado, hubieran revolucionado la ciencia del siglo XVI. De hecho, Leonardo anticipa muchos descubrimientos de los tiempos modernos. En el campo de la anatomía estudió la circulación sanguínea y el funcionamiento del ojo. Realizó descubrimientos en meteorología y geología, conoció el efecto de la Luna sobre las mareas, anticipó las concepciones modernas sobre la formación de los continentes y conjeturó sobre el origen de las conchas fosilizadas. Por otro lado, es uno de los inventores de la hidráulica y probablemente descubrió el hidrómetro; su programa para la canalización de los ríos todavía posee valor práctico. Inventó un gran número de máquinas ingeniosas, entre ellas un traje de buzo, y especialmente sus máquinas voladoras, que, aunque sin aplicación práctica inmediata, establecieron algunos principios de la aerodinámica. Un creador en todas las ramas del arte, un descubridor en la mayoría de los campos de la ciencia, un innovador en el terreno tecnológico, Leonardo merece por ello, quizá más que ningún otro, el título de Homo universalis. 51 �Breve historia de la ingeniería mecánica. Parte I / Oscar Mauricio Barajas Pinzón INICIOS DE LA MECANICA CELESTE Kepler y Copérnico. El desarrollo de la mecánica celeste contribuiría posteriormente al desarrollo de la ingeniería mecánica, en cuanto al entendimiento del movimiento de los cuerpos en el espacio. Las “Tablas de Tolomeo”, síntesis de la ciencia antigua en astronomía, fueron aumentadas por los árabes y reeditadas por Alfonso el Sabio. Eran listas de posiciones de estrellas que servían para ubicar lugares donde se encontraban los viajeros. En cuanto a estrellas fijas, poco había que añadir a la compilación de Tolomeo; pero los planetas, con sus movimientos erráticos en la inmensidad del espacio, fueron un enigma para los astrónomos antiguos y continuaban siéndolo al terminar la Edad Media. La explicación no se podía elaborar mientras se persistiera en creer en el sistema planetario geocéntrico, es decir, con la Tierra en el centro; en cambio, el vagar de los planetas quedaba explicado con sólo hacer el mismo sistema planetario heliocéntrico, esto es, con el Sol en el centro. Tal simple enunciado es obra de Copérnico. Recientemente se ha comprobado que ya en la antigüedad Aristarco de Samos y Arquímedes sospecharon que el Sol era el centro del sistema La observación del cielo produjo un gran avance en las leyes de la mecánica. 52 planetario. En época de Copérnico, no se había inventado todavía los telescopios, por lo que observaba las estrellas a través de unas rendijas practicadas en las paredes de su casa. Convenientemente colocado dentro de la habitación, espiaba el tránsito o paso de cada estrella por el meridiano, al divisarla por la rendija. La altura, o ángulo sobre el horizonte, la medía con un simple cuadrante. Con estos primitivos y deficientes métodos de observación, invirtió Copérnico casi cuarenta años para observar lo que un astrónomo moderno, provisto de un telescopio ecuatorial, puede observar en una noche. Consignó sus observaciones y conclusiones en un libro que tituló “De Revolutionibus Orbium Coelestium”. Quien continuó con la obra de Copérnico fue Juan Kepler, quien siendo estudiante manifestó que sentía grandes deseos de “ examinar la naturaleza de los cielos, de las almas, de los genios; la esencia del fuego, el origen de las fuentes, el ascenso y descenso de las mareas, la forma de los continentes y de los mares”. Inició el estudio del número, las distancias y los movimientos de los cuerpos celestes, pero pronto recae en su incorregible imaginación y fantasía, observando que los planetas son sólo cinco, y como habían sido cinco los cuerpos geométricos regulares, era indudable que debía haber una razón divina, causa de esta igualdad y concordancia. El ordenador juicioso de la imaginación de Kepler fue el astrónomo danés Tycho Brahe, quien le decía “ No construyáis una cosmografía fundada en abstractas especulaciones, basadla en los sólidos cimientos de la observación y desde allí ascended gradualmente para averiguar las causas”. Durante varios años, valiéndose de los instrumentos de la época, y con su terquedad para repetir observaciones, Tycho Brahe compiló en Uraniborg – Dinamarca, millares de datos que después sirvieron a Kepler para formular sus famosas leyes, las cuales fueron: Primera ley: Los planetas describen órbital elípticas alrededor del Sol y éste se halla en un foco de las elipses. Segunda ley: Las líneas imaginarias que van del Sol a cada planeta recorren espacios iguales en el mismo tiempo. Tercera ley: El cuadrado del tiempo que emplea un planeta en girar alrededor del Sol es proporcional al cubo de su distancia media al Sol. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Breve historia de la ingeniería mecánica. Parte I / Oscar Mauricio Barajas Pinzóno LAS LEYES DEL MOVIMIENTO Galileo e Isaac Newton. Galileo nació en Pisa en el año 1564. Empezó estudiando para médico en la Universidad Pisana, pero pronto su vocación por las matemáticas y la física le desvió de la medicina. Su primer descubrimiento, la ley del péndulo, lo realizó cuando sólo tenía diez y siete años. Estaba en la catedral de Pisa cuando vio que para encender una lámpara, la retiraban hacia un lado. Al dejar de retenerla, una vez encendida, la lámpara oscilaba como un péndulo, con movimientos que eran cada vez menores, pero de igual duración. A falta de cronómetro, Galileo midió el compás regular de las oscilaciones de la lámpara valiéndose de los latidos de su propio pulso. Mientras el estudio de la estática se remonta al tiempo de los filósofos griegos, la primera contribución importante a la dinámica fue hecha por Galileo (15641642). Los experimentos de Galileo sobre cuerpos uniformemente acelerados condujeron a Newton ( 1642-1727) a formular sus leyes fundamentales del movimiento. La primera y tercera leyes de Newton del movimiento se usaron ampliamente en estática para estudiar a los cuerpos en reposo y las fuerzas que actuaban sobre ellos. Estas dos leyes se emplean también en dinámica; de hecho son suficientes para el estudio del movimiento de los cuerpos cuando no hay aceleración. Pero cuando los cuerpos están acelerados, es necesario utilizar la segunda ley de Newton para relacionar el movimiento del cuerpo con las fuerzas que actúan sobre él. Páginas del libro de Galileo, Diálogos acerca de dos nuevas ciencias, ilustrando principios de la mecánica. En el año 1586 realizó interesantes descubrimientos de hidrostática, que le dieron celebridad y pronto fue nombrado profesor de matemáticas de la Universidad de Pisa. Allí continuó sus estudios sobre la caída de los cuerpos. Galileo llegó a la conclusión de que la velocidad de un cuerpo al caer depende del tiempo que ha estado cayendo, esto es, que al empezar va despacio y aumenta su velocidad a cada unidad de tiempo, y que los espacios recorridos al caer son proporcionales a los cuadrados de los periodos de tiempo durante los cuales el cuerpo ha estado cayendo. Como se ve en la formulación de estos principios, Galileo podía formular la Ley de la Gravedad, aunque sin darle el carácter de Ley del Universo, que es lo que hace sublime la Ley de Gravitación Universal de Newton. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. Isaac Newton (1642-1727) completó la estructura de la mecánica clásica. Nota del editor: Las partes II y III de esta historia de la Ingeniería Mecánica se publicarán en nuestros números 20 y 21, respectivamente. 53 �Método de las componentes de los voltajes de nodo para la determinación de los factores de penalización Eduardo Sierra Gil, Eugenio Martínez Balanqué Universidad de Camagüey, Facultad de Electromecánica. Carretera Circunvalación Norte Km. 5, Camagüey, CP 74650. Cuba. Tel: 53-322-61019 ext. 266. Fax: 53-322-61126, E-mail: sierra@em.reduc.edu.cu ABSTRACT This work describes a new method for the determination of penalty factor in economic dispatch with transmission losses, It is called Nodes Voltages Components Method and it is based on the expression of the apparent power losses and considerably simplifies the calculation process. KEYWORDS Economic Dispatch, Penalty Factor, Power Losses. RESUMEN Este trabajo describe un nuevo método para la determinación de los factores de penalización durante el despacho económico de carga, teniendo en cuenta la pérdidas en la transmisión. Este método, denominado Método de las componentes de las tensiones nodales, está basado en la expresión de las pérdidas de potencia aparente y simplifica considerablemente el proceso de cálculo. PALABRAS CLAVE Despacho Económico, Factor de penalización, Pérdidas de potencia. INTRODUCCIÓN La distribución óptima de la Carga entre Plantas Generadoras o Despacho Económico de Carga es una tarea de suma importancia durante la explotación de los Sistemas Eléctricos de Potencia, ya que permite determinar las potencias activas de las fuentes de alimentación en correspondencia con el mínimo de gastos de combustible convencional y por lo tanto con el mínimo de costos en las centrales eléctricas considerando las pérdidas en la red; además constituye lo que se denomina regulación terciaria de la frecuencia, regulación que es relativamente lenta, su proceso de automatización es poco avanzado y se considera una etapa superior de los centros de despacho de cargas. En la tarea de optimización de las potencias activas entre las plantas generadoras juegan un papel importante las vías y métodos para la determinación de los factores de penalización de las mismas. En el presente trabajo se propone dar una visión general de cómo en la actualidad se resuelve este problema con la 54 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Método de las componentes de los voltajes de nodo... / Eduardo Sierra Gil et al Una de las formas de evaluar el ∂Pl es por medio ∂Pi de los coeficientes B, este método consiste en aproximar las pérdidas de potencia activa a una función cuadrática de las potencias producidas por los generadores (ver figura 2). utilización de la computadora y además fundamentar teóricamente una propuesta innovadora que utiliza por primera vez expresiones para el cálculo de estos factores que sólo dependen de los voltajes obtenidos durante la corrida de un programa para el cálculo de los regímenes estacionarios del sistema. MÉTODO ACTUAL PARA LA DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE PENALIZACIÓN MEDIANTE LAS COMPUTADORAS. Para considerar la influencia de las pérdidas de las líneas, sobre la distribución económica de la carga entre los diferentes generadores del sistema, es necesario determinar para cada uno su factor de penalización expresado según la ecuación (1) y que como se aprecia en la figura 1 modifica los costos incrementales de las plantas generadoras: Li = 1 ∂Pl 1− ∂Pi (1) Fig. 2. Potencias activas inyectadas en cada nodo de una red simple. Pl = ∑∑ Bij ⋅ Pi ⋅ Pj + ∑ Bi 0 ⋅ Pi + B00 i j i (2) Si se conoce Bij, Bi0 y B00, se puede obtener el factor de penalización como: ∂Pl = 2 ⋅ ∑ Bij ⋅ Pi + Bi 0 ∂Pi i (3) Sin embargo este método además de ser muy laborioso depende de la configuración de la red, impedancia, longitud, etc. La posibilidad de utilizar la computadora permite seguir otros caminos para alcanzar el mismo objetivo. Existen diversas formas de resolver el problema pero todas requieren el desarrollo de cálculos complejos que llevan un tiempo de máquina apreciable. Uno de los métodos más sencillos, aunque supone algunas simplificaciones consiste en determinar ∂Pl ∂Pi de la siguiente forma: k ∂P ∂θ j ∂Pl =∑ l ∂Pi j =1 ∂θ j ∂Pi Fig. 1. Dependencia de los costos incrementales con respecto al factor de penalización. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. (4) donde k es el número de barras o nodos del sistema, j es el nodo considerado, e i la planta analizada. Recordando que la potencia activa que se trasmite entre dos barras se puede expresar como la parte real del producto de la corriente por la conjugada del 55 �Método de las componentes de los voltajes de nodo... / Eduardo Sierra Gil et al voltaje y que las pérdidas se determinan, como la suma de las potencias que entran a la línea por sus dos extremos tenemos que: Pij=ReVi*[(Vi-Vj)(Gij+jBij)] (5) Pl=Pij+Pji (6) Basándonos en estas expresiones, podemos decir que la potencia total que entra en la red por el nodo i, esta dada por: k Pi = 2Vi 2 Gii + ViBii − ∑ ViVjGij cos(θi − θ j ) j =1 k − ∑ ViVjBijsen (θi − θ j ) j =1 (7) k j =1 j =1 Pl = 2∑ Vi 2 Gii −∑ ViVjGij cos(θ j − θi ) (8) De donde se deduce que: ∂Pl = 2∑ ViVjGijsen(θ j − θi ) ∂θ j (9) Esta expresión permite determinar el primer término de la ecuación: Bij = cos(αi − αj ) ViVj ( Fpi )( Fpj ) m ∑ NkiNkjRk (10) k =1 Usada normalmente para hallar los coeficientes B. La mayor dificultad de este método consiste en evaluar ∂θ j ya que no se puede obtener una ∂Pi expresión que pueda ser diferenciada, ahora bien como este término expresa la variación del ángulo de fase del voltaje en el nodo j cuando se varía la potencia de la planta i, si todas las demás plantas mantienen su generación constante, el término puede evaluarse para incrementos discretos de carga con la ayuda de un programa de flujo de carga. Así para un estado de operación dado la carga total del sistema se incrementa y todo este aumento más las nuevas pérdidas son suministradas por la planta i, lo que permite evaluar la relación. 56 ∆Pi Este proceso se repite por todas las plantas del sistema lo que permite calcular un conjunto de coeficientes Aij Aij = ∆θ j (11) ∆Pi Entonces el incremento de pérdida se determina mediante: k ∂Pl ∂Pl =∑ Aij ∂Pi j =1 ∂θ j (12) Con lo cual se puede calcular el factor de penalización. Y las pérdidas totales serán: k ∆θ j MÉTODO DE LAS COMPONENTES DE LOS VOLTAJES DE NODOS PARA EL CÁLCULO DE LOS FACTORES DE PENALIZACIÓN. Las pérdidas de potencia aparente en las redes eléctricas pueden ser calculadas por la expresión: m ∆S = ∑ Ik ∆U k * (13) k =2 Donde: Ik: Corriente que circula por la rama. * ∆ U k : Conjugada de la caída de tensión desde el nodo k hasta el nodo de balance que es aquel que entrega la potencia requerida para suministrar las pérdidas del sistema y que se cumpla el balance de las potencias activas, se toma como referencia y por tanto el ángulo del voltaje en este nodo es igual a cero. Por tal motivo la expresión (13) puede transformarse en: m Sk k =2 Uk ∆S = ∑ * * ⋅ (Ub − U k ) (14) Si el nodo 1 es tomado como nodo de balance. Multiplicando los términos de la sumatoria por la conjugada del término inferior obtenemos: Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Método de las componentes de los voltajes de nodo... / Eduardo Sierra Gil et al m ∆S = ∑ S k ⋅ Ub ⋅ Uk − U k 2 − k =2 (15) U k2 − − m ∆S = ∑ S k ⋅ ( − k =2 Ub ⋅ U k − 2 Uk − 1) (16) − Consideremos que: U k = Uak + jUrk (17) − Después de algunas sencillas operaciones y utilizando las reglas de multiplicación de números complejos la expresión se transforma en: Ub⋅Uak Ub⋅ Urk ∆S = ∑((Pk ⋅ ( −1) − Qk ⋅ ( )) + 2 − Uk Uk2 k =2 m − − Ub ⋅ Urk Ub ⋅ Uak + j ( Pk ⋅ ( ) + Qk ( − 1))) 2 Uk U k2 (18) − − Si conocemos que: ∆S ∑ = ∆P∑ + j∆Q∑ (19) − Entonces: m Ub ⋅ Uak Ub ⋅ Urk ∆P∑ = ∑ ( Pk ( − 1) − Qk ( )) 2 Uk Uk 2 k=2 − − (20) Ub ⋅ Urk Ub ⋅ Uak ∆Q∑ = ∑ ( Pk ( ) + Qk ( − 1)) 2 Uk Uk 2 k=2 m − − Como puede observarse en las expresiones (20) y (21) las pérdidas totales del sistema tanto reactivas como activas han quedado expresadas como una función de las potencias generadas y consumidas en los nodos del sistema (de carga o de generación) y además como una función que depende de las componentes activas y reactivas de las tensiones en los nodos, las cuales nos permiten con extrema facilidad determinar los llamados coeficientes de pérdidas activas de las estaciones ( ) y a través de ellos los diferentes factores de penalización de las diferentes plantas generadoras. Esto se logra si derivamos las pérdidas de potencia activa con respecto a cada una de las potencias generadas por las diferentes plantas. En forma general puede plantearse que: σk = ∂∆Pk ∂Pk (22) Para una estación K cualquiera que sea: (21) σk = Ub ⋅ Uak −1 Uk 2 − σk = Ub ⋅ Uak −1 (Uak ) 2 + (Urk ) 2 (23) De aquí pueden ser calculados los factores de penalización de cada planta, según la expresión conocida. Lk = Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 1 1 −σk (24) 57 �Método de las componentes de los voltajes de nodo... / Eduardo Sierra Gil et al RESULTADOS De acuerdo a lo antes expuesto, el presente método es más eficiente y requiere menos información para llegar al mismo resultado. A fin de mostrar este aspecto, se hace una comparación del método propuesto, basado en las componentes de los voltajes de nodo, y el método de los coeficientes B, utilizando el sistema de potencia de prueba mostrado en la figura 3. En este caso se determina el factor de penalización que afecta al costo incremental de la planta No 1 tomando como nodo de balance la planta No 2. Fig. 3. Monolineal del Ejemplo 1. En la tabla I se muestran el número de operaciones y el tiempo de cómputo promedio empleado por ambos métodos. Tabla I. Comparación de métodos. MÉTODO L1 TIEMPO # DE DE OPERACIONES CÓMPUTO (s) Coeficientes B 0.995 19 0.1967 Componentes de los voltajes de nodo 0.9945 8 0.0097 estado de carga determinado y no se hace necesario realizar corridas para intervalos discretos de carga. La interacción entre el flujo de carga y el método de las componentes de los voltajes de nodos se realiza en la práctica de una forma sencilla y rápida de programa. REFERENCIAS 1. C.C. Caroe, M.P. Nowak, W. Römisch, R. Schultz. Power scheduling in a hydro-thermal system under uncertainty, Proceedings 13th Power Systems Computation Conference (Trondheim, Norway, 1999), Vol. 2, 1086-1092. 2. C.M. Shen. Determination of power system operating conditions under constraints, Proceedings IEEE, Vol 116, No 2, 1969. 3. D. Dentcheva, W. Römisch. Optimal power generation under uncertainty via stochastic programming, in: Stochastic Programming Methods and Technical Applications (K. Marti and P. Kall Eds.), Lecture Notes in Economics and Mathematical Systems Vol. 458, SpringerVerlag, Berlin 1998, 22-56. 4. J. Guddat, W. Römisch, R. Schultz. Some applications of mathematical programming techniques in optimal power dispatch, Computing 49 (1992), 193-200. 5. Miriam López, Carlos Haug. Optimización de la distribución de potencia activa usando programación lineal, Energética II, Vol XV, 1994. 6. Rothelder Mark. MD02 Real Time Economic Dispatch (RTED) and Uninstructed Desviation (UID) Penalties, Market Issues Forum, California ISO, 2002. Se puede apreciar que el resultado es prácticamente el mismo (L1), con un menor número de operaciones y, en consecuencia, un menor tiempo de cómputo. CONCLUSIÓN Al incorporar al método de los multiplicadores de Lagrange el método de las componentes de los voltajes de nodos para la determinación de los factores de penalización se ahorra considerablemente tiempo de cómputo al no tener que recurrir a los coeficientes B ya que este método permite resolver la expresión no derivable del coeficiente incremental de pérdidas mediante la corrida de un flujo de potencia para un 58 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Eventos I. CONSEJO DE ESTUDIOS DE POSGRADO DE LA FIME-UANL El 10 de marzo pasado se dieron cita a las 18:00 horas, en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, el Director de esta dependencia, el M.E.C. Rogelio Garza Rivera, y parte del claustro académico de la División de Posgrado de la FIME para proceder a la instalación de su Consejo de Estudios de Posgrado. Este Consejo, en donde participan personalidades de la industria regional, tiene entre otras funciones el promover ante la Subdirección de Posgrado iniciativas tendientes al mejoramiento de los estudios de posgrado, el realizar evaluaciones académicas del cuerpo de profesores del posgrado y sobre todo, el promover la vinculación del sector industrial regional con los programas de posgrado de la FIME. Algunos de los integrantes de este Consejo son el Dr. Raúl Quintero, presidente del consejo y Director General de HYLSA División Tecnología y Minas; el Dr. Héctor Altuve Ferrer, Director General de SEL; el Ing. Hugo Bolio Arceo, Vicepresidente de Tecnología de CEMEX; el Dr. Ignacio Alvarez Elcoro, Director de Planeación, Proyectos y Servicios Consejo de Estudios de Posgrado de la FIME-UANL Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. Tecnológicos de HYLSA; Dr. Juan Luis San José, Director de Finanzas de ALPEK. Esperemos que la vinculación con las industrias regionales, característica de los posgrados de la FIME, se vea fortalecida con la operación de este Consejo. II. COLOQUIO SOBRE MATERIALES El día 21 de febrero de 2003 se llevó a cabo el VII Coloquio de Investigación en Materiales, con la participación del cuerpo de investigadores del Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la FIME. Cada investigador presentó los aspectos más relevantes de las líneas de trabajo en que actualmente se encuentran desarrollando investigación. Las diferentes ponencias abarcaron aspectos tanto de investigación básica como de investigación aplicada a problemas industriales específicos. La inauguración corrió a cargo del Dr. Ignacio Alvarez Elcoro, de Hylsa. En la ponencia “Investigación en Cerámicos”, el Dr. Tushar Das presentó un panorama general de las tendencias en este campo. El Dr. Ubaldo Ortiz discutió acerca de la síntesis y aplicación de diversas nanoestructuras, así como las iniciativas de apoyo a la nanotecnología en su ponencia “Nanotubos”. Los “Aspectos autoafines y multiescalares en la fractura de materiales” como aluminio, vidrio y nylon fueron presentados por el Dr. Moisés Hinojosa. En la ponencia del Dr. Carlos Guerrero, “Polímeros en el posgrado de la FIME”, se describieron algunos proyectos sobre materiales plásticos que se realizan en conjunto con instituciones como el CIQA (Centro de Investigación en Química Aplicada), la Universidad Paul Sabatier (Francia) y otras. El Dr. Juan Antonio Aguilar Garib planteó la 59 �Eventos El Dr. Juan Antonio Aguilar durante su conferencia en el VII Coloquio de Investigación en Materiales. posibilidad de sintetizar compuestos cerámicos para la fabricación de termistores, mediante tecnología desarrollada en la FIME, en su ponencia “Sinterización de compuestos níquel-manganeso mediante microondas”. En su ponencia “Simulación, modelación y caracterización de procesos de manufactura metalmecánica”, el Dr. Rafael Colás enfatizó que “la automatización y optimización de los procesos industriales requiere del conocimiento de las funciones matemáticas que describen dichos procesos”. Resultados en el área de biomateriales y avances de una ley universal de erosión fueron presentados en “Tribología: ciencia y arte, presente y futuro” por el Dr. Alberto Pérez. Otras interesantes ponencias fueron: “Algunas líneas y proyectos de investigación en polímeros”, a cargo del Dr. Virgilio González;“Investigación aplicada en refractarios y aislantes”, por el Dr. Alan Castillo; y “Simulación de Procesos”, a cargo de la Dra. Martha Guerrero, quién además fue la organizadora del evento. Para cerrar el evento, el M.C. Guadalupe Cedillo realizó una síntesis retrospectiva de la evolución del Programa Doctoral y de la investigación en la FIME. III. CONGRESO DE DISEÑO E INGENIERIA DE MATERIALES 2003 Los días 12, 13 y 14 de Marzo se efectuó en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la 60 Universidad Autónoma de Nuevo León el Congreso de Diseño e Ingeniería de Materiales 2003, el cual fue organizado por los Departamentos de Diseño de Sistemas Mecánicos y Ciencia e Ingeniería de los Materiales de la División de Ingeniería Mecánica. El objetivo del congreso fue reunir profesionistas con experiencia en las ramas del Diseño Mecánico e Ingeniería de Materiales para que compartieran los conocimientos adquiridos en su práctica profesional con los estudiantes de la FIME de las carreras de Ingeniería de Materiales, Ingeniero Mecánico Electricista, Ingeniero Mecánico Administrador e Ingenieros en Manufactura, con el fin de que tengan una visión clara del campo laboral de la Ingeniería Mecánica. Se contó con la presencia de expositores de alto nivel y amplia experiencia en sus respectivas ramas de las empresas: NEMAK, Cervecería Cuauhtemoc Moctezuma, KENTEK, CAD, así como de organizaciones como el Colegio de Ingenieros Civiles del Estado de Nuevo León, la Facultad de Físico Matemáticas, Facultad de Ciencias Químicas y de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. La ceremonia de inauguración estuvo a cargo del M.E.C. Rogelio Garza Rivera, Director de la FIME, en el auditorio Raúl Quintero de la misma facultad. En su discurso se dirigió a los alumnos de la facultad poniendo énfasis en la importancia que la Ingeniería Mecánica en general tiene para la industria de nuestro país y particularmente en nuestra región en la que diariamente se exige a los profesionistas un desempeño de más calidad y conocimientos actualizados no solo de la Ingeniería Mecánica sino de todas las ramas de la ciencia con que se tenga contacto. El Ing. Alejandro Escudero de la empresa NEMAK, impartiendo su conferencia durante el Congreso de Diseño e Ingeniería de Materiales 2003 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Reconocimientos I. GRUPO DE LOS CIEN El pasado 22 de Octubre de 2002 se llevó a cabo, en la Biblioteca Universitaria “Raúl Rangel Frías” de la Universidad Autónoma de Nuevo León, la ceremonia de entrega de reconocimientos para el “Grupo de los Cien”, el cual está formado por los alumnos que obtuvierón las más altas calificaciones en las diferentes carreras que imparte la FIME, durante el semestre anterior. A continuación se listan los nombres de los alumnos que se hicieron merecedores a dicho reconocimiento: GONZALEZ CANTU,ALAN ROBERTO RODRIGUEZ AZUARA,HECTOR OMAR ROBLEDO FALCON,SUSANA NOHEMI SANCHEZ ESCOBEDO,ALBA LIZETH VERASTEGUI HERRERA,MARIA DEL REFUGIO PEÑA BARRERA,SANDRA IVETH RAMIREZ MENDOZA,RAMON ELYUD GARCIA MASETTO,EDGAR ENRIQUE TINOCO VAZQUEZ,EFREN IVAN TIJERINA RAMOS,KARINA ELIZABETH VILLARREAL VERASTEGUI,FCA. ISABEL CORONADO PEREZ,JOSE ANDRES MARTINEZ GUERRA,DIANA MAYRA GARCIA SANCHEZ,PABLO GUADALUPE OLIVO AYALA,ARACELY SALAS GONZALEZ,EDUARDO SAMANO CIENFUEGOS, HILDA CARDENAS MEJIA,CECILIA ARACELI LOPEZ VERASTEGUI,JOSE ANGEL GUEL GONZALEZ,ILEANA IVETTE ORTIZ AVILA,EDGAR ALBERTO GOMEZ CHAPA,ARMANDO GABRIEL CARRERA CARDENAS,HECTOR ALFONSO FLORES ANGEL, CLAUDIA YESSICA APARICIO CARDENAS,OLGA LYDIA Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. MARTINEZ ANDRADE,MARTHA LUISA GONZALEZ RIVERA,ANTONIO GUADALUPE GUARDADO GUERRA,RICARDO GARCIA RAMIREZ,JOSE ROBERTO TORRES RUIZ,SIDANA EDITH ORTIZ JASSO,GUILLERMINA LOPEZ FLORES,PAOLA NOHEMI BRIONES DAVILA,JESIKA DENISSE ORTIZ LOPEZ,ALPHA ERI GARZA AMARO,YADIRA MARLEN CHANES LOZANO,ENRIQUE MICHEL JUAREZ ALDAPE,HILARIO JAVIER ZAMORA CRISOSTOMO,JUAN PABLO HERNANDEZ CASTILLO, JOSUE BENITEZ SALAS,MARGARITA VALDEZ JARAMILLO, HECTOR RODRIGUEZ DIAZ, IRASEMA YANETH DEL CASTILLO RAMIREZ,JOSE OMAR CASTRO MOLINA,KRISTIAN SALVADOR LOZANO CISNEROS,JORGE RENE ZANELLA GOMEZ, JESSICA PATRICIA JIMENEZ BAUTISTA,JUAN CARLOS CALDERON PANUCO,MARIANELA RAMOS MUÑOZ,FRANCISCO FABIAN TREVINO LOZANO,ADRIAN SALAS ZAMARRIPA,ROCIO LILIAN DE LA CRUZ SANCHEZ, HUGO CASTILLO CEDILLO,AMANDA LEONOR PATLAN CASTILLO,JUANITA DE JESUS REYES VALDEZ,DAVID ALEJANDRO DIAZ HERNANDEZ,LAURA ROSALBA RAMIREZ GARCIA,RICARDO GARCIA VILLAREAL,KARLA YADIRA GALVAN CASTILLO,MARIBEL GARCIA DUARTE,JOSE HILARIO ORTIZ GARCIA,JUAN MANUEL ACEVEDO DE LA ROSA,ILEANA LETICIA BORREGO GARZA,ALDO WILLIAM VIDAL VALLEJO,JESUS 61 �Reconocimientos INFANTE VIELMA, ITIMAD KARINA IBAÑEZ TOBIAS,ALAN AZAHEL GALVAN CANTU,LILIANA VARGAS CASTILLO,MARIA GUADALUPE GARCIA GARCIA,JUAN MANUEL PEREZ SAUCEDO,JESUS RICARDO VALERIO VAZQUEZ,JUAN MIGUEL NORIEGA SOTO, MARIA ESCAMILLA SANCHEZ,JORGE ENRIQUE ESCANDON TOVAR,CONSUELO ELIZABETH CENICEROS GUZMAN, ISMAEL SALOMON MARTINEZ HERNANDEZ,ELSA PALOMA REYES MARTINEZ,JOSE FERNANDO ELIZARRARAZ SOTO,JOSE PAUL LOERA LOPEZ, LEONEL JACOB ESCAREÑO FAZ,NESTOR ALEJANDRO MORENO ARREOLA,DANIELA ALEJANDRA ROBLES PERALES,YENI TORRES GARCIA,MIGUEL ANGEL VILLARREAL SOLIS,FELIX CARLOS DELGADO GARIBAY, HECTOR ALEJANDRO ZAMARRIPA OCAMPO,ARMANDO OCTAVIO LOPEZ MALDONADO, JOSE MANUEL SALAZAR TOBIAS,MIGUEL ANGEL RIOS FLORES,ELIANA LIZET HERNANDEZ WONG, EDER TORRES QUIROZ, OSCAR ALBERTO FLORES VILLARREAL,MARCO ANTONIO VAZQUEZ CRUZ,VICTOR MANUEL TORRES DUARTE, CARLOS IVAN SALAZAR GARZA,JOSE MANUEL SANCHEZ GARZA,ELVIA GIMENA GAONA GARZA,EDGARDO AARON RAMIREZ RAMIREZ,EMMA ROCIO PEREA PADILLA,MANUELA ARIZBET DEL VALLE MEDINA,MIRYAM CONTRERAS HERNANDEZ,GEO ROLANDO SILVA SALAZAR,KENIA El M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Director de la FIME-UANL, acompañando a los alumnos del “Grupo de los 100” después de la ceremonia de entrega de sus reconocimientos por su alto desempeño académico. 62 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Dr. Francisco Eugenio López Guerrero Ingeniero Mecánico Electricista (1984) e Ingeniero en Control y Computación (1988) por la UANL. En 1994 obtuvo el grado de Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas en la misma Universidad, desarrollando su tesis “Integración de una celda de Manufactura en un ambiente DAE” en la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Diplomado en Celdas de Manufactura/CIM en la Universidad de TelAviv, Israel. Su proyecto doctoral fue desarrollado trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Es profesor de tiempo completo de la División de Ingeniería Mecánica de la FIME, ha participado en la Instalación y puesta en marcha del Centro de Manufactura Integrada por Computadora y la creación del programa de Maestría en Manufactura de la FIME. Título obtenido: Doctor en Ingeniería de Materiales. Nombre de la tesis: Estudio de maquinabilidad para aleaciones de aluminioAl-MgSi 6063. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. Resumen: El mejoramiento del código de control numérico se logra bajo criterios específicos, afectando uno o más de los parámetros de corte. El valor de la velocidad de avance de la herramienta se ve influído no solamente por las propiedades de los materiales involucrados, sino por las características del control de la máquina-herramienta. La velocidad de avance puede ser mejorada considerando los cambios implícitos en la cinemática de la máquina-herramienta bajo la óptica de una condición de maquinabilidad. Encontrar una metodología de análisis de maquinabilidad permite mejorar el código de maquinado. Para atacar la problemática que presenta el clasificar grados de maquinabilidad se han utilizado técnicas basadas en costos y desgaste de herramental, esencialmente. Estas técnicas se basan tradicionalmente en ensayos de maquinado ortogonal, de lo cual resultan inexactitudes y desviaciones para maquinados en tres o más grados de libertad en la herramienta. La investigación desarrollada propone la posibilidad de evaluar cuantitativamente el proceso de maquinado de un material en particular y encontrar una metodología para establecer relaciones para una clase de materiales en general. Se utilizan técnicas tales como análisis estadístico y evaluación de relación entre ensayos, reforzadas con el análisis del proceso (cálculo de remoción y de trayectorias, entre otras). Como caso de estudio se usó el fresado de una superficie plana en una aleación trabajada de aluminio AlMgSi 6063 en un centro de maquinado con parámetros de corte seleccionados en base a la observación de la generación de viruta y la temperatura medida por medio de la emisión de ondas infrarrojas como variables del proceso. 63 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Diciembre 2002 - Febrero2003 Guadalupe Alan Castillo Rodríguez Sub-Director de Estudios de Posgrado de la FIME-UANL Rosa Ma. Reséndez Hinojosa, M.C. Administración con Especialidad en Sistemas, “Automatización del flujo de la información aplicada a la atención ciudadana del municipio de San Pedro Garza García, N.L.”, 14 de Diciembre de 2002. Vicente Espinoza Cantú, M.C. Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Pruebas de compresión de anillos para el estudio de la fricción con diferentes lubricantes ”, 16 de Diciembre de 2002. Laura Ortiz Rivera, M.C. Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Efecto de la cristalización dinámica en la autoafinidad del Pet”, 17 de Diciembre de 2002. Nury M. Leal Rendón, M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Diseño de un sistema sociotécnico en la empresa Workspaces que ayuda a organizarse para trabajar con conceptos de manufactura de clase mundial”, 17 de Diciembre de 2002. Héctor M. Raga Vela, M.C. Administración con Especialidad en P roducción y Calidad, “Integración de una empresa de servicio”, 18 de Diciembre de 2002. Fernando Montemayor Ibarra, M.C. Ingeniería de Manufactura con Especialidad en Automatización, “Simulador para fresadora de control numérico computarizado F3-Cnc”, 18 de Diciembre de 2002. Luis A. Ramón Villegas , M.C. Administración con Especialidad en Producción y Calidad, “Sistema de inventarios en la planta de manufactura de tubería”, 20 de Enero de 2003. 64 Salvador I. González Wallmark , M.C. Administración con Especialidad en Producción y Calidad, “Sistemas de información para el cálculo de requerimientos para producción: enfoque de sistemas”, 22 de Enero de 2003. Jesús H. Gutiérrez Cantú, M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Administración de la transferencia y asimilación de tecnología para alumnos de Licenciatura en Administración de Facpya (Facultad de Contaduría Pública y Administración), de la UANL”, 29 de Enero de 2003. Aracely G. Álvarez Carvajal, M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Evaluación de desarrollo profesional del técnico egresado del Centro de Bachillerato Tecnológico Industrial y Servicios No. 22”, 4 de Febrero de 2003. José Díaz Montalvo, M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Resistencia al cambio en la estructura de las organizaciones”, 10 de Febrero de 2003. Blanca A. Bustos Luna, M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Importancia del ambiente en la calidad de trabajo”, 12 de Febrero de 2003. María Elena Cantú Hernández, M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Programa de motivación para mejorar la relaciones interpersonales de la Preparatoria No. 23 de la U.A.N.L. en el Departamento Escolar”, 19 de Febrero de 2003. Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Titulados a nivel Maestría en la FIME / Guadalupe Alan Castillo Rodriguez Alethya D. Salas Armendáriz, M.C. Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Control, “Caracterización de la sensibilidad a ciertas fallas multiplicativas de los generadores de residuos basados en observadores”, 21 de Febrero de 2003. Román A. Guerrero González, M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Diseño de un Departamento de Sistemas en la Facultad de Arquitectura de la Universidad Autónoma de Nuevo León”, 28 de Febrero de 2003. Francisco Gerardo Treviño Barrera , M.C. Administración con Especialidad en Relaciones Industriales, “Diseño de un Departamento de Sistemas en la Facultad de Arquitectura de la Universidad Autónoma de Nuevo León”, 28 de Febrero de 2003. Oscar F. Villarreal Vera, M.C. Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Recristalizacion de cinta de acero laminado en frío 1006 en hornos de recocido tipo campana”, 28 de Febrero de 2003. Iván Ernesto Macías Cardoso, M.C. Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Control, “Diseño de controladores no lineales por medio de la formulación hamiltoniana con aplicación al generador síncrono ”, 28 de Febrero de 2003. Jesús E. Páez Castillo, M.C. Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Control, “Recobro de sensibilidad a ciertas fallas multiplicativas de los generadores de residuos basados en observadores”, 28 de Febrero de 2003. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA CONGRESO DE INGENIERÍA TÉRMICA E HIDRÁULICA 2003 10 – 12 de Septiembre de 2003 Sede: FIME-UANL Los Departamentos de Ingeniería Térmica e Ingeniería Hidráulica de la FIME-UANL se complacen en invitarlo a participar en su Congreso de Ingeniería Térmica e Hidraulica 2003, que se llevará a cabo los días 10, 11 y 12 de Septiembre de 2003 en esta Facultad. El objetivo fundamental del evento es difundir los nuevos desarrollos y tendencias en las áreas de Ingeniería Térmica e Hidráulica. Entre las actividades que se desarrollarán se incluyen conferencias, exposiciones y concursos. INVITACIÓN A PONENTES Los interesados en participar con una ponencia o un póster deberán enviar un resumen de 500 palabras por correo electrónico a las direcciones: jaguilar@gama.fime.uanl.mx o jafranco@gama.fime.uanl.mx o al Fax (81)8332-0904. La fecha límite para la recepción de resúmenes será el 21 de Julio de 2003. PARA MAYOR INFORMACIÓN Página del evento: http://grafito.fime.uanl.mx/termica_hidraulica/congreso2003.html Departamento de Ingeniería Térmica Juan Antonio Aguilar Garib E-mail: jaguilar@gama.fime.uanl.mx Departamento de Ingeniería Hidráulica Juan Antonio Franco Quintanilla E-mail: jafranco@gama.fime.uanl.mx Tel: (81) 8329-4020 Ext 5843. Fax: (81) 8332-0904 Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 65 �Acuse de recibo Revista ¿CÓMO VES? Libro SYNTHETIC COORDINATION &... La revista ¿Cómo ves? es una publicación mensual de la Dirección General de Divulgación de la Ciencia de la Universidad Nacional Autónoma de México. En esta publicación se abordan temas sobre investigaciones y resultados recientes, así como artículos de conocimiento histórico general, básicamente de las áreas de las ciencias naturales. También divulgan artículos sobre temas tecnológicos, por ejemplo, en la revista No. 50, Año 5, publicó un artículo sobre Nanotecnología, en donde da una breve y clara explicación del significado y la importancia que diariamente adquiere el nanomundo y su estudio. La revista también cuenta con un espacio para que estudiantes de cualquier grado escolar, publiquen sus comentarios, reflexiones y experiencias en torno a la ciencia. Para más información, enviar correspondencia a: Dirección General de Divulgación de la Ciencia, Subdirección de Medios de Comunicación, Circuito Mario de la Cueva s/n, Ciudad Universitaria, Delegación Coyoacán, C.P. 04510, México, D.F. Tel: 56227297, E-mail: comoves@auniversum.unam.mx Página en Internet: www.comoves.unam.mx (Adela Morales) La monografía Synthetic Coordination & Organometallic Chemistry (ISSN 0-8247-0880-6) cuyos editores son Alexander D. Garnovskii (Rostov University, Rusia) y Boris I. Kharissov (UANL, FCQ) ha sido publicada por la prestigiada editorial internacional Marcel Dekker, Inc. con sede en Nueva York. El libro, que consta de 5 capítulos y 500 páginas, esta dedicado a las técnicas modernas para la síntesis de compuestos de coordinación y organometálicos. En él se describen, además de los métodos clásicos, el uso de microondas y ultrasonido, el trabajo a temperaturas bajas (criosíntesis) o condiciones de la síntesis «directa» a partir de metales elementales. La monografia presenta, generalmente en forma tabular, los diferentes procedimientos experimentales y bases teóricas de la química de coordinación. Además de su uso para fines académicos, el libro puede ser de gran utilidad a ingenieros trabajando en áreas como: sonoquímica, electroquímica, crioquímica, microondas, corrosión, etc. Para adquirirlo puede accesar la página de la editorial en la dirección: www.dekker.com/servlet/ product/productid/0880-6 66 (F.J.E.G.) Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Acuse de recibo Revista MECHANICAL ENGINEERING Libro THE FEYNMAN LECTURES... The American Society of Mechanical Engineers edita la revista mensual Mechanical Engineering, la cual contiene temas de actualidad para el ingeniero mecánico, abarcando tópicos como computación, energía, nuevos productos, consulta de servicios, entre otros. La edición de enero del 2003 tiene como tema central los sistemas de energía alternativa donde, entre otros temas, se propone el uso del etanol y el llenar el mapa de Estados Unidos con modernos molinos de viento. También se presentan artículos sobre una nueva generación de los motores de propulsión para naves espaciales y sobre el uso del Sistema Global de Posicionamiento (GPS) para la medición de grandes estructuras como la construcción de aviones. Una sección interesante es Oportunities, en ella se publican servicios, empleos, diplomados, cursos de actualización, ofrecidos por universidades y empresas de Estados Unidos. Puede encontrar la página de Internet de esta publicación en la dirección: www.memagazin.org (Fernando Montemayor) ¿Cómo serían los apuntes de física de un premio Nobel de Física? La editorial Edison Wesley nos presenta en una serie de tres volúmenes: The Feynman Lectures on Physics, escritos por el premio Nobel de física de 1965, Richard Feynman. En esta serie se abarcan temas que van desde termodinámica, ondas y acústica, electromagnetismo, tensores (y vectores), elasticidad, mecánica estadística y mecánica cuántica. Esta obra es de interés para maestros y alumnos de cursos de física básica, dinámica, mecánica de materiales y ciencia de materiales, teoría electromagnética, entre otras. Esta publicación es indispensable en la biblioteca de todos aquellos que se dedican a las ciencias exactas e ingeniería. Una de las características más importantes de esta serie de libros es el presentar algunos temas difíciles en forma amigable, por ejemplo: Tensores, la matriz Hamiltoniana, la ecuación de Schrödinger y las funciones de amplitud dependientes del tiempo. Más información en la página de la editorial www.aw.com, para una edición más económica buscar en www.amazon.com (Fco. J. Garza Méndez) Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 67 �Colaboradores Barajas Pinzón, Oscar Mauricio Guénin, Gerard Ingeniero Mecánico y Maestría en Automatización Industrial por la Universidad Nacional de Colombia en 1995 y 2001. Cursos especializados en Manejo de Catástrofes Naturales en Francia, Holanda, Bolivia, Ecuador, Perú, Cuba y Colombia. Trabajó en la Cruz Roja Colombiana de 1997 al 2001. Actualmente es Ingeniero Supervisor de Facilidades (depuración del petróleo) en la Occidental de Colombia. Profesor del INSA de Lyon, Francia. Trabaja principalmente en transformaciones martensíticas y aleaciones con memoria de forma. Además de ser catedrático en el SGM de cursos relacionados con la Ingeniería de Materiales. Fue director de la formación del INSA de Lyon. De Araújo, Carlos J. Catedrático Investigador en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Federal de Paraíba, Brasil. Obtuvo su Doctorado en el INSA de Lyon en 1998 con relación a las aleaciones con memoria de forma y su fatiga termomecánica. Gómez de la Fuente, Idalia Obtuvo su doctorado en Ingeniería de Materiales en la UANL en 1998. A la fecha es Profesora investigadora de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL Sus líneas de investigación son: síntesis de materiales cerámicos por estado sólido y por microondas así como análisis de transformaciones de fases por microscopía óptica y electrónica. González González, Virgilio Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales otorgado por la FIME de la UANL. Ha sido investigador científico en el campo de los polímeros desde 1975, tiene en su haber más de 40 publicaciones técnico – científicas y de difusión. Ha sido jefe de los Departamentos de Fisicoquímica de Polímeros y Macromoléculas, Miembro del SNI nivel I. Es Profesor de tiempo completo de la FIME desde 1998. 68 Guglielmino, Emanuele Ingeniero Eléctrico egresado de la Universidad de Génova, Italia. Doctorado en Sistemas de Control por la Universidad de Bath (Reino Unido). Actualmente trabaja como ingeniero eléctrico para la Westinghouse Brakes, Reino Unido Hernández López, Roberto Tito Licenciatura y Maestría en Física por la Facultad de Ciencias de la UNAM. Actualmente cursa el Doctorado en Física de Materiales en CICATA-IPN. Ha presentado más de 40 ponencias y ha publicado más de 30 artículos en memorias y 10 en revistas arbitradas, tanto nacional como internacionalmente. Profesor-Investigador en la UAM desde 1982. Trabaja en procesamiento de películas delgadas superconductoras y conformado de perfiles cerámicos. López Cuéllar, Enrique Catedrático Investigador en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, México. Obtuvo su Doctorado en el INSA de Lyon en 2002 con relación a las aleaciones con memoria de forma y su fatiga termomecánica. Martínez Balanqué, Eugenio Ingeniero Electricista y Master en Ciencias por la Universidad de Camagüey en 1976 y 1998. Fue profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Electromecánica de la Universidad Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19 �Colaboradores de Camagüey hasta Julio de 1999. Actualmente trabaja en la empresa EMPRESTUR. Es presidente de la Sociedad de Ingenieros Eléctricos, Mecánicos e Industriales de la Unión Nacional de Arquitectos e Ingenieros de la Construcción de Cuba en Camagüey. Morado Macías, César Licenciado en Filosofía y Maestro en Educación por la Facultad de Filosofia y Letras de la UANL, donde actualmente imparte cátedra. Coordinador del Archivo Histórico del Archivo General del Estado de Nuevo Léon. Autor de varios libros sobre historia regional del noreste mexicano. Doctorano en Ciencias Sociales por la Universidad de Guadalajara. Morin, Michel Maître de Conférences (Maestro de Conferencias) del INSA de Lyon en el GEMPPM, Francia. Trabaja principalmente en transformaciones martensíticas y aleaciones con memoria de forma. Además de ser catedrático en el SGM de Materiales, Informática y Lógica, es responsable de los proyectos de finalización de estudios. Refugio García, Elizabeth Licenciatura en Ingeniería Metalúrgica y Maestría en Ingeniería de Materiales por Universidad Autónoma Metropolitana. Ha presentado más de 10 ponencias y ha publicado más de 5 artículos en memorias y 6 en revistas arbitradas, tanto nacional como internacionalmente. Profesor-Asociado en la Universidad Autónoma Metropolitana desde 2001. Trabaja en el área de procesamiento de materiales. Rocha Rangel, Enrique Licenciatura y Maestría en Ingeniería Metalúrgica, Doctorado en Metalurgia y Materiales todos ellos realizados en la ESIQIE-IPN, estancia de Investigación en la Universidad Tecnológica de Toyohashi, Japón, estancia Posdoctoral en los Laboratorios Nacionales de Oak Ridge, Estados Unidos, alrededor de 60 ponencias, más de 50 artículos en memorias y 25 en revistas arbitradas, tanto nacional como internacionalmente. Profesor-Investigador en la UAM desde 1992. Líneas de Investigación: Ingeniería de Procesamiento de Materiales. Rodríguez Cruz, Martín Licenciatura en Física y Maestría en Ciencia de Materiales realizadas en la ESFM-IPN y 100% de créditos del Doctorado en Metalurgia y Materiales de la ESIQIE-IPN, alrededor de 20 ponencias, más de 15 artículos en memorias y 8 en revistas arbitradas tanto nacional como internacionalmente. ProfesorIngenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. Investigador en la Universidad Autónoma Metropolitana desde 1990. Líneas de Investigación Conformado de Perfiles Cerámicos. Rodríguez Lugo, Ventura Doctor en Ciencias de Materiales de la UNAM, profesor investigador de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla de Enero de 2002 a la fecha. Actualmente es Presidente de la Academia Mexicana de Materiales. Sus líneas de investigación son caracterización de materiales por microscopía electrónica de barrido y de transmisión, así como investigación y desarrollo de nuevos materiales. Rojas Garcidueñas, Manuel Biólogo egresado de la UNAM. MSc. por la University of Minnessota; Profesor emérito del ITESM. Ha sido profesor de fisiología vegetal. Autor de varios libros de su especialidad, de una historia de la ciencia y del libro de difusión: De la vida de las plantas y de los hombres, así como más de 30 artículos. Su Fisiología vegetal aplicada se ha convertido en libro de texto en varias universidades latinoamericanas. Ha sido profesor en la Facultad de Biología de la UANL. Pertenece a la Academia Mexicana de Ciencias. Sierra Gil, Eduardo Ingeniero Electricista y Master en Ciencias por la Universidad de Camagüey en 1997 y 2001. Es profesor asistente y jefe del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Electromecánica de la Universidad de Camagüey. Presta asesorías sobre eficiencia energética de los sistemas eléctricos industriales y de potencia. Es miembro de la Unión Nacional de Arquitectos e Ingenieros de la Construcción de Cuba. Skemp, Susan H. Presidente de ASME Internacional para el periodo 2002-2003. Es ingeniero mecánico graduada en la Universidad Atlantic de Florida, desde 1981 labora para la empresa Pratt & Whitney, donde actualmente es gerente de planeación de tecnología avanzada. Treviño Cardona, Brenda Licenciada en Química Industrial y Master en Ciencias de la Ingeniería Cerámica por la Facultad de Ciencias Químicas de UANL en 1998 y 2002. Actualmente cursa el Doctorado en Ciencias de Ingeniería Cerámica en la FCQ-UANL. Su área de investigación es la síntesis y caracterización de materiales cerámicos a partir de desechos agroindustriales. 69 �Información para colaboradores Se invita a profesores e investigadores de las diferentes áreas de la ingeniería a colaborar en la Revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes de eventos, convocatorias, etc. Las colaboraciones deberán estar escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. No deberá ser en primera persona. Solamente se aceptarán trabajos en inglés de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos serán sujetos a arbitraje tipo doble anónimo siendo inapelable el veredicto de los revisores. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar, para su consideración editorial, un original y copia del artículo, así como un disquete de 3 ½” con el archivo del mismo en formato .doc de Word, originales de material gráfico, y fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras. Los artículos deben remitirse a: Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, A. P. 076 “F”, Cd. Universitaria, San Nicolás, C.P. 66450, N.L., México. El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por artículo Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. es cuatro. La extensión de los artículos no deberá exceder de 7 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras. Deberán incluirse un máximo de 5 palabras clave tanto en español como inglés. Las referencias irán numeradas en el orden que fueron citadas en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Deben incluirse al menos 3 imágenes o gráficas, originales. Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4020 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx 81 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2003 Volumen Volumen de la revista 6 Número Número de la revista 19 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2003, Vol 6, No 19, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2003 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020782 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores ASME Cascarilla de arroz Empresas metalúrgicas Parámetros electromagnéticos Técnica de extrusión https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20741/Ingenierias_2003_Vol_6_No_18_Enero-Marzo.pdf cc842fd7fbf39e9618b5c561a36a6c38 PDF Text Text ���Editorial: Cómo hacer rentable el quehacer de científicos, tecnólogos y académicos César A. Leal Chapa Titular del Centro de Inovación y Transferencia de Tecnología de la FIME-UANL cleal@mail.uanl.mx Cuando se lee un título así, es inevitable el surgimiento de una verdadera avalancha de preguntas: ¿y... entonces el quehacer de estos tres roles, no es rentable?, ¿cuáles son los criterios que determinan esta rentabilidad?, ¿está entendida la rentabilidad como el concepto tradicional de generar utilidades o riqueza?, ¿se aplicarán los mismos criterios económicos para determinar dicha rentabilidad, con respecto a otros roles sociales?, ¿deberán ser rentables estas actividades?, ¿estamos hablando de instituciones públicas o privadas? Para iniciar pudiéramos intentar dar respuesta a la siguiente pregunta, ¿y por qué hasta ahora surgen estos cuestionamientos? Una de las principales causas que mueven a estos cuestionamientos es sin duda de carácter económico, dado que son cada vez menores los recursos con los que la Federación está comprometida a financiar a las instituciones públicas de educación superior. Independientemente del desenlace de estos cuestionamientos, es oportuno echar un vistazo al interior de las instituciones donde se desenvuelven los científicos, tecnólogos y académicos, a modo de un análisis de la situación actual. ESTRATEGIAS DEL PASADO, ESQUEMAS PREVALECIENTES Las estrategias diseñadas en el pasado y acordadas como lineamientos a seguir, que determinaron en su tiempo la razón de ser del sector de la educación superior y de la investigación científica en México, no han sido renovadas. Y así es común ver que se siguen empleando en instituciones y grupos de investigación objetivos como, “investigar y formar recursos humanos de alto nivel”, sin que se explique qué significa “alto”, o también “investigar para sustituir importaciones”, en plena vigencia del TLC, o “disminuir la dependencia tecnológica del extranjero”, cuando pudiéramos aspirar a venderles tecnología a estos mercados y verlos como clientes. Las estrategias actuales son realmente cuestionables, por ejemplo, los criterios de evaluación del desempeño de académicos e investigadores, donde se privilegia entre otras cosas la cantidad de artículos publicados en revistas de difusión internacional, aunque esto signifique poner en las manos del mercado internacional conocimientos en forma gratuita que seguramente aprovecharán para conIngenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI No. 18. 3 �Editorial / César A. Leal Chapa vertirlos en tecnología o servicios que para colmo adquiriremos algún día en la cadena del comercio internacional, sin obtener a cambio una remuneración o reconocimiento para el autor y alguna ventaja económica para el país. Otro criterio de evaluación similar es la obtención de patentes, que por lo general se tramitan sin condicionar su futura explotación o que tengan cliente. Este fenómeno de establecer criterios de evaluación inadecuados se da en todos los niveles, por ejemplo, en las instituciones públicas de educación superior se utiliza el criterio de aumentar la eficiencia terminal, lo que mueve a académicos a disminuir la reprobación de sus alumnos, sin garantizar la calidad del egresado, o peor aún, la inexistencia de criterios para evaluar el desempeño de altos funcionarios como directores o rectores. Sería deseable analizar el por qué de la situación actual, efectuar un ejercicio a nivel nacional para revisar y rediseñar las estrategias de fondo que permitan redefinir objetivos fundamentales y que expliquen una nueva razón de ser de estas instituciones, y cómo habrán de adecuarse para tiempos por venir. Mientras esto sucede se pueden tomar algunas acciones correctivas de carácter urgente. ADECUANDO LEYES Y REGLAMENTOS Pudiera decirse que en ninguna de las instituciones públicas de educación superior del país, se incluyó en sus objetivos originales el de la generación de riqueza. De aquí que leyes y reglamentos que las rigen se enfoquen a los objetivos tradicionales de educar, investigar, promover la cultura, extender actividades a la comunidad, atender el contexto laboral con sus empleados, etc., pero no al de regular la generación de recursos económicos. Y si bien en la mayoría de las instituciones no se limita esta función, tampoco se prevee su regulación, dejándola al criterio y buena fe de funcionarios formados para administrar el proceso educativo, pero no para la productividad económica. ¿Qué adecuar entonces? Habrá que iniciar integrando a los objetivos de la institución la función de la generación de recursos económicos, tendrá que regularse también sobre la propiedad intelectual, la confidencialidad de la información estratégica generada, el reparto de las utilidades, el uso de las utilidades correspondientes a la institución, la relación contractual con los clientes, el manejo transparente de los recursos, etc. A todo lo anterior habría que agregar un cambio administrativo, en las instituciones públicas de educación superior, que tienda a asimilar, adaptar y adoptar la metodología y el estilo administrativo de las empresas productivas. El cambio de mentalidad de los cuadros académicos y administrativos será sin lugar a dudas uno de los mayores retos. ELIMINANDO LA BUROCRACIA Un investigador, tecnólogo o prestador de servicios que ya vende el producto de su trabajo al sector productivo, no requiere de más motivación que no ser obstaculizado, y lo que menos necesita es quién le diga qué hacer, y cómo. ¿Pero cómo es que logran ser burocráticas las estructuras administrativas de las instituciones públicas de educación superior? 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol VI, No. 18. �Editorial / César A. Leal Chapa Con el pretexto de vigilar la adecuada operación de la institución, se establecen una serie de trabas que en vez de facilitar la actividad emprendedora la dificultan, por ejemplo, estructuras organizacionales de múltiple nivel, procedimientos administrativos a base de memorándums impresos en papel y con múltiples firmas, tiempos de gestión largos, negligencia o actitud dilatoria en cada etapa de un trámite, difícil manejo de los recursos obtenidos, pésima relación con proveedores, y la recientemente adquirida, o en vía de adquisición, burocracia de los sistemas de calidad. ANTE ESTO, ¿QUÉ SE PUEDE HACER? Además de corregir las deficiencias antes mencionadas, habrá que entrenar a los funcionarios administrativos, establecerles como misión la de facilitar sus procesos, será necesario generar condiciones para poder recibir a los clientes en ambientes y espacios adecuados, habrá que esmerarse por lograr servicios administrativos eficientes y ágiles, que la seguridad, la energía eléctrica, la Internet, la telefonía, no fallen. Habrá que dar solución a un problema crítico, que consiste en la devastación o en el mejor de los casos la pérdida de la continuidad de las actividades productivas de individuos y grupos, que se presenta como un fenómeno posterior a un proceso político, de cambio de directivos. Habrá además que recordar constantemente, que las condiciones y el ambiente de trabajo favorables, podrán retener a individuos y grupos productivos, de no ser así, generarán estas condiciones por su cuenta fuera de la institución, o serán atraídos por otras instituciones que hayan logrado realmente adaptarse. FORMANDO LA CULTURA DEL TRABAJO RENTABLE Cuando ya existen en la institución, investigadores, tecnólogos y prestadores de servicios exitosos y rentables, las cosas pudieran darse en forma natural, el problema surge cuando no es así. Cómo convencer a un investigador que no se ha ganado el Premio Nóbel aún, o que no ha podido aportar algo importante y positivo para la humanidad, que de momento, le sería de utilidad cambiar el producto de su trabajo por un pago en efectivo que mejore su estatus socio-económico, o cómo hacer para que todos los investigadores y tecnólogos pudieran obtener un beneficio mayor que aspirar sólo al estímulo económico que viene de SEP, CONACYT, SNI, etc. Una posible solución es la de establecer la “Cultura del Quehacer Rentable”, la cual se puede lograr difundiendo a nivel institución métodos y estrategias, estableciendo una relación estrecha con individuos, grupos e instituciones que lo estén logrando, conocer al cliente estableciendo programas de acercamiento, evaluar las capacidades internas y convertirlas en una oferta. La formación de la “Cultura del Quehacer Rentable” deberá ser un proceso que en forma continua forme nuevas habilidades y que adecúe actitudes con el fin de compartir metas con el cliente, esto se vuelve difícil cuando la actitud prevaleciente es la de enseñar al que no sabe, o de buscar conocimiento como objetivo en vez de aplicarlo, o buscar un conocimiento que sólo le interese al investigador, o para el cual no exista cliente. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI No. 18. 5 �Editorial / César A. Leal Chapa Habrá que aprender además: · Cómo el conocimiento concebido únicamente como un bien de la humanidad, se puede convertir en un bien privado, en una propiedad, que puede protegerse, rentarse o venderse. · Cómo determinar la rentabilidad de un proyecto, entender cuáles son las variables involucradas en el cálculo de costos, fechas límite y tiempos de entrega. · Cómo codificar la información para entender qué es lo que quiere el cliente. · Cómo planear un proyecto de investigación, desarrollo de tecnología o servicio, en función de los mismos criterios con que se planea un negocio. · Que un proyecto exitoso puede hacer ganar en forma lícita a un investigador, tecnólogo o prestador de servicios, miles o cientos de miles de pesos y que esto no está peleado con la misión de enseñar, investigar o aplicar el conocimiento. PROPAGANDO EL MODELO Aunque se ha tratado de teorizar acerca de las causas que llevan a individuos o grupos a ser exitosos y en nuestro caso rentables, la verdad es que no se ha llegado a un procedimiento o modelo que garantice el éxito. Sin embargo, seguramente en cada institución, existen algunos casos que lo han logrado los cuales bien pudieran tomarse como ejemplo de un modelo a reproducir. Para generar tales réplicas será necesario reproducir las condiciones que apoyaron su desarrollo. Algunas de estas condiciones serán resultado de factores que pudieran conseguirse sólo localmente. No sería de extrañar que en algunos casos fueron y siguen siendo los perfiles de las personas las que determinaron tan deseado éxito. Si es así queda todavía un recurso para poder reproducir una réplica, regresar al antiguo modelo maestroaprendiz que permite cuando menos dos escenarios, uno en el que el aprendiz asimila la mística del maestro, y otro en el que los individuos de la misma naturaleza se identifican y empiezan a sumar esfuerzos formando una masa crítica en torno a una actividad común. A MODO DE CONCLUSIÓN La situación analizada aquí, lleva ya mucho tiempo, corresponde a una visión de la realidad de las instituciones públicas de educación superior y de sus profesores, investigadores, tecnólogos y prestadores de servicios, que tuvo su razón de ser y que creó hábito. Si bien es cierto que por largo tiempo las condiciones del país no fueron del todo propicias para efectuar cambios o adecuaciones, debemos reconocer que la situación actual dista mucho de ser aquella de hace veinte o treinta años y que este es el mejor momento para revisar, corregir y reorientar el rumbo de las instituciones públicas de educación superior. 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol VI, No. 18. �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel Juan A. Aguilar Garib, Ubaldo Ortiz Méndez, Moisés Hinojosa Rivera UANL-FIME., Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, NL 66450, México aaguilar@ccr.dsi.uanl.mx Oxana V. Kharissova FCFN-UANL ovkharisova@ccr.dsi.uanl.mx ABSTRACT The influence of iron over the microstructure, order parameter and morphology of the spinel in the Al2O3-MgO-Fe2O3 system is described in this document. Spinel was produced by means of electric resistance at 1400°C and microwaves at temperatures over 2000°C. The obtained samples were analyzed by means of X rays diffraction, X rays spectroscopy (EDX), scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) in contact mode. It was determined that iron in hematite promotes under certain condition spinel MgAl2O4 formation and that the order parameter is modified. Regarding morphology, the images show steps and flat zones that provided information about the growth mechanism of the crystals. KEYWORDS Spinel, microwaves, iron, order parameter. RESUMEN Proyecto galardonado con el Premio de Investigación UANL 2001 en la categoría de Ingeniería y Tecnología, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL e 7 de Septiembre de 2002. En este trabajo se describe la influencia del hierro sobre la microestructura, el parámetro de orden y la morfología del espinel en el sistema Al2O3-MgO-Fe2O3. El espinel fue producido calentando una mezcla de los óxidos en un horno de resistencia eléctrica a 1400°C por 15 horas microondas como fuente de energía lo que permitió alcanzar temperaturas de más de 2000ºC y tiempos de procesamiento de tan solo 30 minutos. Las muestras obtenidos fueron analizados mediante difracción de rayos X, espectrometría de rayos X (EDX), microscopía electrónica de barrrido (MEB) y microscopía de fuerza atómica (MFA) en modo de contacto. Se determinó que el hierro agregado como hematita favorece en ciertas condiciones a la formación de espinel MgAl2O4 y que modifica el parámetro de orden. Con respecto a la morfología, las imágenes muestran escalones y terrazas, que proporcionan una idea sobre el mecanismo de crecimiento de los cristales. PALABRAS CLAVE Espinel, microondas, hierro, parámetro de orden. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 7 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al EL SISTEMA MgO-Al2O3 El espinel magnesia-alúmina (MgAl2O4) tiene una estructura cúbica que muestra semejanzas y diferencias con la magnesia (MgO) y la alúmina (Al2O3). El MgO y el espinel tienen arreglos cúbicos en tanto que la alúmina tiene un arreglo hexagonal. Los iones Al3+ ocupan sitios octaedrales tanto en la alúmina como en el espinel, mientras que los iones de Mg2+ ocupan lugares octaedrales en el MgO y tetraedrales 1 en el MgAl2O4 (figura 1). Fig. 1. Parámetros de red de la estructura del espinel, W. Kingery1 El espinel MgAl2O4 es el único compuesto en el sistema MgO-Al2O3 y tiene un punto de fusión de 2135°C. Este espinel forma dos eutécticos, uno de ellos a 45% (en peso) de magnesia con un punto de fusión de 2030°C y el otro a 98% (en peso) de alúmina con un punto de fusión de 1925°C. Como ya se mencionó, la estructura está determinada por la configuración espacial de iones de oxígeno, que son relativamente grandes, con cationes trivalentes y bivalentes entre ellos. Debido al tamaño relativo de los iones de oxígeno es posible tener cierta distorsión de la red sin cambios mayores en ella. Esta situación da un amplio intervalo de composiciones para el espinel magnesia-alúmina. En éste, la relación MgO/Al2O3 es de 1/1 (28.2/71.8 en peso) pero varía en un rango bastante amplio. La mayoría de las composiciones tienen aproximadamente el mis2 mo parámetro de red, el cual está en el orden de 0.8nm a 0.85nm. Los parámetros del espinel están presentados en la tabla I. Los iones de oxígeno en la red son equivalentes y forman una estructura base, de manera que las diferencias que se detectan mediante difracción de rayos X son pequeñas en cuanto a la posición de los 8 Tabla I. La estructura del espinel: datos cristalográficos. Grupo espacial: Fd3m, No. 227, cúbico centrado en las caras. Coordenadas atómicas para el MgAl2O4. Número de coordinación: Mg - tetraedral, MgO4: Al octaedral, AlO6: O - tetraedral, OMgAl3 Átomo Posición Coordenadas Fraccionadas O 32e uuu;`u`uu;u`u`u;`uu`u;1/4- u,1/4- u,1/4- u; 1/4+u,1/4u,1/4+u;1/4- u,1/4+u,1/4+u;1/4+u,1/4+u,1/4- u + centrado en las caras Al 16d 5/8 5/8 5/8; 5/8 7/8 7/8; 7/8 5/8 7/8;7/8 7/8 5/8; + centrado en las caras Mg 8a 000;1/4 1/4 1/4+ centrado en las caras picos, por lo que es necesario prestar mayor atención a sus intensidades relativas. El espinel es una solución sólida que se comporta de acuerdo a la interacción de las especies presentes, lo cual se considera cuantitativamente en termodinámica a través de la actividad. Lo que hace interesante al hierro es que tiene dos valencias (2+ y 3+) y entonces podría ocupar los lugares del magnesio o del aluminio. Es claro que las propiedades también dependerían de los sitios ocupados ya que la presencia de este tercer elemento cambia además el diagrama de fases de acuerdo a las nuevas actividades de las especies, ya sea 2+ y 3+. Un factor que complica la estructura del espinel es que la distribución de cationes en los sitios tetraédricos y octaédricos puede variar entre dos casos extremos, los cuales dan lugar al espinel inverso y al espinel normal. Tales distribuciones se describen mediante la expresión (1). (1) A2+ dB3+ 1-d[A2+ 1-dB3+ 1+d] O4 Aquí los iones localizados en los sitios tetraédricos están escritos antes del paréntesis, mientras que aquellos en los sitios octaédricos están adentro del paréntesis rectangular. El parámetro d define el grado de desorden, el desorden completo está dado por d igual a 1/3, en el espinel normal d es 1, mientras que para el espinel inverso d es cero. Los sitios Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al tetraédricos en la malla cúbica centrada en las caras de los iones de oxígeno tienen menor volumen que en los sitios octaédricos. En realidad la estructura se distorsiona por el movimiento de los iones oxígeno, los cuales incrementan el volumen de los sitios tetraédricos, pero disminuye el volumen de los sitios octaédricos. La distribución de los cationes A y B depende de diferentes condiciones geométricas, radio atómico, valencia, y el estado de las cargas en la malla. Los sitios tetraédricos son más pequeños que los octaédricos, así es de esperarse que los iones trivalentes vayan a los sitios tetraédricos mientras que los bivalentes, los cuales son más grandes, se 1 acomodan en los sitios octaédricos. La configuración electrónica también juega un papel importante en la distribución catiónica, ya que los electrones del metal pueden dar lugar a enlaces direccionados los cuales producen mallas con energía mínima. La estructura del oxígeno que contiene sitios tetraédricos y octaédricos, pues como ésta es negativa, los iones metálicos con cargas positivas pequeñas pueden ser rodeados por exactamente cuatro iones oxígeno, mientras que los iones con cargas más grandes pueden estar rodeados por seis iones oxígeno. Esta es una manera de lograr la neutralidad eléctrica local dentro de la malla. La competencia entre el tamaño de los sitios tetrahédricos y octahédricos y la presencia de los iones divalentes y trivalentes, introduce restricciones que producen espineles donde la regla de cuatro y seis iones oxígeno arriba descrita no se sigue. Por lo tanto el espinel ni es normal, ni inverso y tampoco totalmente desordenado. La descripción de estos diferentes espineles con la misma estequiometría está 3 dado a través de d. Jacob et. al. han demostrado que las propiedades termodinámicas difieren de acuerdo a la distribución de los cationes. Una expresión de estos mismos investigadores para la distribución de cationes como función de la temperatura es: 2   x  = 25540 − RT ln  Joules/mol (2)  (1 − x )(2 − x )    donde: x= 1 - d Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. De acuerdo con Singh,4 el parámetro d depende de las condiciones de preparación del espinel ya que éste se relaciona con la cantidad de vacancias, las cuales a su vez están relacionadas con la temperatura. La ecuación (2) permite cuantificar la normalidad del espinel, en esta ecuación cuando T disminuye hasta el cero absoluto se tiene espinel normal y cuando T tiende hacia el infinito, x tiende a 2/3, lo cual implica que d es 1/3 cuando la malla está totalmente desordenada. PRODUCCIÓN DE ESPINEL Tomando en cuenta las consideraciones termodinámicas la magnesia y la alúmina deben reaccionar para formar espinel MgAl2O4. Pero en realidad es necesario calentar la mezcla de polvos MgO/Al2O3 a temperaturas elevadas, frecuentemente por encima de los 1200°C para tener una reacción a una rapidez apreciable. Si la reacción se llevara a cabo en fase sólida, la primera etapa sería la formación de un núcleo de MgAl2O4. Ésta es difícil por las diferencias que existen entre los reactivos y los productos, especialmente en lo que se refiere a la reorganización que se requiere para llegar al espinel. El espinel de MgAl2O4 se produce comúnmente de dos maneras, mediante fusión y mediante sinterización. La fusión permite tener fase líquida que asegura la difusión de las especies. En el caso del sinterizado las temperaturas son inferiores al punto de fusión y solamente se logra obtener espinel en ciertas regiones. El espinel se forma en el cuello producto de la unión de dos granos, en donde la fuerza motriz para la difusión es mayor. En este caso es común agregar otros elementos para reducir las temperaturas de procesamiento, pero esto afecta las propiedades del producto final. Para este fin se utilizan generalmente ZnO y SiO2 como impurezas. Cuando el Zn2+ está presente en la matriz de Al2O3 las vacancias de Al3+ ú oxígeno se incrementan. El Fe2O3 también puede reducir la temperatura de sinterizado, por ejemplo, si los cristales de Al2O3 tienen 0.5 % (en peso) de Fe2O3 a 1500 o C, entonces el spinel Fe (Fe1-xAlx)2O4 comenzará a 4 crecer. Es posible encontrar una proporción de aditivo que proporcione las mejores propiedades a la menor temperatura posible solamente cuando se entiende la naturaleza del espinel. Las pruebas de 9 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al difusión entre MgO y Fe2O3 para formar espinel MgFe2O4 mostraron que las dos interfases se movían a razón de 1:2.7, lo cual está cercano al valor ideal 3 de 1:3. Se ha establecido que la difusión de Al3+ en el MgO a altas temperaturas está relacionado con la presencia de vacancias y también se ha demostrado que la presencia de éstas debido a la disolución de Al3+ en MgO es directamente proporcional a la concentración de Al3+ entre los 1560 y los 1900°C. se ha demostrado que es posible alcanzar tempera5 turas del orden de los 2000°C por este medio. HIPÓTESIS Basándose en las explicaciones dadas sobre el sistema MgO-Al2O3 se propone que la presencia de hierro favorece la producción de espinel a una temperatura de 1400°C, la cual es menor que la de fusión del espinel magnesia-alúmina. Dado que el hierro puede ser divalente (2+) o trivalente (3+), por lo que puede tomar los sitios ocupados por el magnesio o por el aluminio, se propone que el parámetro de orden del espinel producido a 2000°C con hierro es similar al que se produce a menor temperatura pero sin la presencia de hierro. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se preparó un conjunto de mezclas en el sistema MgO-Al 2O 3-Fe 2 O 3. Debido a sus propiedades higroscópicas el MgO fue calentado hasta 800ºC. Los reactivos MgO, Al2O3 y Fe2O3 fueron mezclados hasta obtener una mezcla homogénea de los polvos. Las muestras fueron pesadas y compactadas antes de ser colocadas en un crisol. El horno se mantuvo a 1400ºC y el tiempo de exposición fue de 15 h. Las composiciones específicas de las mezclas utilizadas se presentan junto con los resultados con la finalidad de poder relacionar el tipo de mezcla con la muestra obtenida en cada caso. Con respecto a las muestras procesadas mediante microondas, el propósito era alcanzar mayor temperatura que en el horno convencional, sin considerar ni excluir la posible influencia de éstas en el proceso. En este caso el grado de dificultad para procesar las mezclas es mayor y por eso se describe con mayor detalle que la del calentamiento convencional. Las muestras fueron colocadas dentro de un crisol y luego colocadas en el interior de un horno de microondas con un magnetrón a 2.45 GHz y 800W. Los reactivos no absorben microondas a temperatura ambiente, por lo que es necesario utilizar un agente que sea capaz de absorberlas en esas condiciones y llevar los reactivos hasta una temperatura de alrededor de METODOLOGÍA Dado que la hipótesis considera en uno de sus puntos a la influencia del hierro, agregado como hematita, en la formación de espinel mediante sinterización, se requiere elaborar una serie de pruebas con diferentes composiciones en las que se compruebe que no se formó fase líquida, de manera que efectivamente cualquier reacción se lleve a cabo en estado sólido. También se debe confirmar que la cantidad de espinel encontrado sea mayor que el que se esperaría sin la presencia de hierro. En cuanto a la influencia sobre el parámetro de orden y la morfología, es necesario que las reacciones se lleven a diferentes temperaturas, incluso mayores que la de fusión y para ese fin se utilizan microondas ya que Fig. 2. Esquema del arreglo experimental mostrando la ubicación del grafito que se utilizó como auxiliar térmico en los experimentos con microondas. OBJETIVO El objetivo de este trabajo se centra en determinar la influencia del hierro sobre la microestructura, el parámetro de orden y la morfología del espinel magnesia-alúmina (MgAl2O4) producido en un horno convencional a 1400°C y mediante microondas a 2000°C. 10 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al 400°C en la cual la alúmina absorbe este tipo de energía. De paso se puede comentar que aunque el MgO no absorbe microondas el espinel que se forma es mejor absorbedor que la alúmina, así, una vez que la reacción se inicia puede proseguir sin la ayuda del agente mencionado. De acuerdo a experiencias 5 previas con este tipo de material las mezclas fueron expuestas a la energía de microondas por 30 minutos. Al igual que en el caso de calentamiento convencional, la composición de las mezclas se presenta junto con los resultados para facilitar su análisis. El arreglo experimental se presenta en la figura 2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las condiciones y composiciones de las mezclas se presentan en esta sección junto con los resultados obtenidos, ya que como se mencionó anteriormente, al tener en un mismo lugar las condiciones de preparación y las fases presentes se simplifica la discusión de los mismos. El caso del procesamiento convencional a 1400°C se presenta en la tabla II. Tabla II. Descripción de las mezclas utilizadas y las muestras obtenidas a 1400ºC. Los números romanos corresponden a las composiciones de las mezclas, mientras que los números arábigos corresponden a la composición (molar) de cada mezcla particular después de ser procesada. La letra “E” es para el equilibrio termodinámico y “D” para la composición estimada a partir de la difracción de Rayos-X. Los compuestos que no fueron calculados se indican con un asterisco. Mezcla I II III IV V Fe2O3 3 5 8.8 10 20 Al2O3 50 50 50 50 50 MgO 47 45 41.2 40 30 Composición de la muestra 1E 1D 2E 2D 3E 3D 4E 4D 5E 5D MgO 10 11 5 7 0 6 0 3 0 Al2O3 14 13 16 7 20 0 21 0 30 0 MgAl2O4 70 64 67 57 60 0 57 0 40 0 30 * 56 * 58 * Mg(Al,Fe)2O4 * 12 9 * 55 MgFe2O4 0.9 0 0.1 0 0.1 42 0.1 40 0.1 27 AlFeO3 * 0 * 1 * 2 * 2 * 0 Fe3O4 0.5 0 1 0 2 0 2.4 0 5 18 Al2FeO4 0.6 0 0.8 0 1. 1 0 1. 4 0 2 0 Fe2O3 4 6 10 12 20 0 0 0 0 0 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. En esta tabla, los números arábigos correspondientes a las mezclas con las letras E ó D significan respectivamente el equilibrio termodinámico de la mezcla formulada y la composición real de la muestra obtenida a partir de esa formulación. Los asteriscos muestran los compuestos que no fueron calculados, ya sea porque faltan datos termodinámicos o debido a la gran variación en los datos existentes. Como ya lo dijo K. Jacob et. Al.,3 a pesar del importante papel del MgAl2O4 en la industria de refractarios, existe una falta de datos termodinámicos confiable para este compuesto. Es por eso que el equilibrio fue calculado suponiendo un comportamiento ideal de los componentes que forman una sola fase como Darken 6 y Gurry lo sugieren en el caso de gases. Este método fue validado mediante comparaciones entre cálculos y comparaciones para los gases presentado en la referencia anterior, para algunos cerámicos 7 presentados en una compilación de F. Hummer y 1 los diagramas de Kingery et. al. Los datos fueron 8 obtenidos de las tablas de JANAF y O. 9 Kuwaschewski y C. Alcock con buenos resultados. Los datos que se presentan como calculados en la tabla II son el resultado del modelo validado por este método. En el proceso de síntesis de espinel a partir de los óxidos mencionados, los enlaces de los óxidos se deben romper para permitir la migración de átomos a distancias considerables (en escala atómica). Iones tales como Mg2+ en MgO y Al3+ en Al2O3 se suponen normalmente fijos en sus sitios en la red, de manera que es difícil considerarlos en otras posiciones. La presencia de un aditivo como la hematita puede disminuir la temperatura de procesamiento y hacer esto posible, ya que sin éste solamente a altas temperaturas tales iones tienen la energía suficiente como para dejar sus sitios normales y difundir a través del cristal. El agregar un aditivo equivaldría entonces a incrementar la temperatura. La efectividad de la adición de la hematita (Fe2O3) como un aditivo se puede apreciar en que las muestras que fueron obtenidas a partir de mezclas sin hierro presentaron entre 39 y 48% molar de espinel MgAl2O4, dependiendo de la composición de mezcla. Cuando se agregó 3% molar de hematita (Fe2O3) el porcentaje de espinel obtenido se incrementó al 64% molar. Un incremento de hematita al 5% molar 11 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al incrementó la formación de espinel al 76%, disminuyendo la magnesia (MgO) y la alúmina (Al2O3). Esto significa que la presencia de hierro favorece la formación de espinel, aunque no toda la magnesia reaccionó con la alúmina (figuras 3 y 4). Fig. 5. Patrón de difracción de rayos X de una muestra con 10% molar de Fe2O3, 50% molar de MgO y 40% molar de Al2O3. Fig. 3. Patrón de difracción de rayos X de una muestra con 5% molar de Fe2O3, 50% molar de MgO y 45% molar de Al2O3. Fig. 6. Una imagen de microscopía electrónica de barrido mostrando las diferentes fases sin y con hierro de una muestra con 10% molar de Fe2O3, 50% molar de MgO y 40% molar de Al2O3. Fig. 4. Imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra con 5% molar de Fe2o3, 50% molar de MgO y 45% molar de Al2O3. La presencia de menos de 9% molar de hematita permite la formación de espinel aunque el hierro no entra a formar parte de la estructura en general. Forman AlFeO3 y no cambia su estado de oxidación a Fe2+. En las mismas condiciones MgAl2O4, MgO, Al2O3, y AlFeO3 están presentes. Como resultado del incremento de hematita al 10% molar se forman dos tipos de espinel, el MgAl2O4 y el Mg(Al0.91Fe0.09)2O4 (figuras 5 y 6). 12 Es importante observar que si la hematita no favoreciera a la formación de espinel, entonces se obtendría una menor cantidad de éste. El MgO reaccionó totalmente de manera que se puede decir que el Fe3+ entró en la red del MgAl2O4. Entre 20 y 45 % molar de Fe2O3, los iones de Fe3+ forman Mg(Al,Fe)2O4 en una sola fase. Se encontró hematita libre a composiciones bastante arriba de este rango (más de 60% molar), pero observando cuidadosamente los patrones de difracción de rayos X se encuentra que la fase estable es maghemita (FeIII2O3). Aunque la nucleación es complicada en las condiciones en las que se sinteriza el espinel, se puede tener una serie de pasos sucesivos que den como resultado final el crecimiento de espinel. La presencia de Fe2O3 permite obtener espinel a temperaturas tan bajas como 1400°C. Las imágenes obtenidas Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al mediante microscopía de fuerza atómica (MFA) dan mejor evidencia de este punto como se mostrará posteriormente. La nucleación de MgAl2O4 está acompañada por la reorganización de iones en los sitios en los que se tiene intercambio de iones Mg2+ y Al3+ a través de las interfases entre las partículas de MgO y Al2O3. Un análisis más concienzudo hace notar que cuando la temperatura es de 1400ºC (tabla II), concentraciones bajas de hematita producen espinel cerca de lo previsto termodinámicamente, sin embargo cuando se tienen 8.8% de hematita, el MgAl 2 O 4 se forma en menor cantidad y los principales productos son Mg(Al, Fe)2O4, AlFeO3 y MgFe2O4, aún y cuando termodinámicamente la producción del espinel no debería de disminuir con pequeñas cantidades de hematita. Las mezclas y las muestras obtenidas en las pruebas con microondas en las que se alcanzó una temperatura de 2000ºC se muestran en la tabla III (siguiendo las reglas dadas para la tabla II): En este caso se puede decir que fue posible producir MgAl2O4 cerca del equilibrio termodinámico, sin embargo arriba de 15% de hematita, la cantidad de MgAl 2 O 4 disminuye y ahora el principal es Tabla III. Descripción de las mezclas utilizadas y las muestras obtenidas a 2000ºC. Los números romanos corresponden composiciones de las mezclas, mientras que los números arábigos corresponden a la composición (atómica) de cada mezcla particular después de ser procesada. La letra “E” es para el equilibrio termodinámico y “D” para la composición estimada a partir de la difracción de Rayos-X. Los compuestos que no fueron calculados se indican con un asterisco. Mezcla Mg(Al0.91Fe0.09)2O4. Estas reacciones toman Mg y Al de la mezcla y así evitan la formación de MgAl2O4. En la tabla IV se presentan algunas características de los posibles compuestos en este sistema. Es importante hacer notar que ninguno de estos últimos estaba presente en las mezclas al inicio, así si estos se formaron fue debido a que son termodinámicamente estables en las condiciones que impone la presencia del hierro. Los cálculos fueron hechos bajo el supuesto de un comportamiento ideal de los reactivos, sin embargo las desviaciones entre los valores calculados y los obtenidos son difíciles de explicar a partir simplemente de los cambios en la actividad de los reactivos. Tabla IV. Parámetros de red de diferentes especies encontradas en el sistema MgO-Al2O3-Fe2O3. International Centre for Diffraction Data.10 Los puntos de fusión provienen de las referencias 1 y 9 Parámetro de red (Å) Punto de Fusión (°C) Óxido doble de hierro FeAl2O4 y aluminio (hercynita) Cúbica, a=8.1534 1780 [8] Óxido de magnesio, hierro y oxígeno (ferroespinel) Mg(al,Fe)2O4 Cúbica, a=8.1905 Óxido de magnesio, hierro y oxígeno Mg(Al0.91,Fe0.09)2O4 Cúbica, a=8.1 Óxido de magnesio y aluminio (espinel) MgAl2O4 Cúbica, a=8.08 (Preparada mediante 2135 [8] reacción al estado sólido) Óxido de magnesio y aluminio (espinel) MgAl2O4 Cúbica, a=8.0831 (Preparada en horno de arco elétrico) 2135 [1] Hematita Fe2O3 Hexagonal, a=5.0317, c=13.737 1594 [8] Corundum Al2O3 Hexagonal, a=4.751, c=12.97 2054 [1] Magnesioferrita MgFe2O4 Cúbica, a=8.366 1700 [8] 1597 [8] Nombre Compuesto VI VII VIII IX Fe2O3 5 8.8 15 20 Al2O3 50 50 50 50 Magnetita Fe3O4 Cúbica, a=8.391 30 Periclasa MgO Cúbica, a=4.203 2825 [8] Wustita F eO Cúbica, a=4.296 1400 [8] MgO 45 41.2 Composición de la muestra 6E 6D 35 7E 7D 8E 8D 9E 9D MgO 13 22 11 4 7 4 6 3 Al2O3 18 14 20 2 24 2 27 0 MgAl2O4 61 28 56 48 47 47 40 0 Mg(Al0.91Fe0.09)2O4 * 30 * 36 * 36 * 53 MgFe2O4 0 0 0 0 0 0 0 0 AlFeO3 * 1 * 0 * 0 * 0 Fe3O4 3.5 0 6.6 0 12 0 15 0 Al2FeO4 3.5 6 4.8 10 7 11 9 44 Fe2O3 1.2 0 1.8 0 2.6 0 3 0 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Es claro que los modelos cinéticos planteados correctamente coinciden con la termodinámica cuando éstos describen sucesos en tiempos muy largos, infinitos para ser precisos. Sin embargo, lo que pasa frecuentemente es que muchos de los datos termodinámicos han sido obtenidos a partir de experimentos realizados a escalas de tiempo normales, y estas constantes incluyen aspectos cinéticos. 13 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al En otras palabras, si la difusión de un ión no es posible debido a que la energía de activación es demasiado grande para ser alcanzada, entonces los experimentos que evalúan las constantes termodinámicas de este sistema particular incluyen criterios de equilibrio que toman en cuenta esta dificultad. Jacob et. Al.3 explican como los datos termodinámicos están afectados por la distribución catiónica del espinel MgAl2O4, lo cual es precisamente el caso 11 aquí. Otro aspecto es que, como Zhang lo estableció, la difusión del Al3+ en MgO a altas temperaturas está relacionado con la presencia de vacancias creadas por disolución de Al3+ en MgO, la cual es directamente proporcional a la concentración de Al3+ en el rango de 1560 a 1900ºC. Por lo tanto, menos MgO significa menos disolución (y difusión) de Al3+, lo cual en combinación con más Fe, el cual puede tener una valencia de 3+ o 2+, reduce aún más la oportunidad del Al3+ para moverse dentro de la red. Debido especialmente a que el punto de fusión de la hematita y de los espineles de hierro es más bajo que el de la alúmina, lo cual significa que a ciertas temperaturas la difusión del hierro es mayor que la difusión del aluminio. Estas interacciones entre átomos son las únicas posibles explicaciones, dentro de este trabajo, por el hecho que los espineles de fierro se producen en lugar de los espineles de magnesiaalúmina, lo cual se supone son los productos que termodinámicamente deben aparecer. Hay que insistir en que simples suposiciones geométricas no son suficientes para explicar los cambios en la difusión, pues el radio atómico del Al3+ es tan pequeño, comparado con el de oxígeno, como el Fe+2 o F+3 (tabla V). Si la explicación fuera la difusión y la distribución catiónica, a altas temperaturas (2000ºC) existirían más productos de hierro y menos contenido de Tabla V: Radio Atómico de los diferentes iones12 Nombre Ion Radio Atómico (Å) Aluminio Al+3 0.51 Hierro Fe+2 0.74 Hierro Fe+3 0.64 Magnesio Mg+2 0.66 Oxígeno 14 -2 O 1.32 hematita. En otras palabras, a altas temperaturas las composiciones de las muestras son más cercanas al equilibrio termodinámico solamente si la competencia para difundir del fierro y la alúmina es la misma que a baja temperatura (1400ºC), lo cual no es el caso ya que los espineles de hierro son líquidos a la temperatura de 2000ºC y la difusión es mayor. Por lo tanto, aun con esas condiciones los resultados deberían mostrar menos espinel alúminamagnesia y más compuestos de hierro. En la tabla III, a pesar de lo discutido anteriormente en este documento, la fase líquida consume la mayor cantidad de óxidos de magnesio y aluminio contenido a lo esperado termodinámicamente. La descripción fenomenológica de la síntesis de espinel a partir de los óxidos precursores, tiene que ver con bandas de óxidos que deben de quebrarse para permitir la migración de átomos en distancias considerables (a escala atómica). Tales iones como Mg2+ en MgO y, Al3+ en Al2O3 son comúnmente determinados como fijos en los sitios apropiados en las celdas, así es difícil para ellos moverse a los sitios vacíos. Se puede suponer que los iones Fe3+ no entran en la estructura del MgAl2O4, pero también que el Fe3+ cambia su estado de valencia a Fe2+ y forma el FeAl2O4. La hematita además es un aditivo que no sólo disminuye la temperatura de reacción, especialmente porque la distribución de cationes no es solamente geométrica, también por la competencia entre el hierro y el aluminio por los sitios tetraédricos y octaédricos, se crea una distorsión en la estructura y el parámetro de red se ve modificado. Se llevaron a cabo múltiples experimentos, además de los de la tabla II, para probar lo anterior. La figura 7 muestra el amplio rango de composiciones que fue empleado. Nótese la variedad de las posibles fases producidas en el sistema MgO-Al2O3-Fe2O3. De acuerdo a los patrones de difracción, el parámetro de red es de 8.0831 Å tanto para el espinel producido a 1400ºC en el horno de resistencia eléctrica, como para el obtenido a 2000ºC en el horno de microondas. Este resultado sugiere que la energía que entra en la muestra es muy similar en ambos casos. La adición sucesiva de hierro (como hematita), reduce la cantidad de espinel MgAl2O4. Otro producto es Fe2Al2O4, como se presentó en la tabla II. Una observación importante fue que el espinel MgAl2O4 que fue producido con una concentración Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al Fig. 7. Diagrama ternario para el sistema magnesia (MgO)alúmina (Al2O3)-hematita (Fe2O3) en el que se muestran las composiciones estudiadas y las fases encontradas. alta de hematita cambia su parámetro de red desde 8.0831 a 8.08 Å, esto produce ligeros cambios en los picos de difracción (Ley de Bragg). Otro aspecto es que la intensidad de los picos también varía, por ejemplo el plano (111) localizado a 19.028º (2q) que tiene una intensidad relativa de 0.35 en el espinel cambia a una intensidad de 0.04 y 18.987º. La intensidad de los picos está relacionada al factor de estructura, y este último a las coordenadas fraccionales de cada átomo en la malla. Un aspecto que debe ser tomado en cuenta es que el parámetro de oxígeno, el cual corresponde a la distancia entre el ion de oxígeno y el vértice a lo largo de las diagonales, está afectado por la distorsión que se introduce en la malla por los iones metálicos. Por el tamaño de los sitios tetraédricos y octaédricos esto cambia, y los cationes pueden cambiar sus posiciones de tal forma que el parámetro de orden (d) del espinel se modifique, dando lugar a un factor de estructura que cambia los picos. La distribución de cationes que ha sido presentada (ecuación 2) corresponde a un espinel libre de hierro. La figura 8 muestra que la relación entre d (calculado a partir de la ecuación 2, parte baja de la curva) con respecto a la temperatura, permite ver que el espinel no es normal (En el espinel normal d es igual a 1). El parámetro de red del espinel es 8.08 Å. En este trabajo se muestra que el espinel normal no se produce cuando la hematita está en pequeñas cantidades en la mezcla, también, a medida que la cantidad de hematita aumenta el espinel “normal” fue producido en mayor cantidad. El efecto neto del hierro es que la temperatura aparente aumenta cuando la Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Fig. 8. Parámetros de orden d como función de temperatura. hematita es parte del sistema, lo cual es razonable debido a que el punto de fusión de los compuestos de hierro son bajos. El efecto global está representado por la constante en la ecuación 2 (25540 J/mol), lo cual está relacionada a la energía para el proceso de difusión. De acuerdo a la explicación que relaciona las vacancias y puntos de fusión arriba descrita, más hierro implica que la difusión del aluminio es más difícil. En la figura 8 hay otras dos curvas calculadas con la misma ecuación, pero considerando 1.5 y 2 (curva superior) veces el valor de energía (38310 y 51 080 J/mol). La línea se mueve de tal manera que se puede observar que el orden del parámetro es casi el mismo a alta temperatura cuando el hierro está presente. Esto es, las curvas y los resultados están en buen acuerdo. Esto está soportado sobre el hecho que el patrón de la difracción de Rayos-X fue tomado a 25ºC a partir de muestras obtenidas a partir de un horno de arco eléctrico, y el 10 exceso de MgO fue removido en HCI caliente. El espinel obtenido a baja temperatura por procesos como los de reacción en estado sólido tienden a tener estructura normal. En este patrón de difracción, los picos no corresponden al espinel normal. A bajas concentraciones de hierro, el espinel que se obtiene es igual al espinel normal sin importar si fue producido por calentamiento convencional a 1400ºC o a través de microondas a 2000ºC. Cuando el proceso fue realizado en un sistema binario, la fase formada es principalmente espinel. En la figura 9 se presentan varias composiciones donde el espinel fue encontrado. 15 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al Fig. 9. Patrones de difracción de rayos X de varias muestras obtenidas a 1400°C que muestran Mg(Al,Fe)2O4. Las composiciones (% molar) son: Muestra 50) 35 MgO-55 Al2O3-10 Fe2O3: Muestra 46) 50-MgO-40Al2O3-10Fe2O3 : Muestra 33) 40 MgO-55 Al2O3-10 Fe2O3: Muestra 32) 40 MgO-40 Al2O3-20 Fe2O3. Con respecto a la presencia del espinel Fe (Fe1-xAlx)2O4, este estudio está de acuerdo y amplía 13 los resultados presentados por Moon y Philips a 1500ºC. Una vez que se ha comprobado la formación de espinel se llevaron a cabo las observaciones mediante microscopía de fuerza atómica, para tratar de describir las etapas posibles que intervienen en el crecimiento de los cristales de espinel. Se aprecia estructura celular para las dos rutas de producción utilizadas (convencional y microondas) (figuras 10 y 11). Se sugiere que es resultado del sobre-enfriamiento constitucional del sistema reaccionando debido a la acumulación de impurezas cerca de la superficie. Fig. 11. Vista tridimensional (3D) de la superficie del espinel mediante microscopía de fuerza atómica en modalidad de contacto. La muestra fue obtenida a partir de una mezcla (% molar) de 50 Al2O3-35 MgO- 15 Fe2O3, mediante microondas. La distribución de las impurezas en los cristales del espinel formado depende del gradiente de temperatura. En estos experimentos el calor fue extraído del centro de la muestra hacia el exterior en dirección perpendicular al frente de crecimiento. En estas condiciones las impurezas se desplazan del centro a la periferia y por lo tanto la concentración de éstas es mayor en las fronteras que en el centro. Se ha observado que en las muestras en las que se utilizaron microondas como fuente de energía contenían cristales parecidos a dendritas en algunos lugares. Este hecho demuestra que la rapidez de enfriamiento se vuelve suficientemente alta en ciertos lugares y la estructura celular de la superficie se perturba con una tendencia a formar dendritas o monocristales (Wiskers). Se encuentra que el cristal crece mediante la formación sucesiva de escalones Tabla VI. Análisis mediante EDX en diferentes puntos de la frontera de los cristales de Mg(Al,Fe)2O4. Muestra obtenida a partir de una mezcla de Elementos 50Al2O3-30MgO-20Fe2O3 (%molar) calentada convencionalmente Fig. 10. Vista tridimensional (3D) de la superficie del espinel mediante microscopía de fuerza atómica en modalidad de contacto. La muestra fue obtenida a partir de una mezcla (% molar) de 50 Al2O3-45 MgO- 5 Fe2O3, mediante calentamiento convencional. El análisis de las fronteras de los cristales se llevó a cabo mediante espectrometría de rayos X (EDX) pone en evidencia una mayor concentración de hierro (tabla VI). 16 Muestra obtenida a partir de una mezcla de Composición 50Al2O3-40MgO-10Fe2O3 en el cristal (%molar) calentada tipo dendrita mediante microondas O Mg Al Fe 59.2 5.26 32.06 3.51 64.37 4.74 24.11 6.78 62.44 26.1 5.23 6.18 O Mg Al Fe 54 6.19 35.7 4.11 62.5 5.06 24.71 7.73 60 27.14 5.54 7.32 O Mg Al Fe 56.68 5.95 33.22 4.16 62.59 3.9 25.36 8.15 58.93 28.15 5.35 7.57 O Mg Al Fe 53.7 6.27 35.48 4.55 59.88 5.16 26.74 8.23 57.88 26.35 6.5 9.27 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al Fig. 12. Ejemplo típico de la morfología de la superficie clivada del espinel. Muestra de la Fig. 11. (figura 12) vía la penetración de partículas en la estructura, pero solamente en sitios privilegiados para el crecimiento, los cuales son la fuente de los escalones. En las condiciones de crecimiento, las secciones con escalones desaparecen, dejando una superficie regular en la cual se puede dar crecimiento de nuevos escalones tan pronto como se presenten nuevas fuentes de escalones. Esto puede ser explicado por diferentes velocidades de crecimiento, las cuales dependen a su vez de la cantidad de materia llegando desde la superficie mediante difusión. Se observan además terrazas amplias sobre algunos de los escalones, las cuales sugieren crecimiento estable. Algunos escalones muestran bordes redondeados (figura 13), lo cual demuestra que la difusión superficial puede no ser uniforme, y que en algunos casos lleva al empobrecimiento de soluto de un escalón y que en otros se den cristales elongados semejantes a dendritas (figura 14). Fig. 13: Imagen de microscopía de fuerza atómica de la frontera de los escalones en una muestra que fue obtenida a partir de una mezcla (% molar) de 50 Al2O330 MgO- 20 Fe2O3, mediante microondas. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Fig. 14. Imagen de microscopía electrónica de barrido. La dendrita es más rica en Mg y Fe. La muestra corresponde a la de la Fig. 13. El análisis (EDX) de los cristales en forma de dendrita revelan una concentración mayor de hierro y magnesio (tabla VI). Se observó un incremento en el número de cristales presentes en las muestras que fueron obtenidos mediante microondas. Esto podría ser explicado por una interacción con el campo eléctrico que resulta en fluctuaciones de energía que contribuyen a la formación de microcristales estables. Las observaciones realizadas mediante microscopía de fuerza atómica (figuras 15 y 16) además evidencian que en las muestras obtenidas mediante microondas hay crecimiento orientado, posiblemente en la dirección del campo eléctrico. Fig. 15. Vista tridimensional (3D) del crecimiento de un cristal mediante microscopía de fuerza atómica en modalidad de contacto. La muestra fue obtenida a partir de una mezcla (% molar) de 50 Al2O3-30 MgO- 20 Fe2O3, mediante microondas. 17 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al Fig. 16. Vista tridimensional (3D) del crecimiento de un cristal orientado. La muestra fue obtenida a partir de una mezcla (% molar) de 50 Al2O3-45 MgO- 5 Fe2O3, mediante microondas. CONCLUSIONES En este trabajo se demostró que la producción del espinel magnesia-alúmina a 1400°C es posible cuando se agrega hematita a la mezcla de magnesia y alúmina. La presencia de hierro produce compuestos tales como maghemita y magnesioferrita. Por encima del 50% molar de hematita la muestra no presenta más compuestos con hierro y la hematita queda libre de la solución. Un aspecto importante es que el hierro no es una impureza, sino más bien un aditivo para disminuir la temperatura de procesamiento del espinel. Se presentan en este trabajo de manera general las fases que pueden encontrarse en el sistema alúmina-magnesia-hematita, que no ha sido completamente reportado. Los cálculos termodinámicos dependen de la consistencia de los datos, y en este trabajo se muestra que hay diferentes tipos de espinel, lo que explica el amplio rango de valores de constantes termodinámicas. La adición de hematita no inhibe la producción del espinel alúmina-magnesia, a menos que alcance los valores del 8% a 1400ºC o 15% a 2000ºC, valores para los cuales el equilibrio promueve la formación del espinel de hierro, este efecto no se reduce con la temperatura, lo que prueba que el cambio de fase al estado líquido juega un papel en la difusión de los iones de hierro sobre la de los iones de aluminio. La presencia del hierro induce la producción del espinel magnesiaalúmina en la estructura normal a alta temperatura, 18 y la estructura tiene un parámetro de red de 8.0831 Å. El hierro induce el orden en el espinel alúminamagnesia, cuando el MgAl2O4 se obtiene con hierro a alta temperatura, el orden es similar al preparado por procesamiento en estado sólido a bajas temperaturas. Los resultados confirman que los iones de aluminio reducen su movilidad cuando el hierro está presente, lo cual explica porque el espinel MgAl2O4 no se produce arriba de los porcentajes de hematita arriba mencionados. Por otra parte la presencia de hierro altera las propiedades estructurales de la superficie, tomando en cuenta el método de procesamiento. En ambos casos la difusión se vuelve no-uniforme. Se presentan series de escalones y terrazas sucesivas que seguramente constituyen el mecanismo de crecimiento del espinel. La interacción del campo eléctrico crea fluctuaciones energéticas que contribuyen a la formación de microcristales estables. Se especula que los cristales están orientados por el campo eléctrico, lo que por supuesto requiere trabajo posterior. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su gratitud al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y al Programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica de la UANL por su apoyo económico. Oxana Kharissova expresa además su gratitud a la Secretaría de Relaciones Exteriores de México. REFERENCIAS 1. W. Kingery, H. Bowen, D. Uhlmann, “Introduction to Ceramics”, John Wiley and Sons, (1976) pp. 64, 991 2. D. Maschio, B. Fabbri, C. Fiori, “Industrial applications of refractories containing magnesium aluminum spinel”, Industrial Ceramics, 8 (1988) 3, pp. 121-126 3. K.T. Jacob, KV. Jayedevan, Y. Waseda “Electrochemical determination of the Gibbs energy of formation of MgAl2O4”, Journal of the American Ceramic Society, 81 (1998), pp. 209-212 4. V.K. Singh, R.K.. Sinha “Low temperature synthesis of spinel” Mater. Lett. 31 (1997), pp. 281-285. 5. J. Aguilar, M. González, I. Gómez, “Microwaves Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al 6. 7. 8. 9. as an energy source for producing magnesiaalumina spinel”. Journal of Microwave and Electromagnetic Energy, 32 (1997), pp. 74-79 L. Darken, R. Gurry, “Physic Chemestry of metals”, McGraw Hill Company (1953) F.A. Hummel, “ Introduction to phase equilibria in ceramic systems”, Marcel Dekker Inc. (1984), pp. 347-354 D.R. Stull, Prophet, “Joint Army Navy Air Force Thermochemical Tables”, National Standard Reference Data, Washington (1971) O. Kubaschewski, C.B. Alcock “Matallurgical thermo-chemestry”, Fifth Edition, Maxwell Macmillan International Editions (1989), pp. 284, Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 294, 326, 328, 330 10. JCPDS-International Centre for Diffraction Data, 1997. Joint Commite on Powder Diffraction Data 11. P. Zhang, T. Debroy, S. Seetharaman,”Interdiffusion in the MgO-Al2O3 spinel with and without dopants”,. Metallurgical and Mater.Transac. A., 27 (1996), pp. 2105-2114 12. C. Boudias, D. Monceau, “CaRline Crystallography Version. 3.1”, ESM Software (1998), France 13. A.K. Moon, M.R. Philips, “Iron and spinel precipitation in iron-doped sapphire”, Journal of the American Ceramic Society, 74 (1991), pp. 865-868 19 �CIQA: El Centro de Investigación en Química Aplicada Eduardo Estrada Loyo Asistente editorial de la revista CiENCiA UANL. ciencia@ccr.dsi.uanl.mx En el contexto mundial de la globalización cobra relevancia el desarrollo de la investigación científica y tecnológica, al mismo tiempo que la formación de profesionales y especialistas de altura. Los Centros Públicos de Investigación Científica y Desarrollo Tecnológico son un grupo de instituciones encargadas de cumplir con la tarea de crear y transmitir a la sociedad la innovación y el desarrollo tecnológico. Así como el fomentar la competitividad en la empresa y en la industria. Estos centros son parte de un sistema creado por la Secretaría de Educación Pública y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. En total son 28 centros de investigación que abarcan los principales campos del conocimiento científico y tecnológico. Los Centros Públicos de Investigación Científica y Desarrollo Tecnológico están orientados a cuatro áreas. Nueve a las ciencias exactas y naturales, 10 a las ciencias sociales y humanidades, siete especializados en desarrollo e innovación tecnológica y dos a la prestación de servicios. Estas instituciones tienen su sede en dieciséis ciudades del país. Incluyendo unidades y subsedes; su influencia se extiende a 42 ciudades, además de la de México, descentralizando, de alguna manera, la actividad científica y tecnológica. Otro aspecto fundamental de estos centros es su participación en la formación de recursos humanos de alto nivel. 25 de estos centros cuentan con programas de postgrado o participan en los mismos en combinación con otras instituciones académicas, como la UANL. Dichos programas están integrados por cursos, talleres, diplomados, especializaciones, licenciaturas, maestrías y doctorados. Los cuales constituyen, hasta la actualidad, 34 programas de doctorado y 45 de maestría. Uno de estos centros, (CIQA), del sistema SEP-CONACYT, se ubica en la ciudad de Saltillo, Coahuila. Siete edificios albergan las distintas áreas del Centro, donde se hallan: la administración, las aulas, los laboratorios y las pequeñas plantas de producción de polímeros con que cuentan. Fundado en 1976, en un principio el CIQA se dedicó al estudio y aprovechamiento de los recursos naturales de las zonas áridas, específicamente, las propiedades del guayule, la candelilla, la palma, la lechuguilla y la gobernadora. Plantas de las cuales se obtiene hule natural, cera, fibras y extractos, respectivamente. El Centro se ocupó de esta actividad durante los primeros ocho años, creciendo en torno a estos proyectos. 20 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �CIQA: El Centro de Investigacón en Química Aplicada / Eduardo Estrada Loyo En 1984 la junta directiva del CONACYT requirió al CIQA para trabajar con proyectos que le pudieran interesar a la industria, así fue como el Centro orientó sus objetivos al área de polímeros, o plásticos. Para entonces, ya existía el departamento de polímeros, así como el de química agrícola, biología vegetal y química analítica. Incluso existía un departamento de estudios socioeconómicos, que abordaba los asuntos relacionados con las comunidades ejidales ubicadas en las zonas donde abundan las plantas arriba mencionadas. El CONACYT también le solicitó al CIQA que se dedicara a una sola área de investigación. La Junta Directiva del CONACYT no quería que estuviera tan disperso. El departamento de polímeros era el que más había crecido, por lo que se tomo la decisión natural de dedicarse a ello. Además se vislumbraba que el área de plásticos estaba creciendo en nuestro país. Fue así como el CIQA inició una ardua labor de vinculación con la industria. En aquel entonces el mercado de México era un mercado cerrado, es decir, lo que producía una empresa mexicana, bueno o malo, forzosamente se vendía en el país. Las fronteras se encontraban cerradas a la competencia exterior. A las empresas en esas condiciones, no les interesaba desarrollar tecnologías para mejorar sus productos. Por otro lado la vinculación de las universidades e institutos de investigación públicos con las empresas, única y exclusivamente se realizaba a través de la SEP, por lo tanto, era difícil, en cuanto a atajos, relacionarse directamente con la industria. Consecuentemente, la vinculación del CIQA con la industria se vino fortaleciendo al firmarse el Tratado de Libre Comercio entre México, Estados Unidos y Canada, dando fin al proteccionismo oficial y fomentando la competencia. Actualmente el CIQA continúa desarrollando y fortaleciendo esta vinculación, haciendo investigación, creando tecnología, proporcionando asistencia técnica y capacitación, orientando sus proyectos a la creación de nuevas tecnologías basadas en productos ya existentes, con modificaciones ligeras o fuertes, aunque también lleva a cabo sus propios desarrollos. Otra área que investiga el CIQA es la creación de metodologías para la optimización de los proce- Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. sos de producción del plástico caracterizándolo con nuevas propiedades, mejorando sus procesos de producción e incrementando la productividad. En nuestro país, la gran y la mediana industria, demandan a los Centros de investigación científica como el CIQA, el desarrollo de tecnología. La mediana y la pequeña industria, les requieren asistencia técnica para mejorar su productividad, para eficientizar sus procesos de producción, y para el análisis y pruebas de materias primas. LOS PLÁSTICOS El CIQA trabaja, predominantemente, con los plásticos del tipo Comodities, entre los que destacan; el polietileno, el polipropileno y el PVC, los cuales son los de más alto consumo. Respecto a los de Ingeniería, en el CIQA se investiga el nylon y el poliéster, principalmente. Aproximadamente un 90% de la producción de plásticos en México pertenece a la categoría de los Comodities, son los más baratos. México es un gran productor de PVC y de polietileno. Produciendo, con dificultad, el suficiente polipropileno y poliestireno para satisfacer la demanda nacional. Actualmente, se está empezando a producir poliéster y nylon en cantidades aceptables en plantas de tecnología extranjera que se han venido instalado en el país en los últimos cinco años. En el caso del nylon el productor más grande se encuentra en nuestra ciudad: el grupo AKRA de Monterrey. De todo el plástico que se consume en México, un 40% se destina al empaque envase y embalaje. Es el tipo de plásticos que más servicios de desarrollo tecnológico, o de aumento a la productividad, demandan las empresas a los centros de investigación. 21 �CIQA: El Centro de Investigacón en Química Aplicada / Eduardo Estrada Loyo El CIQA investiga poco, relativamente, con el PVC, los adhesivos, y plásticos destinados al uso eléctrico, electrónica o la industria automotriz, comparado con los productos destinados al empaque, envase y embalaje. En cuanto a plásticos destinados para su uso en el área médica, no se ha hecho en México mucha investigación, aunque existe un mercado. En ese campo el CIQA está desarrollando polímeros que ayudarán al tratamiento de las fracturas. PROCESOS DE PRODUCCIÓN 85% de los plásticos que se producen en México se procesan a través de las técnicas de extrusión e inyección. El otro 15% corresponde a los plásticos procesados a través de los métodos de calandrado, termoformado, vaciado y moldeo por compresión. El proceso de calandrado o laminación se efectúa en una maquina con dos rodillos, entre los cuales se hace pasar el plástico que va saliendo en forma de lámina. A continuación exponemos las áreas de desempeño donde el CIQA ha centrado sus líneas de investigación y servicios. Síntesis y modificación química de materiales poliméricos En los laboratorios y en las pequeñas plantas de producción que tiene el CIQA, se realiza la modificación química y la caracterización de materiales. Por ejemplo, el polietileno es una molécula compuesta de carbono e hidrógeno, al agregársele anhídrido maleico en un 3%, queda “injertada”, infiriéndole ciertas características químicas. Síntesis de aditivos especiales para polímeros Existen dos tipos de aditivos; uno para reforzar las características del plástico y el otro para protegerlo del ambiente. El primero se utiliza para hacerlo más resistente al impacto, que no se quiebre fácilmente. El otro evita que se degrade, por ejemplo cuando se exponen al Sol continuamente por efecto de la luz ultravioleta. Este tipo de aditivos forman una pantalla contra dicha radiación. El CIQA ha trabajado constantemente en la síntesis de nuevos aditivos ya que la mayor parte de los plásticos que se usan como producto final los requieren. 22 Polimerización en emulsión y microemulsión Este proceso se utiliza frecuentemente en la fabricación de pinturas y en la producción de plásticos como el PVC o el acrílico. Utilizando un reactor químico para lograr la emulsión. En el CIQA se investiga, particularmente, con los reactivos que inciden en el tamaño de las partículas del látex o emulsión, la cual suele resultar en una pintura compuesta por partículas de plástico. Cuyo tamaño incidirá en las propiedades de la misma. De tal forma que se busca predecir o dominar el tamaño de estas partículas, lo cual incidirá en las características del producto final. Mezclas y aleaciones de polímeros En los plásticos, igual que en los metales, se recurre frecuentemente a la mezcla y la aleación de polímeros. Las mezclas de polietileno y polipropileno, son las más utilizadas en el plástico común y corriente, también existen mezclas de nylon y polietileno, en fin; existen muchos tipos y variedades de mezclas con grados y concentración diferentes. De lo que se trata aquí es que el producto final reúna ciertas características. Requiriéndose de compatibilidad entre los productos plásticos a mezclar. El CIQA ha estado trabajando en el desarrollo de los denominados compatibilizantes o procesos de compatibilización de los polímeros. Caracterización de materiales El CIQA cuenta con instrumental y equipo para analizar, caracterizar y determinar con exactitud, la estructura química y la concentración de todos los elementos que conforman los polímeros. En este campo se han desarrollado metodologías para caracterizar y analizar los materiales plásticos, haciendo algunas aportaciones tecnológicas, por ejemplo en la agricultura, donde el CIQA ha realizado algunos proIngenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �CIQA: El Centro de Investigacón en Química Aplicada / Eduardo Estrada Loyo yectos de investigación que se han aplicado exitosamente. Es en el sistema de riego por goteo, donde el CIQA ha caracterizando plásticos para la fabricación de mangueras, goteros, y acolchado para cubrir surcos. Esta tecnología mejora la calidad de los productos agrícolas, aumenta la productividad y ahorra agua. El CIQA ha diseñado algunos tipos de materiales plásticos que reúnen las propiedades y los efectos requeridos en el cultivo de las hortalizas. También ha incursiónado en el diseño de plásticos para invernadero. Otra aplicación de los plásticos que el CIQA ha desarrollado para la agricultura, es el uso del sistema de acolchado. Aquí se cubren los surcos con un plástico, sembrando las plantitas en unas perforaciones hechas ex profeso, haciendo que se desarrollen más rápidamente. Así, en vez de hacerlo en dos meses, lo hará en mes y medio, pudiéndose levantar la cosecha antes, y por lo tanto llegando más pronto al mercado. Hay que subrayar que estas tecnologías son altamente rentables cuando se utilizan en las hortalizas. No así en los granos. En México existen varios ranchos en donde se aplica este tipo de tecnología que es cara pero muy rentable. Procesamiento reactivo La inyección del plástico consiste en introducir gránulos de polietileno en una máquina inyectora. Ya dentro, se calienta y se bombea a un molde donde se enfría y se solidifica. Se requiere una máquina de mucha fuerza para inyectar este plástico, ya que se encuentra en un alto grado de viscosidad. El procesamiento reactivo consiste en que, a través de una reacción química desencadenada por un catalizador, se efectúa la polimerización dentro del mismo molde. En la actualidad este procedimiento se realiza únicamente con dos tipos de plásticos: los poliuretanos y el nylon, que tienen las propiedades para reaccionar en el molde, con la ventaja de que la máquina es más pequeña porque no se necesita tanta fuerza para inyectarlos. continuación los mencionamos y exponemos el tipo de actividad que desarrollan. Plantas Piloto El CIQA cuenta con plantas piloto donde, en pequeños reactores de distintas características, de aproximadamente veinte litros, llevan a una escala un poco mayor que en el laboratorio, las reacciones químicas. En las plantas piloto se cuenta con equipos de extrucción e inyección, se aplican los hallazgos del laboratorio y se elaboran botellas, bolsas y empaques de plástico. Otra pequeña planta está equipada con moldeadoras de comprensión, donde también se hacen mezclas y aleaciones. Laboratorio de análisis mecánico Donde se efectúa el análisis de propiedades y de resistencia mecánica, de resistencia al impacto y a la tracción. Contando con área donde se realizan pruebas de tipo realógico Laboratorio de Química de Polímeros En esta área se investiga el desarrollo de monómeros, o de iniciadores para polimerizaciones, buscando obtener algún producto útil. En este momento, el CIQA investiga el desarrollo de polímeros que tengan una mayor resistencia al impacto. Trabaja también en un nuevo tipo de catalizadores denominados metalocenos, los cuales tienen la propiedades para obtener polímeros altamente regulares en su estructura química, lo cual mejora las propiedades de resistencia a la tensión y de resistencia a la abrasión. LABORATORIOS En el CIQA existen diferentes tipos de laboratorios de química y de física, con el equipo y la tecnología necesarios para efectuar caracterizaciones y reacciones químicas en pequeña escala. A Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 23 �CIQA: El Centro de Investigacón en Química Aplicada / Eduardo Estrada Loyo Laboratorio de Ingeniería de Reacciones de Polimerización Aquí se trabaja en el desarrollo de la denominada micro-emulsión, para la obtención de bases para pinturas de agua. Laboratorio de Biopolímeros o de Biomateriales En esta área se investiga con seres vivos para producir polímeros, por ejemplo: los biocementos los cuales se desarrollan con el fin de sustituir partes óseas dañadas o para implantes que deben de ser biocompatibles con el organismo. Se buscan también materiales que sean biodegradables como el poliuretano biodegradable. Recientemente han estado desarrollando nuevos métodos para la obtención de polímeros para su aplicación en electrónica o con propiedades de foto o electroluminiscencia, orientándose a la síntesis, a la evaluación y a la caracterización de estos nuevos materiales. Laboratorio de Análisis Térmico Aquí se caracterizan las muestras de los polímeros en función de la temperatura, y se cuantifican de manera confiable los porcentajes de los componentes principales. El área de caracterización físico-química cuenta con un equipo de calorimetría de Diferenciación de Barrido, con él se determinan propiedades térmicas como: temperatura de fusión y cristalización de oxidación, así como el curado y entrecruzamiento de los polímeros. También se utiliza para determinar la temperatura a la que se degrada un polímero y su oxidación en una atmósfera oxidativa. Este laboratorio también cuenta con un equipo de Análisis Termogravimétrico que mide la velocidad de pérdida de peso de los polímeros en función de la temperatura. CAPACITACIÓN Existe un programa de cursos y diplomados destinados a las empresas y a las instituciones académicas. Asimismo una maestría y un doctorado en tecnología de polímeros. El CIQA firmóun contrato para realizar una maestría en colaboración con una empresa del estado de Veracruz, y un equipo de científicos y catedráticos, se trasladó hacía aquel Estado para impartirlos. La maestría de polímeros consta de un programa de nueve cursos, con duración de dos años, durante los cuales los estudiantes llevan acabo una tesis en los laboratorios con que cuenta el CIQA. También se tienen convenios con algunas instituciones en donde los estudiantes pueden desarrollar la tesis en su lugar de origen, ya sean instituciones académicas o empresas que cuenten con laboratorios. Los estudiantes que llegan con su grado de maestría, para obtener un doctorado en el CIQA, desarrollan durante tres años y medio, un proyecto de investigación complementándolo con algunos cursos dirigidos por uno o dos directores de tesis. Los estudiantes que sólo llegan con su licenciatura y quieren tomar el doctorado tienen que realizar todos los cursos que el CIQA ofrece en su programa de maestría, efectuando, posteriormente, durante tres años y medio, su tesis de doctorado, con la diferencia de que no hacen su tesis de maestría. OTROS RECURSOS El CIQA cuenta también con cuatro servidores de informática. Uno que da servicio a el sistema de Intranet, otro al Internet Inalámbrico, uno más para los correos electrónicos y por ultimo, otro que se encarga de llevar los asuntos administrativos, con un Centro de Información Gerencial donde se localiza toda la información administrativa y de finazas del Centro. Cuentan también con una Torre de Almacenamiento de discos compactos con una capacidad de 48 unidades de CD. En el CIQA existe una extensa biblioteca especializada en química y en polímeros, siendo la biblioteca más extensa sobre este tema en el país. Esta 24 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �CIQA: El Centro de Investigacón en Química Aplicada / Eduardo Estrada Loyo El plástico a diferencia del vidrio o de cualquier metal, no se puede usar una y otra vez, sin que deje de perder sus propiedades físicas químicas y mecánicas. El plástico, cuando se usa para elaborar un producto y se quiere reusar en otro, requiere de un re-procesamiento donde se funde nuevamente. Esto afecta la composición de las moléculas, que en términos generales se degradan, por lo que va perdiendo sus propiedades físico-químicas y mecánicas, lo mismo que sus características. En este caso lo que va quedando del plástico se reusa en productos menos demandantes de propiedades mecánicas y físicas. biblioteca cuenta además con publicaciones periódicas en español y en inglés. FUTURO DE LA INDUSTRIA DEL PLASTICO El mercado de los polímeros es una industria que va a seguir creciendo. Quizá con algunas limitantes, como el aspecto de la contaminación. Aunque el plástico por sí mismo no es contaminante, sí contamina cuando se quema. Los vapores de algunos de ellos son venenosos, como los del PVC, que despide ácido clorhídrico. Lo que sucede con el plástico es que tarda mucho tiempo en degradarse por sí mismo. Este es uno de los retos que tiene la industria del plástico. En muchas de sus aplicaciones, sobre todo las que se refieren a envase empaque y embalaje, deberá desarrollar productos que se degraden más rápido, programándolos, por ejemplo, para un uso de seis meses. Existen algunos avances en este sentido, como el de los plásticos biodegradables, los cuales se pretende se degraden por medio de la acción de microorganismos. Existen otros proyectos, como el de los plásticos fotodegradables, que pudieran degradarse por acción de la luz ultravioleta del Sol. De manera paradójica existen otras aplicaciones en donde precisamente lo que se quiere es evitar la degradación del plástico, como los utilizados en la industria automotriz, en donde se requiere una mayor durabilidad de los componentes. El reciclaje es otro problema que la industria del plástico se ha venido planteando desde hace tiempo. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. CONCLUSIÓN El hecho de que en México exista ahora un mercado abierto, le ha traído al CIQA una mayor vinculación con la empresa. Por otro lado, el CONACYT pretende la implementación de fondos que vendrán a estimular la investigación, como lo son los fondos sectoriales, donde la Secretaría de Energía y la Secretaría de Agricultura abrirán convocatorias para los centros de investigación. Otros son los denominados fondos mixtos, en ellos el CONACYT junto con los Estados de la Federación, establecen convocatorias para los centros de investigación. Otro tipo de fondo con que los Centros de Investigación Científica contarán en un futuro próximo, son los fondos privados donde el CONACYT y las empresas colaborarán en el establecimiento de un financiamiento que fomentará la investigación en las áreas que cada Centro elija. Por otro lado, el CIQA tiene convenios con otras instituciones de investigación científica o de corte académico. Con la Universidad Autónoma de Nuevo León a pesar de no existir algún convenio, el CIQA tiene una colaboración muy estrecha. En algunos casos, colaboradores del CIQA han trabajado para la UANL, o al revés. Existe una muy estrecha colaboración entre ambas instituciones, específicamente con FIME y con FCQ. 25 �Apuntes de historia de la química industrial en México Benito Bucay Grupo Industrial Bre, S.A. de C.V. Paseo de la Reforma 2360, Lomas de Chapultepec, México 11020, D.F. Tel: 5596-5300 ext. 127 ABSTRACT The practice of industrial chemistry in México stems directly from the significant development of the mining industry during the Spanish Colony. It took off during World War II and experienced its major expansion from 1960 through 1990. During the recent decade it has gone through a process of consolidation derived from the opening of the domestic marked and the shift to exports. All of this has resulted in a reduction of the number of participants and facilities; only those with the proper size and up-to-date technology remain. KEYWORDS Industrial chemistry, chemical industry, history. RESUMEN La química industrial en México desciende de las actividades mineras de la época de la Colonia. Su despegue ocurre durante la Segunda Guerra Mundial y tiene un fuerte desarrollo en varios frentes entre 1960 y 1990. A partir de entonces, se ha dado un proceso de consolidación y reestructura como consecuencia de la apertura económica, lo cual ha conducido a una reducción en el número de participantes y actividades, quedando sólo aquéllas que tienen una base firme de tecnología y capacidad que les permite enfrentar a la competencia internacional. PALABRAS CLAVE Química industrial, industria química, historia. INTRODUCCIÓN Debo justificar la modestia del título pues el desarrollo industrial de la química en nuestro país, como seguro ocurre con otras disciplinas, es más bien una historia de hombres y mujeres -algunos visionarios, otros comprometidos, unos más parecen cocineros o tintoreros juguetones- todos entregados con pasión y creo por eso, que la historia debe escribirse sobre ellos y no tanto sobre el producto de sus esfuerzos. Pero en fin... 26 Artículo publicado en la Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 45, No. 3, Julio-Septiembre del 2001. Reproducido con autorización de la Sociedad Química de México. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay También decidí hablar de la química industrial y no de industria química, pues éste último término tiene una connotación más restringida y es mucho más reciente, en casi tres siglos; de ahí el título. LOS COMIENZOS Que México era una tierra rica, extensa y con vocación minera lo descubrieron muy pronto los conquistadores españoles. No en balde habla el poeta de los veneros de plata. Desde la época de la colonia, la explotación del oro y la plata (especialmente ésta) fue una de las actividades más importantes para la economía de la Nueva y de la vieja España. Bernal Díaz narra cómo los habitantes de Texcoco aprovechaban la época de estiaje para dejar evaporar aguas de la parte remota del lago (hoy Ecatepec), con lo que se formaba una costra de sales (tequesquite) que los habitantes usaban como un jabón mineral. Cuatro siglos después esto daría lugar a una importante factoría, pero en la época colonial ya se usaba esta sal como el álcali necesario para producir jabón. Pero la vocación minera dominó; fue en la Nueva España que Bartolomé de Medina desarrolló su “Método de Patio” (hoy lo llamaríamos tecnología), con el cual fue posible extraer plata aún de minerales de baja ley, y que fue tan efectivo que proyectó al país como el mayor productor del mundo. Muchos otros contribuyeron en los siglos 17 y 18 al gran desarrollo de la industria minera y luego metalúrgica (ya a finales del 18 operaba la primera fábrica de pólvora de Hispanoamérica). Tal auge llevó en 1792, gracias a las reformas borbónicas, a la creación del Real Seminario de Minería donde se impartieron los cursos formales de química (que se habían iniciado en forma tentativa poco años antes). El Real Seminario propició la investigación y el desarrollo de procesos industriales, y en donde los grandes científicos e investigadores como Fausto de Elhúyar y Andrés Manuel del Río formaron numerosas generaciones de profesionistas. Fue allí también donde se constituyeron los primeros laboratorios de química analítica cualitativa y cuantitativa, apoyo esencial en la investigación. La guerra de independencia y la sucesión de conflictos externos e internos paralizó tal auge durante décadas y fue hasta el último tercio del siglo 19 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. cuando el desarrollo industrial químico (y de proceso) se reanudó. Aparecen así las primeras fábricas de cemento, jabón y acabado de telas en México y Puebla. Monterrey inicia en esta época su inagotable desarrollo de estas industrias, empezando con la cervecera, de la que se derivarían prontamente los primeros adelantos nacionales en fabricación de vidrio y cartón, pronto complementadas con el primer alto horno de Fundidora de Hierro y Acero de Monterrey, así como el primer convertidor Bessemer para producción de acero en América Latina. LA VISIÓN DE INDUSTRIA QUÍMICA Aún en los países europeos más desarrollados, la industria química en la última parte del siglo XIX no es motivo de una visión de conjunto. Industrias tan importantes como la de los álcalis (impulsada desde Bélgica con la invención del proceso Solvay), explosivos, y especialmente colorantes sintéticos recién desarrollados, dan lugar a un crecimiento vertiginoso de las empresas que después se convertirán en los titanes de la industria: Bayer, BASF, Hoechst, Imperial Chemical Industries, Dupont del lado opuesto del Atlántico, y en una escala un poco menor Ciba y Geigy. Sin embargo, los procesos usados para fabricar cada uno de la vasta cantidad de productos, se estudian y aplican como recetas de cocina; maestros artesanales- cual “chefs”- guardan celosamente sus recetas, sus diseños y sus métodos, de modo que el quehacer de esta industria es en ese entonces, mucho más arte que ciencia. Es curioso observar aún este fenómeno en nuestro días: la producción de whisky en Escocia dio lugar a no menos de 50 diseños distintos de fermentadores y 27 �Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay alambiques que continúan operando después de más de 150 años (y que en la opinión de conocedores, dan al producto alguna característica distinta a todos los demás). En medio de esta abrumadora diversidad, los estudios empezaban a hacer converger conocimientos de química, física, ingeniería mecánica y civil, etc., que aisladamente eran insuficientes para ayudar en la comprensión de esta clase de procesos. Fue así que George Davis -profesor en el Manchester Technical College- acuña el concepto de ingeniería química y escribe el primer texto de esta disciplina en 1901. Pocos años más tarde en el Tecnológico de Massachussets los profesores Walker, Lewis y McAdams le dan forma al concepto de operaciones unitarias, que permite unificar -a la vez que dar sustento científico y leyes generales- tan diversas operaciones y procesos. Es válido decir que el progreso de la química industrial no habría podido continuar sin esta visión unificadora y generalizadora que le da la ingeniería química. Si lo anterior es cierto en el mundo, lo es más aún al particularizar a nuestro país. Después de varios años de esfuerzos sin mengua ni tregua, Don Juan Salvador Agraz presenta al Presidente Madero en 1913 una solicitud de apoyo a su proyecto para crear una Escuela Nacional con vocación de la química. La benevolencia con que fue vista esa petición no fue suficiente, especialmente por los fragores de la Revolución, así que fue hasta 1916, después de peregrinar por oficinas de varios funcionarios que se sucedían de manera vertiginosa, que el maestro Agraz obtiene el apoyo necesario del gobierno de Venustiano Carranza y se inaugura el 23 de septiembre la Escuela Nacional de Química Industrial. Se le dotó de un viejo edificio en el pueblo de Tacuba que en diversas épocas fue cuartel, escuela y hospital que albergaría a la Escuela durante casi 40 años. Ahí iniciaron programas de las carreras de químico industrial y peritos y prácticos industriales, que incluían talleres de industrias específicas como teñido y estampado textil, curtiduría, aceites esenciales, hules, resinas, azúcar y alimentos, entre otros; al fin la química tomaba carta de nacionalidad. En el México de entonces cuya gestación no acababa de completarse, muy poca cabida había para 28 los primeros alumnos de esta escuela, pues la incipiente industria recurría a “técnicos” en su mayoría europeos y que tenían, en el mejor de los casos, conocimientos prácticos pero no teoría que los sustenten. A pesar de ello la Escuela crecía y diez años después contaba con laboratorios especializados y hasta una pequeña fábrica de éter y otra de jabón. Todos estos avances, sin embargo, eran aislados uno del otro; la Escuela reflejaba la fracturación del conocimiento industrial que obstruía el progreso de conceptos científicos de amplio espectro, y que eran indispensables para poder impulsar el desarrollo de la industria. Fue en 1927 cuando se incorpora a la Escuela Estanislao Ramírez; ingeniero mecánico de formación, se había graduado en Inglaterra y adquirió experiencia en Alemania y los EUA donde se expuso a la joven disciplina de la ingeniería química y con entusiasmo la trajo a México, y empezó a impartir las clases que fundamentaron el carácter industrial. La escuela, que para ese entonces ya había cambiado varias veces de nombre hasta el de Escuela Nacional de Ciencias Químicas, albergó de esta manera, y en el transcurso de unos pocos años más, las carreras de químico industrial, ingeniería química, química farmaco-biológica y química metalúrgica (más tarde ampliada a ingeniería metalúrgica). En el curso de pocos años se formaron primero y luego se integran al personal docente, preclaros maestros y grandes practicantes de la profesión como Alberto Urbina, Antonio Guerrero Torres, Jorge Noé Martínez, Pascual Larraza, Alfonso Graf y varios más, quienes le dan el enorme auge a la Escuela a lo largo de varias décadas. A la par de lo que ocurría en ingeniería química, tanto ésta como las demás profesiones que ahí se cultivaban adquirieron una dimensión adicional con el impulso a la ciencia química que le dan Ernesto Ríos del Castillo, Fernando Orozco, Manuel Lombera, Rafael Illescas, Ricardo Caturegli, y que se ve reforzado ante el notable surgimiento de la industria de las hormonas sintéticas. Con esta estructura docente, creada a lo largo de 25 años, México llega al auge de la industrialización bajo Miguel Alemán. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay LAS PRIMERAS INDUSTRIAS Las necesidades del país una vez restablecida la paz, no pudieron esperar a que la infraestructura científica y técnica se desarrollara, y una a una fueron apareciendo industrias de proceso y químicas que recibieron, años después, el empuje de mercado que vino con la II Guerra Mundial. A las primeras fábricas de cemento, hierro y acero, cerveza, jabón y azúcar que ya existen al inicio del siglo XX, se incorporan las primeras refinerías petroleras en manos de las grandes firmas mundiales a mediados de los años 20. Las refinerías son de pequeña escala y de tecnología atrasada aún para la época, pues a las empresas petroleras les interesaba mucho más recoger el petróleo que refinarlo en México. Entre 1920 y 1940 proliferan diversas industrias de proceso ocupadas de la fabricación de jabón, papel, resinas artificiales derivadas de la brea y usadas como primeros aprestos textiles y para papel. De una extensión lógica de la industria jabonera, en los años 30 se destila y refina glicerina e inicia la hidrólisis de grasas para producir ácidos grasos por primera vez en México. Los esfuerzos de ColgatePalmolive, La luz, la Corona y algo después Química Michoacana, datan de esa época. En otra área muy diferente del quehacer químico, empieza a operar una empresa de origen alemán: Beick-Félix-Stein, para producir grenetina y luego ácido sulfúrico (primera unidad en el país y única en emplear el proceso histórico de las cámaras de plomo), superfosfato simple, algunos primitivos pesticidas como el arseniato de cobre y sulfato de este mismo metal. Ya iniciados los años 40 se instala una fábrica experimental de fibra artificial (cupro-rayón), que años después sería la semilla de Celanese Mexicana, Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. por mucho tiempo la empresa química más grande del país. También data de ese entonces la primera unidad de producción de plásticos: películas de nitrocelulosa producidas por solución y vaciado, y precursora del gran auge de los plásticos 15 años más tarde. Pero decididamente, el elemento crucial para el desarrollo de muchas otras industrias de proceso, sería la expropiación petrolera. Aunque la industria petroquímica no aparecería sino hasta 20 años después, la necesidad de operar las refinerías que estaban en deplorables condiciones a la salida de los técnicos extranjeros amén de la necesidad de producir ingredientes que se importaban desde siempre pero que el boicot impuesto a México en los primeros años cerró su disponibilidad (particularmente el tetraetilo de plomo), obligó a los jóvenes egresados de la Escuela Nacional de Ciencias Químicas a hacer un inaudito esfuerzo por dominar, proyectar e improvisar. El esfuerzo no fue en balde, y los químicos e ingenieros no solamente superaron el reto sino crearon escuela con su profesionalismo y entrega, que mucho habría de valer en las décadas siguientes, no sólo en Pemex sino en toda la industria de proceso. INDUSTRIA QUÍMICA INORGÁNICA La química inorgánica tiene una gran virtud cuando se le compara con la orgánica: a pesar de la gran variedad de átomos que pueden intervenir, agradecemos a las propiedades cuánticas del átomo, la definitud de los resultados. Ajenos a la versatilidad difusa y temperamental de los átomos de carbono, los demás actúan con rigidez casi militar, lo que simplifica mucho la vida de quienes la practican, pero siempre retienen algo de flexibilidad para que el quehacer no sea tan monótono. No es de extrañar, pues, que la química industrial inorgánica suele ser la primera en desarrollarse; sus procesos son más claros (aunque a veces más agresivos) y hay poco espacio para reacciones secundarias indefinidas. La plataforma de desarrollo de este sector de la industria parte de los productos más convencionales de antaño; a principios del siglo XX ya existen en el país dos factorías de cemento, varias no contadas de yeso y cal y una instalación donde se producen pequeñas cantidades de litargirio pigmento. Después 29 �Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay del gran hiato que produce la Revolución aparece la primera unidad de ácido sulfúrico que se menciona arriba, y al contar con ella, sendas instalaciones para producir sulfato de cobre y pigmentos de cromato de plomo; éste es el panorama general en la década de los años 30, al que habría que agregar por referencia instalaciones de explotación de minerales que no se procesaban más allá de molienda y clasificación, como era el caso del caolín, grafito, etc., así como productos de tostación y reducción como plomo metálico, óxidos de cobre, plomo y zinc, etc., que dieron auge especialmente a Torreón y Fresnillo. La industria química propiamente dicha arranca en 1938 cuando se incorpora la Compañía Industrial de los Reyes, la que construye una planta primitiva para producir carbonato sódico calcinando el tequesquite del Lago de Texcoco. La baja productividad y calidad del producto pronto llevó al fracaso este primer intento, que sin embargo fue una semilla fértil. En el curso de pocos años, los intentos de remediar las tierras aledañas al lago para reducir su salinidad convergían con los esfuerzos para recuperar el contenido de carbonato sódico en la solución que constituía el lago interior, y cristalizaron en la creación de Sosa Texcoco en 1942 gracias al esfuerzo e ingenio de Antonio Madinaveita, recién llegado a México como parte de la inmigración republicana española. Con el auxilio de investigadores de la UNAM y asistencia técnica de Imperial Chemical Industries, se diseñó un proceso en el que se encadenaron: evaporación solar en el muy conocido Caracol, carbonatación de la salmuera así concentrada y separación y calcinación de bicarbonato producido. El ciclo se cerraba, a la manera de medio proceso Solvay calcinando calizas para producir cal (que más tarde se usaría para caustificar el carbonato) y bióxido de carbono. Sosa Texcoco empezó a producir 100 toneladas diarias de álcalis en 1948 y pronto se convirtió en la industria de álcali más importante de América Latina. Llegó a expandirse hasta casi seis veces su capacidad original, antes de cerrar 45 años después. Al mismo tiempo que Sosa Texcoco iniciaba operaciones, otra empresa-Alkamex-producía sulfato de aluminio y luego ácido sulfúrico ( la primera planta mexicana que usó el proceso catalítico, denominado “de contacto”) en Tlalnepantla. Con estas unidades 30 el país ya disponía de los componentes inorgánicos más básicos. Pronto se le unieron varias otras instalaciones que se desarrollan a ritmo vertiginoso a partir de 1950: la primera planta de amoniaco sintético en México, construida por Guanos y Fertilizantes en Tultitlán, y ya con ella más ácido sulfúrico, sulfato de amonio y superfosfatos simples. En el poblado de Viesca, Coahuila, otra salmuera desagradable se aprovecha para producir sulfato de sodio, el cual se absorbía ávidamente en la naciente industria de los detergentes sintéticos. La plantaSulfato de Viesca- fue una de las primeras diseñadas y totalmente construidas en el país, con lo que dio lugar al nacimiento de Bufete Industrial, la primera firma de ingeniería de proceso que hubo en México. Simultáneamente, y gracias a la disponibilidad de las materias primas que recién se ofertaban, se eleva considerablemente la producción de sulfato de cobre (que poco tiempo después serviría de apoyo para la producción de cobre electrolítico por Cobre de México). En paralelo con este desarrollo, se inicia la explotación de los domos salinos del Itsmo para extraer azufre mediante el proceso Frasch. Aunque estrictamente esta es una operación minera, por su tecnología es definitivamente una industria de procesomás asociada a la química que a la minería. Nacen así Azufrera Panamericana y Cía. Azufrera del Golfo, que eventualmente serían parte del sector paraestatal. De igual manera, y con el impulso que se da en la industria petroquímica, se multiplica la producción de amoniaco; de ácido sulfúrico y ya al iniciar la siguiente década aparece Fertilizantes del Istmo (1962) dedicado a la producción de ácido nítrico y nitrato de amonio; de Fertilizantes Fosfatados Mexicanos (1966) que produce-en escala comparable al resto del mundo- ácido fosfórico y superfosfato triple, con la consecuente producción de más ácido sulfúrico necesario para ello. A la par, Pemex crece en la producción de amoniaco; es interesante comparar la capacidad de la primera planta de amoniaco de Guanos y Fertilizantes (50 toneladas diarias) con la que eventualmente Pemex alcanzó (solamente en Cosoleacaque, Ver., más de 6000). Nada de lo arriba descrito ocurre secuencialmente, pues la explosión de industrializar Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay ocurre en varios frentes: en 1959 se empieza a producir ácido fosfórico de alto grado y fosfatos de sodio por dos empresas: Monsanto Mexicana y Química Hooker (más tarde Polifos); un par de años antes Alfbeck producía ya algunos fosfatos de sodio y calcio. Al comenzar la década de los sesenta, se instalan nuevas producciones en nuestro país: bióxido de titanio en Tampico (Dupont), ácido fluorhídrico en varias localidades y carbonato de sodio -ya no de fuentes naturales como Sosa Texcoco, sino sintético vía el proceso Solvay- en Monterrey (Industria del Álcali). Mención especial merecen, por la innovación que representaron dos instalaciones del Grupo Peñoles: Química del Mar y Química del Rey, orientadas a la producción de sales y óxido de magnesio y sulfato de sodio, éste último en una escala tal que pronto se convierte en exportador neto, dejando atrás la más reducida producción de Sulfato Viesca. Por último es apropiado mencionar la industria del cloro y sosa cáustica. Como muchas de las arriba citadas, se inicia en 1949 con una producción muy modesta para surtir a las papeleras de San Rafael, Atenquique y Loreto y Peña Pobre; el desarrollo de la industria papelera es importante, pero se superpone a él las necesidades de la industria química y después de poco tiempo aparecen nuevas plantas de Celulosa y Derivados (luego Grupo Cydsa) en Monterrey y en Coatzacoalcos (bajo el nombre de Sales y Álcalis, que se origina como un proyecto del gobierno federal). Hacia fines de la década de los 60, inicia operaciones Cloro de Tehuantepec en Coatzacoalcos, principal proveedor de cloro para el complejo petroquímico de Pajaritos. La coproducción de sosa cáustica que excede las necesidades, obliga a Sosa Texcoco a cerrar su planta de caustificación al no poder competir con la sosa electrolítica. En los últimos años de esa década, todos los grandes productores ya estaban posicionados en el país, y aunque los volúmenes continuaron en ascenso, la febril expansión que se reseña arriba disminuye su ritmo. El auge expansivo del país, la estabilidad económica sin inflación, la economía cerrada y los programas de estímulo a nuevas industrias produjeron toda esa febril actividad, que luego hubo de dar paso a la eficiencia, la competitividad abierta (y a veces despiadada), y la consolidación. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Como quiera que sea, es claro que en un lapso de escasamente 30 años (que van aproximadamente de 1936 a 1968), se creó la industria química inorgánica de México. No es pequeño el logro. PETROQUÍMICA Y PEMEX Antes brevemente comentamos el papel de Pemex, especialmente en sus primeros años, en la formación y desarrollo de grandes cuadros de profesionistas que superaron las carencias que el boicot internacional primero, y la II Guerra Mundial después, impusieron. Ahí se forjaron ingenieros químicos, químicos industriales y petroleros que bien habrían de servir a la química industrial pocos años más tarde. La industria petroquímica nacional nace en 1956 cuando Pemex inicia la producción de azufre subproducto del tratamiento de gas amargo. Casi al mismo tiempo Pemex también arranca la primera unidad de dodecilbenceno (DDB) para su uso en detergentes (mediante la conversión de una pequeña planta de gasolina de alquilación). Estos, mezclas equilibriadas del DDB sulfonado, polifosfatos de sodio y sulfato o carbonato sódico como diluyentes se habían empezado a producir tres años antes con componentes importados. En ese entonces, el desarrollo de la industria petroquímica se encontraba en su fase de muy intenso desarrollo; legos y expertos por igual se asombran ante el alud incesante de nuevos productos derivados de esta tecnología; desde fertilizantes hasta plásticos y fibras sintéticas. En el espíritu nacionalista de la época se manifestaba la preocupación de que no bien había México superado los desafíos de la nacionalización del petróleo y ya se la veía desvirtuada 31 �Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay por el avance de muchas empresas extranjeras que actuaban en el campo petroquímico. Así pues, a fines de 1958 se promulga una nueva ley que reforma al artículo 27 constitucional y crea un campo petroquímico de acceso restringido a inversionistas extranjeros. Quedaron incluidas dentro del ámbito de la legislación (aunque salvaguardadas de una aplicación retroactiva) varias industrias que habían surgido a lo largo de la década. Así, Celanese Mexicana inicia sus operaciones en 1947 con la producción de rayón viscosa y algún tiempo después acetato de celulosa. Union Carbide inicia la fabricación de resinas ureicas y fenólicas en 1949 y un año después la misma, además de Monsanto Mexicana arrancan la producción de poliestireno, a la que después seguiría el cloruro de polivinilo. Celulosa y Derivados (más tarde Grupo Cydsa) inicia el desarrollo químico del norte del país con la fabricación de acetato de celulosa, rayón, cloro/sosa, ácido sulfúrico y bisulfuro de carbono necesario para las anteriores fibras. En el curso del tiempo, tanto Cydsa como Celanese y otros continuarían el desarrollo de las fibras sintéticas con la fabricación de nylon 6, fibras poliéster y acrílicas y hasta –en pequeña escala- elastoméricas. Era pues apreciable el desarrollo del campo petroquímico y sus derivados a fines de la década de los 50; el debate entre los defensores y opositores de las reformas al artículo 27 alcanzó un nivel febril y al final, el tiempo le dio algo más de razón a los primeros que a los segundos: el capital extranjero no abandonó el país, pero tampoco capturó todo el desarrollo previsto, sino que una proporción significativa de las inversiones fueron hechas por el capital nacional. Dado que la ley hacía recaer en Pemex la responsabilidad exclusiva para la producción y venta de un gran número de productos como el etileno, propileno, benceno, polietileno, amoniaco, etc. (hasta un total, en su caso extremo de casi 30 productos), esta empresa inició un programa de expansión sin precedente: plantas de olefinas, aromáticos, unidades de gas de síntesis, etc., ocuparon su quehacer por varios años. Pero no obstante esto, la tarea era mucho mayor* que lo que los recursos humanos y financieros podían enfrentar en un país que seguía creciendo a 32 tasas elevadas, y así la producción de Pemex se fue rezagando frente a lo que el país necesitaba. Con la publicación del reglamento de la ley en 1959, se estableció un sistema de permisos cuyo objeto era, supuestamente, coordinar las demandas privadas con la obligación pública que Pemex llevaba. Acabó siendo un mecanismo para regular al inversionista extranjero (por parte el Estado) y para obtener casi patentes de corso por parte de inversionistas para un producto determinado; la perversión no se hizo esperar y durante algunos años el usufructo y comercio de permisos fueron actividades muy lucrativas. Una consecuencia de lo anterior al superponerse a una economía muy protegida, fue que proliferaron las unidades pequeñas, antieconómicas y que carecían de sentido estratégico. Por ejemplo, para la década de los setenta se habían construido una docena de plantas de formol, varias con capacidades de no más de 300 toneladas anuales y solamente dos con más de 4000; algo similar pasaba en materia de plastificantes ftálicos. No es sorprendente que al iniciarse la apertura en 1988, muy pocas pudieron sobrevivir el embate de la competencia internacional. A pesar de lo anterior, el proceso de desarrollo condujo en no pocos casos a instalaciones de tecnología, si no de punta, bien adaptada a la escala y que estaban mejor preparadas para enfrentar, décadas después, el reto de la competencia global. El régimen de permisos se inicia con la producción de negro de humo, por Negromex en 1961 (la que pronto se seguiría con la fabricación de hule polibutadieno y estireno butadieno por su competidor Hules Mexicanos). Celanese reproduce en escala un poco menor su muy notable complejo de Bishop, Texas y en 1963 ya está produciendo en el estado de Guanajuato una gama de productos derivados del acetaldehido, como ácido y anhidrido acéticos, ésteres de éstos, óxido de mesitilo, alcohol diacetona, etc. Pemex, por su parte, inicia plantas de etileno, polietileno y cloruro de vinilo creando su primer complejo petroquímico en Pajaritos, Ver., y lo que más tarde crecerá hasta ser el centro productor de amoniaco más grande del mundo en Cosoleacaque, al amparo de cuya primera planta nace Fertilizantes del Istmo que produce nitrato de amonio, ácido nítrico y fosfato diamónico. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay La industria de los polímeros sigue un desarrollo similar y al iniciarse la década de los 70 se incorporan las primeras unidades de escala mundial que se orientan por igual al mercado interno como al de exportación: Petrocel en Altamira (para producir Tereftalato de dimetilo o DMT), Tereftalatos Mexicanos en Coatzacoalcos, etilenglicol en Tlaxcala y luego Coatzacoalcos, fenol, acetona, y ésteres acrílicos en Cosoleacaque, etc. Igualmente se nota febril actividad en la producción de tensoactivos no iónicos, resinas epóxicas y acrílicas, hidrocarburos fluorados, derivados aromáticos y del acrilonitrilo, anhídridos ftálico y maleico, glicoles poliméricos, etc. En 1981 se genera un nuevo impulso a este desarrollo, cuando el gobierno federal -deslumbrado por la aparente riqueza del boom petrolero de entonces- decide crear estímulos fiscales de consideración con la condición de que las nuevas plantas exporten una proporción significativa de su producción y se localicen en uno de los cuatro polos de desarrollo designados en aquel entonces (y que de facto se redujeron a dos: Altamira y Coatzacoalcos). Nacen así modernas y avanzadas instalaciones, que a medio camino sufren el severo efecto del colapso financiero de 1982 y las crisis que arrancó de ese punto. Al mismo tiempo, y para enfrentar la demanda que esta nueva generación de plantas acarreaba, Pemex crea los complejos de Cangrejera y Morelos. Lo azaroso de la época para esta industria, se agrava aún más con la crisis global de la misma y que cubre los años 1983 a 1987. Por vía de ejemplo baste señalar que en 1979 habían en el continente europeo 40 productores de resinas de PVC; para 1987 ese número se había reducido a 17. Una industria cíclicamente asolada por capacidad excedente. México no ha sido ajeno a este proceso de consolidación que busca mejorar costos en toda la gama de estos productos, que ya desde 1970 tenían las características de ser genéricos (“commodities”): parte de la razón de esto, así como de la ciclicidad que tanto afecta a la industria (aproximadamente cada 8 años), estriba en que la tecnología no ha logradocomo en algunas otras industrias- superar la trampa de la escala. Así por ejemplo, para producir en las mejores condiciones de competencia mundial productos como el polietileno, es necesario construir plantas que individualmente representan del 1 al 3% de la capacidad mundial. Es obvio que con dos o tres que se construyan en un momento dado, el equilibrio oferta / demanda se viene abajo y toda la industria paga el precio hasta que el productor menos eficiente desaparece. Mientras no seamos capaces de dominar esta trampa, la industria seguirá expuesta a tales vaivenes y la consolidación avanzará progresivamente. Pero al fin, la moderna industria petroquímica de México ha logrado enfrentar este reto, igual que el de la apertura comercial y el de las crisis recurrentes. Con la mezcla de empresas extranjeras solas o asociadas, de grandes grupos mexicanos en el sector (como Alpek, Cydsa o Girsa), la industria petroquímica mexicana al terminar el siglo, es ya mayor de edad. QUÍMICA ORGÁNICA Y FARMOQUÍMICA Desde luego, las industrias ancestrales que pueden denominarse orgánicas existen en México desde principios del siglo XX, en cuyos albores ya encontramos varias fábricas de extracción y refinación de aceites vegetales, procesado de grasas animales y jabón. No es sino hasta la década de los Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 33 �Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay 40 cuando las restricciones impuestas por la II Guerra estimulan la producción de ácidos grasos (principalmente esteárico) que se mencionó antes; al terminar esa década se inicia la producción de aceites hidrogenados en Monterrey (Anderson Clayton en esa época). En medio del desarrollo vertiginoso y no muy ordenado en el sector petroquímico, más calladamente se da otro poco llamativo pero no menos trascendente, posible gracias a la afortunada coincidencia de recursos naturales con mentes privilegiadas. Al finalizar la Guerra Civil Española, México acoge a un contingente muy significativo de grandes científicos y humanistas republicanos entre los que se encuentran los doctores Erdós, Krum Heller y Francisco Giral. Este último se asienta en la Escuela Nacional de Ciencias Químicas y pronto inicia sus tareas de investigación y docencia que lo ocuparían durante casi 50 años, y que formó a numerosos químicos, tanto investigadores como practicantes de la química industrial. Casi simultáneamente llegan a México otros preclaros investigadores: Marker, Djerassi, Rosenkranz, Lehmann, Somlo y Zaffaroni, quienes sintetizan y desarrollan los esteroides a partir de diosgenina, la cual existe en concentraciones elevadas en las plantas nativas conocidas como cabeza de negro y barbasco. Estas fuentes naturales se convierten pronto en un recurso de gran valor que distingue a México del resto del mundo. Los investigadores mencionados desarrollan el complejo proceso que parte de diosgenina y llega a progesterona y otros esteroides, y pronto constituyen Syntex, que por muchos años ostenta el primer lugar mundial en la producción de estas substancias de gran importancia farmacológica. Syntex decide apoyar fuertemente el desarrollo del Instituto de Química en la Universidad Nacional, tanto para conducir las investigaciones que se requieren como para formar los investigadores 34 mismos. Herrán, Romo, Mancera, Iriarte, Miramontes y muchos otros crean el gran cuerpo tecnológico que conformó a la industria de los esteroides. Pronto se agregaron a Syntex otras empresas de menor importancia como Productos Esteroides, Diosynth y otras. Al mismo tiempo, y por iniciativa de varias de las organizaciones mencionadas, el Gobierno Mexicano decidió imponer controles rigurosos a la salida de barbasco del país, tratando de evitar que otros países pudieran reproducir el indudable éxito de este sector, y por algo más de 20 años México mantuvo una posición casi monopólitica de esteroides como progesterona, estradiol, testosterona y cortisona sintética. Esta indudable ventaja natural, se viene abajo en 1974 cuando el gobierno mexicano (aparentemente estimulado por el éxito de los países árabes que habían logrado multiplicar el precio del petróleo de un momento a otro), decide elevar en más de 10 veces el precio de garantía del barbasco, con lo que muchas empresas de todo el mundo prefieren buscar, finalmente con éxito, fuentes alternas de esteroides y con ello la posición privilegiada de la industria mexicana se vino abajo en el curso de escasos tres años. Mientras esta historia de 25 años se desenvuelve, hay avances industriales en otros campos de la farmoquímica: en los años 50 ya se fabrican en México sales poco comunes como el ascorbato de quinina (Laboratorios Servet), alcohoilsulfatiazoles (Midy) y algunas vitaminas fosforiladas del complejo B. En 1950, dos empresas: Pyrina y Salicilatos de México establecen sendas plantas para la fabricación de ácido salicílico y aspirina (hoy producida por Química Monfel). Las inquietudes de varios químicos formados bajo el paraguas de Syntex y el Instituto de Química, fomentan una década después la producción de antibióticos penicilánicos semisintéticos como la amplicilina, dicloxacilina y otros. De hecho éstas requieren del ácido aminopenicilánico como precursor, y en México se desarrolla un proceso de cristalización directa a muy bajas temperaturas, más simple que la ruta compleja desarrollada en Alemania y Estados Unidos de América. Este esfuerzo, liderado por Fermentaciones y Síntesis (Fersinsa) en Saltillo Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay y Quinonas de México en Ecatepec, permite al país convertirse en exportador neto de semi-sintéticos. Pocos años después, Fersinsa -a través de una empresa filial, Cibiosa- intenta producir penicilina G por fermentación, proceso lleno de serios problemas prácticos, por la dificultad de competir con muy avanzadas tecnologías de fermentación sumergidafinalmente, después de muchos años logra alcanzar los objetivos de calidad y productividad y para 1984 ya produce eficientemente penicilina G. Casi en paralelo Fermic, con mayor suerte, inicia en 1980 la producción de rifampicina y griseofulvina en la Ciudad de México. Así mismo, mientras esto sucede en el campo farmoquímico, se dan otros desarrollos de interés en otras áreas de la química orgánica. A través de una empresa filial de Fertimex, en 1976 se inicia en Cosoleacaque la producción de dl-metionina sintética (y en pequeña medida, su hidroxianálogo), y para 1981 la misma organización, vía una subsidiaria denominada Fermentaciones Mexicanas, produce llisina en Orizaba. De igual manera, en 1968 se inicia en Guadalajara la producción de sorbitol (por el grupo ahora conocido como Arancia) y a partir de ahí varias empresas se dedican a la fabricación de ésteres de sorbitan y etoxilados de los mismos. En otra área de interés se observa igual esquema de desarrollo: los colorantes sintéticos, cuya fabricación es impulsada por el crecimiento de la industria textil: Bayer, Dupont, Pyosa, Química Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Hoechst y BASF Mexicana participan en este desarrollo que arranca desde 1965; en pocos años observamos producciones de ftalocianinas, antracénicos y algunas alizarinas. Estas industrias, al igual que lo ocurrido en petroquímicos, sufrieron después el embate de la apertura comercial, que condujo a la consolidación por fusiones, adquisiciones o de plano el cierre de varias instalaciones, y el siglo concluye con menos empresas de mayor trascendencia, como Arancia, Fersinsa/Cibiosa, Química Bayer y algunas más. Lamentablemente, por los errores señalados anteriormente no podemos incluir en nuestra consolidada lista la industria de los esteroides. INGENIERÍA No podemos pasar por alto el papel de las firmas de ingeniería en el desarrollo de la química industrial del siglo XX. Para nuestros fines, esta faceta arranca en 1949 con la formación de Bufete Industrial; cuya primera tarea es el diseño y construcción de la planta de Sulfato de Viesca, antes citada. A ella se agregarían en los siguientes quince años muchas más. Especialmente dignas de citar fueron Ingeniería Panamericana, Latinoamericana de Ingeniería e ICA, la que aunque fue y sigue siendo la mayor firma en el país, inició su actividad en el campo de la ingeniería civil pero ya para 1959 contaba con una importante división de ingeniería de proceso y detalle. En el transcurso de los años el desarrollo de estas empresas fue crucial para apoyar el crecimiento industrial, que difícilmente habría podido darse sin ellas. La importancia que tiene no ha disminuido, pero este sector -más que ningún otro- ha sido gravemente afectado por las variables antes citadas: ciclos severos de la industria y apertura y competencia externa, pero a éstas se suma otra variable perniciosa: la extrema dependencia en la obra pública, que ha sido tristemente la llave de relevo que los gobiernos abren y cierran para enfrentar las recurrentes crisis de los últimos 25 años. Son las firmas de ingeniería las que han pagado el mayor precio, como lo atestiguan las tribulaciones actuales de la que fue la primera y la más experimentada. 35 �Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay y deberá seguir por bastantes años en su fase secundaria; esto augura una permanencia del quehacer de la química industrial, sobre bases que no se arrastran por el entusiasmo de antes, pero que son bastante más firmes que en el pasado. ¿QUO VADIS? Ya han quedado muy atrás los años de febril crecimiento al que no se veía límite. Los nuevos esquemas de comercio mundial, las demandas considerables que impone el equilibrio ecológico y que aún hoy apenas atendemos, y la sucesión de varias crisis han dejado una industria más consolidadas, menos eufórica y por fuerza más competitiva. La plata ha sido reemplazada por el petróleo, con lo que la vocación con la que referíamos a Bartolomé de Medina y a Fausto de Elhúyar no ha cambiado. Si a ello agregamos que mientras las grandes economías han evolucionado a su etapa terciaria, México sigue 36 REFERENCIAS 1. Gamboa, A. “La industria química pesada en México” Monografías del Banco de México. México, 1948. 2. Garrido Asperó, M.J. “Historia de la enseñanza de la ingeniería química en México”. UNAM, Facultad de Química. México, 1998. 3. Spitz, P.H. Petrochemicals:The rise of an industry. J. Wiley & Sons. Nueva York, 1988. 4. Bucay, B.F. “Petrochemicals: Mexican perspective”. En U.S.- Mexican Industrial Integration. Weintraub, S.; Rubio, L.F. y Jones, A.D., editores. Westview Press. Boulder, 1991. 5. Bower, J.L.When Markets Quake. Harvard University Press. Cambridge, 1986. 6. Anon. “Plan de desarrollo de la petroquímica”. Secretaría de Energía, Minas e Industria Paraestatal y Petroquímicos Mexicanos. México, 1989. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Diseño de un termo-actuador basado en alambres con memoria de forma Jacinto Cortés Pérez, Hugo Becerril Cerón Laboratorio de Mecánica, Centro Tecnológico Aragón, ENEP Aragón UNAM. Av. Rancho Seco s/n, Col. Impulsora, Cd. Nezahualcóyotl, Edo. de México, C. P. 57130. jacop@correo.unam.mx. Gabriel A. Lara Rodríguez Departamento de Materiales Metálicos y Cerámicos, Instituto de Investigaciones en Materiales. Circuito Exterior s/n, C. U., México, D. F., C. P. 04510, laragab@yahoo.com Horacio Flores Zúñiga Centro de Investigaciones en Materiales Avanzados. Miguel de Cervantes No. 120, Chihuahua, Chih. Mex. C. P. 31109. hflores@yakko.cimav.edu.mx ABSTRACT The design of a thermo-actuator based on shape-memory Ni-Ti wives is presented in the work. Our device is capable of continuous circular movement pulling a variable load and is activated by thermal fluctuations of any source. KEYWORDS RESUMEN Se presenta el diseño de un termo-actuador que opera con energía térmica proveniente de cualquier fuente. El dispositivo está constituido por los siguientes elementos: a) dos alambres fabricados con una aleación con memoria de forma, b) un resorte helicoidal, c) un mecanismo biela-manivela corredera acoplado aun cuadrilátero articulado. Cuando los alambres con memoria de forma son calentados, por encima de su temperatura crítica As, se contraen debido a que sufren una transformación: martensita-austenita. Dicha contracción comprime el resorte helicoidal y a través del mecanismo dicho desplazamiento es convertido en un giro de 180º en el eslabón de salida. De manera análoga, cuando los alambres son enfriados el eslabón de salida del cuadrilátero completa un giro de 360º. Al comprimir el resorte, el dispositivo esta convirtiendo energía térmica en trabajo mecánico. PALABRAS CLAVE NOMENCLATURA T= Temperatura, e= deformación, s= esfuerzo, q= desplazamiento angular, MS= temperatura de inicio de la transformación martensítica, Mf= temperatura a la que finaliza la transformación martensítica, AS= temperatura a la que inicia la transformación austenítica, Af= temperatura a la que finaliza la transformación Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 37 �Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al austenítica, f= fracción volumétrica transformada, l= longitud, A= área de la sección transversal, R= matriz de rotación. INTRODUCCIÓN Los llamados materiales con memoria de forma (MMF) han sido estudiados de manera importante en los últimos 20 años, gracias a ello actualmente se sabe que existen algunos metales puros, cerámicos, polímeros y aleaciones metálicas que presentan este tipo de propiedades. Entre las aleaciones con memoria de forma, que actualmente son fabricadas comercialmente, se encuentran las de Cu-Al-Ni, 1 Cu-Zn-Al y las de Ni-Ti. Según se ha reportado en 1 la literatura, los MMF presentan una serie de efectos tales como: a) Efecto memoria de forma simple, b) El doble efecto memoria de forma, c) El efecto superelástico, entre otros. Dichos efectos están asociados con una transformación martensítica de tipo termoelástica la cual puede ser inducida por enfriamiento (sin esfuerzo), por esfuerzo (a temperatura constante) o por combinación de ambas (a tempera1,2 tura variable y esfuerzo constante y/o variable). En la figura 1 se presenta un diagrama Esfuerzo-Temperatura-Transformación donde se pueden apreciar los tipos de transformación martensítica citados anteriormente. En el caso en el que la transformación se induce sólo por temperatura (esfuerzo=0) la transformación inicia a una temperatura T=Ms y finaliza cuando T=Mf. Así mismo, en consistencia con lo reportado en la 1, 2 literatura, en la figura 1 se puede ver que cuando la transformación es inducida por esfuerzo (T=Cte), la transformación inicia cuando el esfuerzo alcanza un valor crítico s=sC y finaliza cuando alcanza el valor de s=sCf. Como se puede ver en la figura 1 la magnitud de sC corresponde con la intersección de la isoterma Mss y la línea MS- cuya pendiente es igual a la razón de Clausius-Clapeyron. Por otro lado, en la figura 2 se presenta una curva esfuerzo deformación asociada al caso que se está discutiendo y claramente se ve que el comportamiento es no lineal y dependiente de la temperatura puesto que s C depende de ella. Así mismo, se ha reportado en la literatura que el comportamiento mostrado en la figura 2 varía considerablemente con la orientación 3, 4 cristalográfica. Fig. 2. Comportamiento Esfuerzo-Deformación observado en MMF. Fig. 1. Diagrama Esfuerzo-Temperatura –Transformación típico de MMF. a) Transformación a esfuerzo constante y b) a temperatura constante. 38 Finalmente, se puede ver también en la figura 1 que cuando la transformación se induce por combinación de ambos, temperatura y esfuerzo, las temperaturas a las cuales inicia y termina la transformación se deslizan hacia temperaturas mayores y son llamadas MSs y Mfs. El deslizamiento que sufren dichas temperaturas depende de la magnitud del esfuerzo aplicado. Un parámetro importante en este efecto es la deformación que sufre el material, la cual se puede apreciar en la figura 3. En la figura 3 se muestra una curva deformacióntemperatura a esfuerzo constante que presentan los MMF. El comportamiento anterior constituye el prin- Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al Fig. 3. Comportamiento Deformación-Temperatura, a carga constante, observado en MMF. cipal interés en nuestro trabajo, ya que el material puede tomar dos formas predeterminadas al variar la temperatura arrastrando una carga, es decir realizando trabajo mecánico. Cabe mencionar que el comportamiento mostrado en la figura 3 presenta variaciones importantes si la magnitud de la carga no es constante y si se trata de materiales policristalinos. El efecto mostrado en la figura 3 sugiere que es posible realizar trabajo mecánico útil a partir de fluctuaciones térmicas del ambiente, lo cual resulta de gran importancia sobre todo porque las variaciones de temperatura necesarias para que esto suceda son considerablemente bajas en comparación con las que requieren las máquinas térmicas convencionales. De hecho, es bien sabido que las temperaturas críticas de los MMF (MS, Mf, AS y Af) dependen de su composición química y en algunos casos pueden ser 5 cercanas a la del ambiente. Es importante mencionar que para diseñar un dispositivo que aproveche las propiedades de los MMF es necesario constar con modelos matemáticos que simulen convenientemente su comportamiento. A pesar de que se han reportado en la literatura una 6, 7 y 8 la mayoría de los serie de trabajos al respecto, modelos propuestos resultan muy complicados aún para casos tan simples como los son la tracción, la flexión y la torsión. En el presente trabajo se propone el diseño de un termo-actuador que aprovecha el comportamiento de los MMF mostrado en la figura 3. El dispositivo consta de un par de alambres fabricados con MMF, sujetos a tracción mediante un resorte helicoidal acoplada un mecanismo que permite convertir el desplazamiento longitudinal del resorte en giros de 180°. Para calcular el comportamiento de deformación-temperatura-esfuerzo de los alambres se empleó un modelo desarrollado por uno de los 9 autores del presente trabajo. DESARROLLO Diseño conceptual Un esquema general del termo-actuador que presentamos en este trabajo se puede apreciar en la figura 4. Como se puede ver en la figura, el dispositivo consiste de en un par de alambres fabricados con un MMF sujetos a tensión por medio de un resorte helicoidal que trabaja en comprensión; el conjunto resorte-alambre se acopla a la corredera de un mecanismo biela-manivela-corredera, el cual a su vez se encuentra acoplado a un cuadrilátero articulado. Inicialmente el alambre se encuentra deformado por la acción del resorte. Cuando el alambre es calentado por encima de su temperatura crítica (AS), experimenta una contracción que comprime el resorte desplazando la corredera hacia la izquierda. El mecanismo biela-manivela-corredera convierte el movimiento longitudinal en un desplazamiento angu- Eje de salida Resorte helicoidal Mecanismos acoplados Alambres con MF Fig. 4. Esquema general del termo-actuador. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 39 �Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al lar de la manivela. Mediante el mecanismo de cuatro barras articuladas, el desplazamiento angular generado es convertido en un giro de l80º. Cuando el alambre es enfriado la contracción desaparece, el resorte se restituye y el mecanismo permite que se complete el giro del eje acoplado a la salida del cuadrilátero articulado. La operación del dispositivo consiste entonces, en ciclos continuos de calentamiento y enfriamiento. El dispositivo que se propone puede ser considerado como una máquina térmica ya que convierte energía térmica en trabajo mecánico al comprimir el resorte durante el calentamiento. En este caso sólo se requiere de una fuente de calor proveniente de cualquier medio sólido, líquido o gas, cuya temperatura sea mayor que la temperatura de transformación austenítica (As) del material. Así mismo, la temperatura de la fuente fría debe ser menor que la temperatura de transformación martensítica (Mf ) del alambre. El consumo de energía se asocia a la transferencia de calor que se requiere para que el material se caliente y/o se enfríe. Cabe mencionar que a diferencia de las máquinas térmicas convencionales, que requieren de gases con cierta temperatura y presión, el movimiento del termo-actuador está asociado a la transformación martensítica del MMF y no a la expansión de gases. Lo anterior, confiere a dispositivos como el que presentamos la capacidad de “recuperar” energía de desecho de máquinas térmica convencionales. CRITERIOS DE DISEÑO Contracción de los alambres El primer aspecto considerado para el diseño del dispositivo fue la determinación del desplazamiento de la corredera, la cual es arrastrada por el resorte cuando los alambres con memoria de forma son calentados. Como se mencionó anteriormente, fue necesario emplear un modelo que permitiera conocer el comportamiento carga-desplazamientotemperatura del alambre, para lo cual se empleó la 9 ecuación propuesta por Cortes : 1 σ  n A  ε =  f k −k +k  2 1 1  ( 40 ) f= T − M·s − Tc exp( ) Ta T − M − Tc ) Ta 1 + exp( σ f (1) con n 0.99k f − 0.01ki k2 = 0.99 2 − 0.012 0.01k f − 0.99ki k1 = 0.012 − 0.99 2 Tc = σA ∂σ c 2 ∂M σ s ( ) E 1− n  σA α  ki =  1−n  E σ kf =   A α  2 n σA Ta = 2 ∂σ c ln (99 ) ∂M σ s ∂σ c donde: sA es el esfuerzo aplicado, ∂ M σ es la s razón de Clausius-Clapeyron, E, n y a son parámetros que se toman de la curva esfuerzo-deformación a T>Af para el material empleado. Dicho modelo aproxima el comportamiento de los MMF mediante parábolas ajustadas con valores experimentales y permite simular el comportamiento en estudio ya sea para carga, deformación o temperatura constante y/o variable. En dicha ecuación es preciso determinar sA en función del desplazamiento, o bien de la deformación, ya que la carga aplicada proviene del resorte y, como se sabe, depende de la compresión del mismo. Por otro lado, es preciso tomar en consideración que el esfuerzo aplicado sobre cada alambre no debe exceder de 100 MPa y que la deformación máxima recuperable depende del 1 MMF empleado. Primero, es preciso tomar en consideración que el alambre cambiará de forma siempre y cuando esté sujeto a una precarga proveniente del resorte. Es decir que los alambres estarán sujetos a un esfuerzo inicial, y por tanto experimentarán una deformación inicial, y esta disminuirá conforme el resorte se contraiga. Lo anterior indica que los alambres estarán sujetos a un esfuerzo variable que dependerá de la deformación. Considerando el esquema de la figura 5 tenemos que, el esfuerzo aplicado en los alambres y la deformación del mismo pueden ser escritas como: l − l ε = 0 l0 (2) Kl 0 σ A = σ = ε A donde: l0 es la longitud del alambre sin carga. l es la longitud del alambre al aplicarle un esfuerzo s Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al K es la constante del resorte A es el área de la sección transversal del alambre Considerando las restricciones de esfuerzo y deformación máximas recomendadas, para nuestro diseño supusimos como conocidos la constante del resorte y el área de la sección transversal del alambre y así de las ecuaciones (2) determinamos la longitud que deben tener los alambres (l0) y la contracción máxima que sufrirán (lf.). El esfuerzo y la deformación inicial de los alambres(e0) pueden ser determinadas empleando las ecuaciones (2) tomando una l1 como la longitud que adquieren los alambres al ser aplicada la precarga (s1). ε1 = l0 − l1 l0 σ A = σ1 + kl0 ∆ε A (3) kl σ 1 = 0 ε1 A donde: ∆ε=ε−ε1 Como podemos ver si e de la ecuación (1) es igual con De de la ecuación anterior y tomado sA de la ecuación (2) tenemos que (1) se convierte en una ecuación algebraica no lineal. Si se conocen los parámetos del material empleado, es decir: ∂σ σc MS, ∂M s E, a y n, dicha ecuación puede ser resuelta para De en función de la temperatura empleando algún método numérico conocido, como el de Newton-Raphson. Conociendo De es posible determinar la longitud que tomará el resorte para cada temperatura mediante la ecuación: l = l0 [1 − (ε 1 + ∆ε )] (4) Síntesis del mecanismo La longitud del alambre l como función de la temperatura, proporciona el comportamiento desplazamiento-temperatura de la corredera, por lo que el siguiente paso fue determinar el desplazamiento angular en la manivela. Para calcular dicho desplazamiento se empleó la siguiente ecuación propuesta por Cuenca:10  r (T ) r (T ) = R1 ( p − o) + R2 R1 ( s − p) =  1   r2 (T ) (5) donde: o, p y s son las coordenadas de las articulaciones en la posición inicial, como se puede apreciar en la figura 6.  Cos(θ1 ) − Sen(θ1 ) 0    R1 =  Sen(θ1 ) Cos(θ1 ) 0   0 0 1    Cos(θ 2 ) − Sen(θ 2 ) 0    R2 =  Sen(θ 2 ) Cos(θ 2 ) 0   0 0 1   donde: q1, q2 son los ángulos que deben girar los eslabones p-0 y r-p para pasar de la posición inicial a una segunda posición. Fig. 5. Conjunto: alambres-corredera-resorte del termo-actuador. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 41 �Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al r1(T) y r2(T) son las componentes del vector r(T) que representa el desplazamiento que sufre la corredera y en nuestro caso están dadas por (4). La ecuación 5 representa un sistema de ecuaciones no lineales y dadas las magnitudes de los eslabones podemos resolver para q1, q2 empleando algún método numérico; en nuestro caso el método empleado fue el de Newton-Raphson. Finalmente, considerando como datos: el máximo valor de q1 de la solución de la ecuación 5 y el requerimiento de que el eslabón de salida del cuadrilátero gire 180º, se procedió a determinar la magnitud de los eslabones del cuadrilátero articulado. Para realizar lo anterior se empleó nuevamente la 10 metodología propuesta por Cuenca con la siguiente ecuación: R1 ( s − 0) + R3 ( m − s ) − R4 ( m − n ) − ( n − 0) = 0 (6)  Cos (θ 3 ) − Sen(θ 3 ) 0   Cos(θ 4 ) − Sen(θ 4 ) 0    R3 =  Sen(θ 3 ) Cos (θ 3 ) 0  R =  Sen(θ ) Cos(θ ) 0    4 4 4   0 0 0 1  0 1    donde: s, m y n son las articulaciones del cuadrilátero articulado que se muestra en la figura 6, q3 y q4 son los ángulos que deben girar los eslabones s-p y n—m respectivamente; obviamente q4 debe ser 180º y q3 debe tomar el valor máximo de salida del mecanismo biela-manivela-corredera (q1máx). Dado lo anterior tenemos que deben darse las magnitudes de dos de los eslabones del cuadrilátero articulado para que el sistema sea consistente. Una vez determinadas las magnitudes de los eslabones de los mecanismos: biela-manivela-corredera y cuadrilátero articulado, es posible determinar q4 como función de la temperatura (T). Prototipo Empleando los criterios citados anteriormente, se calcularon las dimensiones de un prototipo del dispositivo propuesto en el presente trabajo. Las dimensiones libres del dispositivo se dieron tomando en cuenta que el prototipo sería con fines demostrativos, sin embargo es posible escalarlas para una aplicación determinada. Los alambres empleados para construir el prototipo son de una aleación Ni-50%wtTi, aproximadamente, cuyo diámetro es 100mm y con una 42 Fig. 6. Mecanismo del termo-actuador. temperatura de activación(AS) de 70ºC. Se trata de alambres comerciales de los denominados muscle wire fabricado por la empresa Nitinol. Cabe mencionar que los alambres de Ni-Ti pueden ser remplazados por alambres y/o cintas de alguna aleación con memoria de forma que resulte más económica, como por ejemplo la aleación de Cu-Al-Be 5 que ya ha sido obtenida en nuestro país. Las dimensiones de los alambres fueron calculadas considerando un 8% de deformación, lo que brindaría unos 5 cm de desplazamiento en el resorte, lo cual es suficiente para ser percibido a la vista y es menor del 10% recomendado como máximo por el fabricante (Nitinol). Así mismo se consideró como esfuerzo máximo aplicado sobre el alambre 100MPa. CONCLUSIONES Se obtuvo un dispositivo capaz de realizar un movimiento circular continuo arrastrando una carga variable. El dispositivo obtenido, opera con fluctuaciones térmicas provenientes de cualquier fuente (líquido, sólido o gas) que se encuentre a una mayor temperatura que la de activación de los alambres. Los criterios de diseño empleados permiten controlar la posición del eslabón de salida del termo-actuador mediante la temperatura por lo que el dispositivo puede ser empleado para otros fines distintos al propuesto en el presente trabajo. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al REFERENCIAS 1. C. M. Wayman, T.M. Duerig. An introduction to martensite and shape memory. Engineering Aspects of Shape Memory Alloys. London : Butterworth-Heinemann, 1990, pp. 3-20. 2. Patoor E., Berveiller M. Les alliages à mémoire de forme, Technologies de pointe. Hermes, PARIS, 1990. 3. K. Otzuka and C. M. Wayman. Superelasticity Effects and Stress-Induced Martensitic Transformations in Cu-Al-Ni Alloys. Acta Metallurgica, 24, 207-226, (1976). 4. K. Otzuka, H. Sakamoto and K. Shimizu. Successive Stress-Induced Martensitic Transformations and Associated Transformation Pseudoelasticity in Cu-Al-Ni. Acta Metallurgica, 27, 585-601, (1979). 5. E. Olaez R. Fabricación de la aleación y cintas por solificación rápida en aleaciones Cu-Al-Be. Tesis de licenciatura en Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería UNAM (1998) 6. E.Patoor, A Eberhardt an M. Berveiller. Micromechanical Modeling of Superelasticity in Shape Memory Alloys. Proceedings of de III European Symposium on Martensitic Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Transformations BARCELONA, SPAIN: PLANES, (ed), J de Physique Colloque C-2, pp. 501-506, (1994). 7. S. Lecterq, G. Bourbon and C. Lexcellent. Plasticity Like Model of Martensite Phase in Shape Memory Alloys. Proceedings of de III European Symposium on Martensitic Transformations BARCELONA, SPAIN: PLANES, (ed), J de Physique Colloque C-2, p. 513, (1994). 8. Y Gillet, M., A. Meunier, V. Brailovski, F. Trochu, E. Patoor and M. Berveiller. Comparison of Thermomechanical Models for Shape Memory Alloy Spring. J de Physique IV Colloque C8, supplément au Jounal de Physique III, volume 5, p. 1165 (1995). 9. J. Cortés P. Contribución al Estudio de la Pseudoelasticidad en Aleaciones con Memoria de Forma. Tesis de Maestría. DEPFI, UNAM. (1998). 10. F. Cuenca. Simulación de mecanismos empleando álgebra de números complejos. Reportes internos de investigación de la DEPFI UNAM (En preparación). 43 �Medición de la conductividad eléctrica de materiales cerámicos en una guía de onda Rubén Morones Ibarra, Eder Zavala López, Oxana V. Kharissova Facultad Ciencias Físico-Matemáticas, UANL. Ubaldo Ortiz Méndez, Zarel Valdez Nava, Juan A. Aguilar Garib Facultad de Ineniería Mecánica y Eléctrica-UANL ovkharisova@ccr.dsi.uanl.mx. ABSTRACT A method for measuring conductivity of materials exposed to intensive electric fields is proposed in this paper. Previous measurements of permittivity in a waveguide showed that it is possible to introduce electrodes in such a way that they are not affected by the microwave energy. Therefore in this work a similar device was employed. The energy was supplied by a magnetron working at 2.45 GHz. Comparisons with traditional impedance analyzer are also presented. KEYWORDS Electrical conductivity, microwaves, ceramics. INTRODUCCIÓN La conductividad eléctrica es una de las propiedades más importantes, desde el punto de vista funcional de los materiales. La eficiencia con la que la energía eléctrica se transmite depende de ella y se sabe que está relacionada con el calentamiento del material. La necesidad de materiales superconductores también ha hecho que se preste cada vez más atención a esta materia. Los valores de la conductividad para materiales típicos pueden ser encontrados en múltiples referencias, pero se debe tomar en cuenta que aún pequeñas variaciones en la composición afectan esta propiedad, de manera que los datos para los materiales con los que un investigador trabaja en el laboratorio normalmente no están disponibles. Dada su dependencia de la frecuencia, el equipo más común para llevar a cabo estas mediciones es el analizador de impedancia. Sin embargo, éste opera a baja potencia y por lo tanto no se pueden detectar cambios que puedan ocurrir cuando el material se expone a un campo eléctrico intenso. El objetivo de este trabajo está enfocado a explorar la posibilidad de hacer mediciones de conductividad de materiales bajo un campo de microondas aprovechando la experiencia con la que se cuenta para hacer mediciones de permitividad en esas condiciones. Se propone un método en que se utilizan microondas para mantener el campo eléctrico a una frecuencia y una potencia dadas, tal que la muestra sufra calentamiento. 44 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Medición de la conductividad eléctrica de materiales cerámicos ... / Rubén Morones Ibarra et al CALENTAMIENTO DE LOS MATERIALES POR MICROONDAS La absorción de energía electromagnética por un dieléctrico ocurre por el fenómeno conocido como histéresis dieléctrica. Este fenómeno se debe a la oscilación de los dipolos atómicos del dieléctrico los cuales oscilan en fase con la frecuencia del campo eléctrico externo. Cuando se coloca un dieléctrico en un campo eléctrico externo sus átomos se polarizan. Si se somete un material a un campo eléctrico oscilante, entonces ! los dipolos p del material oscilan en fase (con !fre! cuencia w) con este campo externo. Si p = qX es el momento dipolar eléctrico, siendo q la carga eléc! trica del átomo y X el desplazamiento del centro de carga negativa respecto al núcleo atómico, entonces, ! la oscilación del dipolo p cuando se coloca en un campo electromagnético ! externo quedará descrita por la oscilación de X (t ) que satisface la ecuación del oscilador armónico forzado1. mX ’’+γX ’+ kX = Fext (1) Donde m, y y k son la masa, la constante de amortiguamiento y la constante de tensión del dipolo, respectivamente y X(t) es el tamaño del dipolo. El efecto del campo magnético sobre los átomos es despreciable comparado con la interacción eléctrica, así que se toma Fext como la fuerza eléctrica sobre la carga del átomo: Fext = qE(X,t), siendo q la carga eléctrica de éste. Vista del generador de microondas, el control y la pantalla durante una prueba. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Por otra parte, la longitud de onda de las microondas de 2.45 GHz es de 12.5 cm en trayectoria libre y 23.2 cm en la guía de onda utilizada en este trabajo, así que la variación espacial del campo eléctrico en la región del átomo, cuyas dimensiones son del orden de Å, es también despreciable. Se tiene así que la Ecuación (1) puede escribirse como mX ’’+γX ’+ kX = qE0 Senωt (2) k 2 Donde se ha definido a ω 0 = la cual es la m frecuencia natural de oscilación del dipolo. Por otra parte la permitividad compleja se expresa como: (3) ε = ε ′ + iε ′′ En donde ε ’ y ε ’’ son respectivamente la parte real e imaginaria de la permitividad. De la solución de estas ecuaciones2, se llega a la conclusión de que estas componentes dependen de la frecuencia w del campo externo. Por otra parte, al incluir la permitividad compleja en la ley de Ampere-Maxwell, y considerando a la conductividad eléctrica del material (s) surge una expresión que relaciona ambas contribuciones: (4) σ ’= (σ + ε ’’ω ) Con frecuencia se conoce a σ ’ como la conductividad equivalente del material, aunque se debe apreciar que solamente la componente s se refiere al transporte de electrones o conductividad eléctrica. Así, la rapidez con la que se ganará calor por unidad de volumen en el material está dada por: (5) P = σ ’E 2 Cuando se considera un material conductor, no existe la polarización de los átomos, σ ’= σ entonces en la ecuación (5) P = σE 2 y el calentamiento del material es óhmico (efecto Joule), debido al paso de una corriente a través del material. Para el caso de un material dieléctrico (una cerámica, un vidrio o un plástico, por ejemplo), s = 0 y en la ecuación (5) P = ε ’’ωE 2 y el calentamiento se debe a la oscilación de los dipolos eléctricos del material. 45 �Medición de la conductividad eléctrica de materiales cerámicos ... / Rubén Morones Ibarra et al MIDIENDO LA PERMITIVIDAD El método que se ha utilizado para medir la permitividad fue propuesto inicialmente por Roussy y Pearce3 y modificado para muestras con las propiedades de los cerámicos4. Este método consiste en colocar una pequeña muestra cilíndrica en el centro de una guía de onda (en x=a/2; siendo “a” el ancho de la guía de onda) y estimar la impedancia basados en el análisis de la onda estacionaria. Se supone que la muestra es suficientemente pequeña como para aceptar que se trata de una impedancia en paralelo y que el campo eléctrico es constante (figura 1). Un aspecto importante fue la manera en que se midió la temperatura, se utilizaron termopares blindados, colocados perpendicularmente al campo eléctrico tal como se sugiere en la literatura3 y que ya ha sido probado en otros trabajos5. En la figura 1 se observan dos electrodos que están colocados perpendicularmente al campo eléctrico dentro de la onda. En esa misma posición fueron colocados los termopares de los que se hace mención y de los cuales la confiabilidad ha sido probada de diferentes maneras. Debido a que en ese experimento se comprobó que los termopares no eran afectados por las microondas, se supone que en el arreglo experimental del presente trabajo tampoco se verán afectados los electrodos que se utilizan. Fig. 1. Vista frontal de la guía de onda utilizada con la muestra y los electrodos insertados. La guía mide 76 mm x 36 mm (denominación WR284). 46 Se encontró que para el caso de la alúmina, la parte imaginaria de la permitividad ( ε ’’) aumenta con la temperatura (figura 2), lo que estaría de acuerdo con el hecho de que la conductividad equivalente ( σ ’) aumentara. 0.025 Pe rm 0.02 iti vid ad 0.015 (p art e im 0.01 agi na ria 0.005 ) 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Temperatura ( C) Fig. 2. Estimación de ε ’’en una prueba de alúmina expuesta a 800 Watts y 2.45 GHz. EXPERIMENTACIÓN En este trabajo se pretende medir la conductividad utilizando un arreglo similar al empleado para la permitividad, colocando un par de electrodos en lugar de los termopares, como ya se mostró en la Figura 1, para que al igual que éstos no resulten afectados por el campo eléctrico. Las pruebas fueron llevadas a cabo en una guía de onda WR284. La fuente consistió en un generador de 2.45 GHz en el que se varió la potencia a valores de hasta 1500 W. En la Figura 3 se puede observar la guía de onda cerrada que contiene la muestra en su interior, como muestra la Figura 1. Fig. 3. Guía de onda cerrada en la que se muestran los electrodos y un termopar de contacto para medir la temperatura de la pared. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Medición de la conductividad eléctrica de materiales cerámicos ... / Rubén Morones Ibarra et al RESULTADOS Y DISCUSION Como se indicó anteriormente, una muestra de alúmina fue probada con un analizador de impedancia y se encuentra que la conductividad aumenta tal como la permitividad lo hace. En la figura 4 se observa que la conductividad (en Siemens) aumenta con la frecuencia, pero además se puede apreciar que alrededor de los 500°C este valor se eleva y corresponde con el comportamiento de la permitividad con respecto a la temperatura. Conductividad (S) 2.00E-04 1.60E-04 1.20E-04 8.00E-05 4.00E-05 0.00E+00 0 100 1kHz Conductividad (S ) 100kHz 500kHz 500 600 1000kHz 1.60E-08 1.40E-08 1.20E-08 1.00E-08 8.00E-09 6.00E-09 4.00E-09 2.00E-09 0.00E+00 0 1.00E-04 200 300 400 Temperatura ( C) Fig. 5. Conductividad de la espinela con 9% molar de hematita determinada en un analizador de impedancia a diferentes frecuencias. Conductividad (S) Se utilizó además un termopar de contacto para medir la temperatura de la pared, en este arreglo no se puede medir la temperatura de la muestra. El material que se deseaba probar es una espinela que contiene 9% molar de hematita (Fe2O3). Sólo para efecto de comparar las mediciones de permitividad contra las de conductividad se analizó primeramente la alúmina mediante un analizador de impedancias en el intervalo de frecuencia de 1 KHz a 1 MHz y a diferentes temperaturas en el intervalo de 25°C hasta 500°C. 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Tiempo (s) 8.00E-05 Fig. 6. Resultados obtenidos en el dispositivo propuesto en este trabajo. 6.00E-05 4.00E-05 2.00E-05 0.00E+00 0 100 200 300 400 500 600 Temperatura ( C) 1kHz 100kHz 500kHz 1000kHz Fig. 4. Conductividad de la alúmina determinada en un analizador de impedancia a diferentes frecuencias. Por otra parte, el material objeto de este trabajo mostró un comportamiento similar. Se puede observar en la figura 5 que al igual que la alúmina, la conductividad se incrementa de manera importante a partir de los 500°C. La figura 6 muestra un ejemplo de los resultados que se obtuvieron típicamente en la guía de onda que se utilizó en este trabajo. Se observa que los valores obtenidos son más pequeños que los que se obtuvieron con el analizador Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. de impedancia, cuando deberían ser mayores ya que la frecuencia de las microondas utilizadas es mayor (2.45 GHz). Sin embargo debe considerarse que en este caso existe incertidumbre con respecto al contacto eléctrico entre la muestra y el electrodo además de determinar las áreas de contacto. Por otra parte, se estimó de las mediciones llevadas a cabo sobre la pared de la guía que la temperatura que la muestra alcanzó fue del orden de los 200°C. Dado que no fue posible seguir la curva de calentamiento a lo largo de la prueba, mejor se presentan los resultados graficados contra el tiempo de prueba (figura 6) y se observa que hay, en efecto, independientemente de la cuestión de los electrodos, un aumento en la conductividad con respecto a la temperatura, ya que la muestra se estaba calentando. No obstante las limitaciones del método propuesto en este trabajo para medir la conductividad (s), los valores se encuentran dentro del orden de magnitud de los que se reportan con el analizador de 47 �Medición de la conductividad eléctrica de materiales cerámicos ... / Rubén Morones Ibarra et al impedancias para la temperatura alcanzada por la muestra (alrededor de 200°C), como se aprecia en la figura 7. Conductividad (S) 2.00E-07 1.60E-07 1.20E-07 8.00E-08 4.00E-08 0.00E+00 0 100 1kHz 200 300 400 Temperatura ( C) 500 100kHz 1000kHz 500kHz 600 Fig. 7. Sección de la gráfica de la figura 5. En este trabajo solamente se estudió la posibilidad de hacer las mediciones dentro del campo de microondas como posibilidad adicional del analizador de impedancia en el cual el dispositivo de soporte de la muestra y los electrodos deben colocarse dentro de un horno. Los hornos convencionales de resistencia eléctrica no alcanzan más de 1800°C, y aun así se darían casos en que los electrodos no resistirían. La idea es que dependiendo del material que se expone a las microondas es la temperatura que se podrá alcanzar, sin embargo de tenerse un material que sea buen absorbedor de microondas se podrían alcanzar temperaturas tan altas como el punto de fusión de algunos cerámicos. Por otro lado se trata de calentar únicamente la muestra, aunque los electrodos se calentarían por conducción ya que en este trabajo se corrobora que no se afectan más que los termopares que fueron utilizados para la medición de temperatura en el caso de la permitividad. Además, dado que la transferencia de calor no está gobernada por conducción, se puede proporcionar alta potencia a fin de alcanzar las temperaturas deseadas rápidamente, y registrar los datos necesarios para calcular la conductividad antes de que los electrodos se vean afectados. 48 CONCLUSIÓN Comúnmente se puede medir la conductividad a diferentes frecuencias utilizando un analizador de impedancia. En la actualidad el procesamiento de materiales mediante microondas ha ido tomando cada vez más auge, por lo que la propuesta de medir esta propiedad bajo estas condiciones de los materiales con los que se trabaja en el laboratorio y que normalmente no aparecen en las referencias. Aunque en este trabajo no se alcanzó alta temperatura si se pudo confirmar que se puede llevar a cabo una medición y que los electrodos no se vieron afectados. Se debe trabajar aun más en lo que respecta al contacto y a la medición de la temperatura, que se podría hacer mediante pirometría óptica a través de una perforación en la guía o bien, utilizar el blindaje de los propios termopares como electrodos, y poder registrar aun temperaturas bajas. REFERENCIAS 1. Jackson, J.D.:Classical Electrodynamics, 2nd. Ed., John Wiley and Sons, Inc.,1975, p.285. 2. Griffiths, D.J.: Introduction to Electrodynamics, 2nd. Ed., Prentice-Hall.,1989, p.382. 3. Roussy G., Pearce J.: Foundations and Industrial Applications of Microwaves and Radio Frequency Fields, John Wiley and Sons, 1995. 4. Aguilar J, Pearce J.: Study of the thermal behavior of materials exposed to microwaves achieving temperatures over 650°C. 33 rd Microwave Power Symposium, International Microwave Power Institute, Chicago, ILL. Jul. 1998, pp. 47-50. 5. Aguilar J.:Termopares para medición de temperatura en materiales expuestos a microondas. Vol 1, 4, 1998, pp. 319-325. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo otorgado por el CONACYT y por la Universidad Autónoma de Nuevo León a través del PAICYT para el desarrollo de este trabajo. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Estudio fractográfico de losetas cerámicas Leonardo Chávez Guerrero, Moisés Hinojosa Rivera, Lourdes Peñaloza Peña Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales FIME-UANL. hinojosa@gama.fime.uanl ABSTRACT This works reports the characterization of and the fractographic analysis of commom ceramic tiles. Samples were fractured by three-point bend testing and the fracture surfaces were analyzed both by SEM and AFM. The heterogeneous microstructure accounts for the low weibyll Modulus of the ceramic tiles. KEYWORDS Weibull modulus, fractography, fractometry. INTRODUCCIÓN La mecánica de la fractura ha tenido un gran auge en los últimos 20 años ya que su conocimiento contribuye a la solución de un problema muy costoso tanto económicamente como en vidas humanas. Mientras que la mecánica de la fractura se encarga de diseñar y evaluar componentes agrietados con el fin de aumentar la resistencia a la propagación de grietas que producen la fractura, la fractografía se interesa por la forma de las superficies creadas al propagarse una grieta; ya que, esta morfología de la grieta contiene la información necesaria para determinar y reproducir las condiciones bajo las cuales ocurrió la falla.1 Los materiales cerámicos se utilizan ampliamente y sus aplicaciones van desde los objetos más sencillos de alfarería hasta los más avanzados como reemplazos de huesos, refractarios y superconductores. Existe una amplia variedad de pruebas mecánicas para determinar las propiedades de un material, entre estas están las pruebas de tensión, compresión, flexión etc., estas pruebas se realizan simulando condiciones reales de esfuerzos en los materiales con el fin de poder predecir su comportamiento al momento de emplearse. CERAMICOS El término cerámicos proviene del griego “keramos” que se empleaba para designar los objetos hechos con arcilla quemada.2 La arcilla está compuesta de silicoaluminatos con cantidades variables de impurezas. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 49 �Estudio fractográfico de losetas cerámicas ... / Leonardo Chávez Guerrero et al disminuye la resistencia mecánica así como la resistencia al ingreso de líquidos o gases al interior del cerámico. Fig. 1. Celda unitaria de la alúmina (Al2O3). Los materiales cerámicos presentan una complejidad mayor que los metales y los polímeros en su estructura cristalina ya que muestran una combinación de celdas unitarias debido principalmente a la necesidad de un equilibrio de cargas eléctricas entre los distintos átomos presentes. Un ejemplo muy conocido es la alúmina (Al O ) 2 3 ó corindón (figura 1), donde sólo puede haber 2 iones -3 -2 de Al por cada 3 iones de O para mantener la neutralidad eléctrica.3 La mayoría de los cerámicos de uso industrial presentan una mezcla de fases (cristales) unidas con material amorfo (liga). En los materiales cerámicos se forman soluciones sólidas sustitucionales e intersticiales, la solubilidad sólida de una fase dentro de otra es limitada; y por lo tanto, es difícil mantener una distribución equilibrada de cargas cuando se introducen iones. Sin embargo las deficiencias o excesos de cargas se pueden acomodar produciendo defectos, con el fin de equilibrar las cargas un ion puede desplazarse hacia la superficie afectando las propiedades del cerámico, también es posible acomodar la carga fuera de equilibrio creando vacancias. Otro defecto que la industria considera muy importante es la porosidad, los poros pueden estar aislados dentro del sólido (cerrado) o pueden estar interconectados por canales que lleguen a la superficie del sólido (abierto), tendrá mejores propiedades aislantes a mayor porosidad, pero los poros obviamente son indeseables en el producto final ya que 50 EXPERIMENTACIÓN El presente estudio se llevó a cabo empleando un material cerámico de uso común en forma de losetas, las cuales están compuestas de dos zonas, la primera y más extensa está compuesta de arcilla y la segunda consiste en un recubrimiento de vidrio como se muestra en la figura 2. Ceramografías Las muestras se encapsularon en resina, posteriormente se desbastaron con lijas de carburo de silicio utilizando mallas desde 800 hasta 4000 (tamaño de grano respectivamente) y finalmente fueron pulidas con diamante de 1 mm sin que recibieran ataque químico. Espectroscopía EDX Mediante el Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) se obtuvieron imágenes de la microestructura y la composición química semicuantitativa utilizando difracción de rayos X (EDX), se recubrió la muestra con grafito para que la superficie del material pudiera conducir la electricidad y así observar sobre que zona se realizaba la prueba. Difracción de rayos X Para determinar la composición química se utilizó el material que corresponde a la zona de arcilla únicamente, libre del recubrimiento para pulverizarlo en un molino de bolas y después analizarlo en un difractómetro de rayos X con ánodo de cobre. Fig. 2. Loseta mostrando la superficie con vidriado. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Estudio fractográfico de losetas cerámicas ... / Leonardo Chávez Guerrero et al Fluorescencia de rayos X Esta técnica se utilizó para determinar la composición química del recubrimiento vítreo de la loseta. Esta técnica se utiliza cundo el material analizado es amorfo. Ensayo de flexión Para el ensayo de flexión se fabricaron 20 probetas con dimensiones de 1 cm de sección transversal, 10 cm de longitud y 0.6 cm de espesor. Para determinar la resistencia, las probetas se ensayaron por flexión en tres puntos en la máquina universal hasta producir la fractura. Las condiciones de carga y posiciones de los apoyos se muestran en la figura 3. En la tabla 2 se muestra el resultado del análisis químico sobre el vidriado obtenido mediante fluorescencia de rayos X. El último renglón indica la suma de los elementos presentes en un porcentaje menor al 1%. Identificación de fases Tabla 2. Elementos detectados en el recubrimiento. E LE ME NTO MA S A (%) C 2.01 O 39.40 Na 3.36 Mg 1.06 Al 9.87 Si 24.8 Ca 10.2 Zn 2.58 Zr 3.91 Σ<1% 2.7696 La figura 4 muestra una imagen a 1000X obtenida por MEB donde se observan las diferentes zonas microestructurales. Fig. 3. Prueba de flexión. Una vez que se fracturaron las probetas se realizó un análisis fractográfico tradicional empleando el MEB en la modalidad tanto de electrones secundarios como de retrodispersados y en el Microscopio de Fuerza Atómica (MFA) en la modalidad de contacto con “puntas” ultralever. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la tabla 1 se muestran los resultados del EDX donde se indica la presencia de mullita (Al6Si2O13) Anorthita (CaAl2Si2O8) y SiO2 en forma de cuarzo en mayor cantidad ya que se trata de arcilla. Tabla 1. Compuestos cerámicos. FASE % Mulli ta 5.42 C uarzo 79.42 Anorthi ta 10.43 KalSi 3O8 4.7 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Fig. 4. Micrografía del material cerámico. De la figura 5 a 9 se muestra el espectro de la energía radiada por el material correspondiente a las zonas 1 a 5 respectivamente. Debido a la gran cantidad de elementos es lógico que existan tantas fases (5) ya que se generan combinaciones de estos elementos. En todas las imágenes que muestran la energía radiada por las fases se observa una considerable variación en la composición lo que corrobora las diferencias en apariencia que se muestran en la figura 4. Para las fases 2 a 5 se observa una gran cantidad de elementos presentes (Ti, Ca, Fe, Na, K, C, Al, Mg) y el aumento de fases aumenta el grado de heterogeneidad del material. 51 �Estudio fractográfico de losetas cerámicas ... / Leonardo Chávez Guerrero et al Fig. 8. Espectro de energía para la fase 4. Fig. 5. Espectro de energía correspondiente a cada elemento de la fase 1. Fig. 9. Espectro de energía para la fase 5. Fig. 6. Espectro de energía para la fase 2. Fig. 7. Distribución de energía para la fase 3. 52 Resultados de los ensayos de flexión Debido a las condiciones de flexión, una fuerza de tensión actúa sobre la cara opuesta de la aplicación de la carga, por lo que la nucleación de la grieta productora de la fractura iniciará en este lugar.5 La resistencia a la flexión del material varía entre 40 y 80 MPa. En la figura 10 se muestra una curva esfuerzo contra deflexión representativa de las muestras fracturadas. El módulo de flexión de las losetas varía entre 14 y 46 MPa. El módulo de flexión se calcula en la región elástica de las gráficas de esfuerzo contra deflexión. En la figura 11 se muestra un histograma de los resultados obtenidos del ensayo de tensión con el fin de observar la frecuencia de los valores de esfuerzo antes de fracturarse. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Estudio fractográfico de losetas cerámicas ... / Leonardo Chávez Guerrero et al Probabilidad acumulada vs. Resistencia ES FU ER ZO VS D EF LEXI N 1.50 1.00 60 0.50 ln[ln(1/1-p)] 0.00 50 40 -0.50 40 45 50 55 60 -1.00 -1.50 m= 0.023 -2.00 30 -2.50 -3.00 -3.50 20 Resistencia MPa. Fig. 12. Gráfica de probabilidad de falla acumulada en función del esfuerzo de fractura. 10 0 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 DEFLEXI N (mt s) Fig. 10. Gráfica de esfuerzo de flexión contra deflexión. H i st o g r a m a 8 1 20. 00% 7 1 00. 00% 6 80. 00% 5 60. 00% 4 3 Un ejemplo típico es la alúmina convencional que tiene un valor de pendiente de 9.7 y una resistencia de 578 MPa. Análisis Fractográfico (MEB) En la figura 13 se muestra una micrografía obtenida mediante MEB del material fracturado en la que se observan características de la superficie de fractura como porosidad y desprendimiento de partículas. Aparentemente no se aprecia deformación lo que hace corroborar que la fractura es frágil.4 40. 00% 2 20. 00% 1 0 . 00% 40 44 48 52 56 60 y may or . . . Cl ase Fig. 11. Histograma de frecuencia del parámetro carga y el percentil. Cálculo del módulo de Weibull Este análisis cuantifica el comportamiento del material en cuanto a su variabilidad en propiedades mecánicas. Se asigna un rango numérico dándole a la menor resistencia a la fractura el valor 1. El número total de muestras es 20, la probabilidad acumulada P es el rango numérico dividido entre n+1 (en este caso 21) y a continuación se traza ln[ln(1/1-P)] en función de la resistencia. La figura 12 muestra un valor de pendiente de 0.023, lo que indica que el material tiene una resistencia a la fractura muy variable lo que confirma que es poco confiable en aplicaciones industriales con altos valores de carga. Para el diseño de componentes cerámicos críticos que deben soportar grandes cargas, el módulo de Weibull deberá ser elevado, una pendiente abrupta representa un cerámico con poca variación es su resistencia y esto ayuda en el diseño de componentes industriales más confiables. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Fig. 13 Superficie de fractura observada mediante el MEB con electrones secundarios (500X). En la figura 14 se observa la micrografía de la fractura donde se aprecian las discontinuidades en el material lo que disminuye sustancialmente la resistencia a la fractura del material. Análisis Fractográfico y Fractométrico (MFA) En la figura 15 se muestra la topografía de la fractura obtenida mediante el MFA en una región escogida al azar. Se aprecia a detalle las alturas de las irregularidades lo que para las imágenes obtenidas mediante el MEB no es tan fácil de apreciar. Las protuberancias que se manifiestan tienen un tamaño característico de 1 mm. 53 Fig con �Estudio fractográfico de losetas cerámicas ... / Leonardo Chávez Guerrero et al Fig. 14. Micrografía de la superficie fracturada obtenida por electrones secundarios a una magnificación de 3000X. Fig. 16. Imagen y perfiles obtenidos en el MFA. Fig. 15. Imagen de la superficie fracturada. Utilizando el MFA se realiza la evaluación fractométrica obteniendo la rugosidad de los perfiles de alturas que generan la imagen, calculando los valores de rugosidad Rms y Rave (rugosidad cuadrática y rugosidad promedio). La figura 16 muestra una imagen obtenida mediante el MFA y cuatro perfiles de alturas extraídos de la misma, la apariencia de los perfiles es muy irregular (valles y crestas) lo que concuerda perfectamente con las imágenes obtenidas en MEB. CONCLUSIONES El análisis estadístico del ensayo de flexión del material demuestra una pendiente que indica la variabilidad en las características microestructurales del material cerámico. Fue posible observar mediante el MEB diferentes fases y partículas en el material, así como gran cantidad de poros que debilitan el material lo que causa su baja resistencia y falta de plasticidad. El módulo de Weibull es útil como factor de diseño ya que determina qué tan confiable es el material en el caso de aplicaciones criticas, y además cuál es la variación de sus propiedades mecánicas. 54 En una región arbitrariamente seleccionada, en las imágenes de la superficie de fractura observadas mediante MFA se puede observar una rugosidad que se manifiesta como protuberancias de tamaño característico cercano a 1 mm. AGRADECIMIENTOS Se agradece el apoyo técnico para la realización de este trabajo a Oxana Kharissova, Patricia Rodríguez, Jorge Aldaco, Martha Guerrero. REFERENCIAS 1. “History of Fractography” , Metals handbook Ninth Edition, vol. 12. (Fractography) ASM International, Pag 1, 1987. 2. “Ceramics and Glasses”, Engineered Materials Handbook vol. 4. ASM International 1991. 3. “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”. McGraw-Hill, inc. España 1998. 4. “Identification of Types of Failure”. ASMEngineering, Materials handbook vol. 11, 1986. 5. “Mecánica de Fractura: Bases y Aplicaciones” J.L. Gonzáles V,. Colección textos politécnicos, Serie Tecnologías mecánicas. Noriega-Limusa, México 1998. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Efecto del Mg0 y Ca0 en la producción de cerámicos mullita-Zr02 Enrique Rocha Rangel, Elizabeth Refugio García Departamento de Materiales, UNAM-Azc. Av. San Pablo #180, Col. Reynosa, México, D.F. 02200. enrocha@yahoo.com ABSTRACT A mixture constituted of ZrSiO4 and Al2O3 with additions of either MgO or CaO was produced in air without application of pressure by the reactionsintering method at 1600°C for 2h. X-ray diffraction analysis showed that after the sintering stage there is present a mullite-ZrO2 product with some content of tetragonal-ZrO2. Sample with MgO got to retain a major quantity of tetragonal-ZrO2. A semiquantitative analysis of the diffraction patterns establish that sample without additives present a low reaction state, whereas the “mullitization” reaction progress is completed for samples with additives. On the other hand, density measurements set up that the sample with MgO densifies better than sample with CaO and sample without additives. Finally, sample with MgO also present the higher elevated values of mechanical properties. KEYWORDS MgO, CaO, Production, Ceramics, Mullite-ZrO2, Phases stabilizers. INTRODUCCIÓN La mayoría de los cerámicos tradicionales tienen mullita como parte de su composición de fases final, debido a que para su fabricación se hace uso normalmente de aluminosilicatos minerales. La microestructura de estos materiales contiene una pequeña cantidad de fase vítrea la cual tiene bajo punto de fusión. La importancia de la mullita no fue reconocida hasta hace pocos años, cuando el comportamiento mecánico a elevada temperatura (1200°C) de la misma libre 1 de la fase vítrea fue estudiado. De este estudio resulto que la mullita es un material en potencia para aplicaciones estructurales. Como la mayoría de los cerámicos la mullita carece de un valor importante de su tenacidad a la fractura (KIC) por lo que algunos autores han sugerido el uso de ZrO2 como un material de refuerzo de la misma.2-6 Sin embargo, para que la ZrO2 actúe como un material de refuerzo de la mullita debe encontrarse presente en su forma tetragonal ya que se ha documentado que el mecanismo a través del cual la ZrO2 refuerza la matriz de mullita es el de la transformación de ZrO2–tetragonal a ZrO2– 6-8 monoclínica cuando el material es sometido a esfuerzos. La retención de la ZrO2-tetragonal no es sencilla a temperatura ambiente ya que ésta es una fase Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 55 �Efecto del MgO y CaO en la producción de ... / Enrique Rocha Rangel et al Microestructura de un material compuesto mullitazirconia con adiciones de oxido de magnesio. Fase blanca zirconia, fase obscura mullita. estable a temperaturas mayores a 1200°C, siendo la forma monoclínica la que persiste a bajas tempera9-10 turas. Diversos autores han sugerido el uso de aditivos como estabilizadores de la ZrO2–tetragonal a temperatura ambiente dentro de los cuales se tienen los siguientes: CaO, MgO, CeO e Y2O3. En este trabajo se realiza un estudio acerca de la influencia que tiene el empleo de pequeñas cantidades de MgO y CaO en la estabilización de la fase tetragonal de la ZrO 2 que emerge al producir cerámicos base mullita partiendo de mezclas de mineral de ZrSiO4 y Al2O3. Asimismo, se observa el efecto en las propiedades mecánicas de los cerámicos mullita-ZrO 2 obtenidos por el método de sinterización-reacción de las mezclas antes mencionadas de acuerdo a la reacción siguiente: con elementos de ZrO2 como medio de molienda. Con los polvos molidos se prepararon por prensado uníaxial muestras cilíndricas de 2cm de diámetro x 0.3 cm de espesor usando presiones de 300 MPa. A continuación las pastillas fueron sometidas a un tratamiento térmico para la formación y sinterización del producto. El ciclo de calentamiento seguido para el tratamiento de las muestras se muestra en la figura 1. Las muestras sinterizadas se caracterizaron por diferentes técnicas. Las fases presentes en el producto se determinaron por difracción de rayosX. La microestructura se observó mediante microscopía óptica. La densidad y porosidad tanto de las muestras en verde como sinterizadas se midió por el método de Arquímedes. La dureza de los productos se determinó con ayuda de un microdurómetro Vickers, del ensayo de identación se calculó el factor de intensidad de esfuerzos K1c 11 usando la relación propuesta por Evans. La resistencia del material se midió mediante ensayos de flexión en 3 puntos. 3 Al2O3 + 2ZrSiO4 → 3 Al2O3 .2 SiO2 + 2 ZrO2 (1) EXPERIMENTACIÓN Tres mezclas de polvo fueron preparadas, la composición de las mismas fueron las siguientes: 54.5% en peso de ZrSiO4 y 45.5% en peso Al2O3 para la primera, la siguiente fue de 54% peso de ZrSiO4, 45% peso de Al2O3 y 1%peso de CaO y la tercer mezcla contenía 53.4% en peso de ZrSiO4, 44.6% en peso de Al2O3 y 2% en peso de MgO. A estas mezclas de polvo en lo sucesivo se les llamará muestra ZA, ZCa y ZM respectivamente. La mezcla de polvo fue colocada en un molino del tipo planetario y molida en seco durante 6 horas 56 Fig. 1. Ciclo de calentamiento aplicado a las muestras compactadas. RESULTADOS Densidad y porosidad abierta En la tabla I se presentan los resultados de las mediciones de densidad y porosidad abierta de las muestras en verde y sinterizadas a 1600°C por 2 h. En esta tabla se observa el aumento de densidad y la disminución de porosidad de las muestras al pasar del estado en verde al sinterizado. Sin embargo, la densificación alcanzada por las muestras es muy pobre en todos los casos. Las muestra ZCa y ZM al- Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Efecto del MgO y CaO en la producción de ... / Enrique Rocha Rangel et al Tabla I. Densidad y porosidad de las muestras en verde y sinterizadas a 1600°C por 2 h. Muestra Verde Densidad (gr/cm3) Sinterizadas Porosidad Porosidad Densidad abierta abierta (gr/cm3) (%) (%) ZA 1.75 44 3.15 18.96 ZCa 2.35 40 3.25 12.37 ZM 2.86 38 3.32 8.12 canzan valores de densidad similares. Mientras, que el valor de la densidad de la muestra ZA es más bajo. De los valores de porosidad abierta obtenidos por cada una de las muestras queda claro que los cuerpos cerámicos obtenidos son muy porosos, principalmente los productos ZA y ZCa. Aunque, la densidad de la muestra ZM es mayor, no se puede considerar que valores de porosidad de 8.12% sean característicos de un cuerpo denso. Por lo que de la densificación alcanzada por estas muestras no se puede esperar un buen valor de la resistencia de las mismas. Difracción de Rayos X Los resultados de DRX de las muestras sinterizadas a 1600°C durante 2 h. se presentan en la figura 2. Para la muestra ZA se observa que a ángulos de 2q = 27° aparece un pico muy intenso que corresponde al ZrSiO4. Asimismo, a 43.4° se tiene presente el pico principal de la Al2O3. Aunque, en este patrón de difracción también se tiene la presencia de algunos picos de mullita entre los cuales destacan a 2q = 26° y 26.5° los principales picos de este compuesto. Por la intensidad de los picos antes mencionados en esta muestra se puede comentar que el avance de la reacción de «mullitización» aunque ha comenzado el mismo ha sido muy incipiente. A 2q = 28.2° y 31.4° aparecen los picos principales de la ZrO2-monoclínica mientras que a 2q = 30.3° se tiene un pico poco intenso que corresponde a la ZrO2tetragonal. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Fig. 2. Patrones de difracción de las muestras sinterizadas a 1600°C por 2 h. M: mullita, Z: zircón, T: ZrO 2 tetragonal, X:ZrO 2 monoclínica y a:Al2O3 De todo esto se tiene que el avance de la reacción para esta muestra además de que es mínimo, la ZrO2 que se forma por la descomposición del ZrSiO4 resulta ser principalmente monoclínica. Para el caso de las muestras ZCa y ZM se observa en el patrón de difracción respectivo que la reacción de «mullitización» se ha completado ya que no se alcanzan a observar los picos correspondientes al ZrSiO4 y la Al2O3 en ambas muestras, teniendo un compuesto formado por mullita y ZrO2. De acuerdo a la intensidad de la ZrO2 tetragonal en estos dos patrones de difracción la muestra ZM retienen una mayor cantidad de esta que la muestra ZCa. Un análisis semicuantitativo para determinar el grado de descomposición del zircón (X1), el avance de la reacción de «mullitización» (X2) y el grado de retención de ZrO2 tetragonal (X3), se lleva a cabo 12 empleando las ecuaciones 2, 3 y 4 respectivamente. X1= Im − z (1,1,1) + Im − z (1,1,1) + It − z (1,1,1) Im − z (1,1,1) + Im − z (1,1,1) + It − z (1,1,1) + Iz ( 2 , 0 , 0 ) (2) X2= Im(2,1,0) Im(2,1,0) + Iz (2,0,0) X3= It − z (1,1,1) Im − z (1,1,1) + Im− z (1,1,1) + It − z (1,1,1) (4) (3) 57 �Efecto del MgO y CaO en la producción de ... / Enrique Rocha Rangel et al Donde: I = Área integrada de los picos correspondientes a los Índices de Miller que se dan en las diferentes ecuaciones y que corresponden a los picos principales de cada fase considerada. Im=mullita. Iz=zircón Im-z=ZrO2- monoclínica It-z=ZrO2-tetragonal. En la tabla II se presenta el avance de la descomposición del ZrSiO4 y de la «mullitización» calculados mediante el uso de las ecuaciones (2) y (3) respectivamente. De aquí se tiene para la muestra ZA que el progreso del ZrSiO4 resulta mayor que el progreso de la «mullitización» lo que indica que esta reacción no ocurre en una sola etapa, por lo que de acuerdo a estos datos, primero se da la descomposición del ZrSiO 4 y después a mayor temperatura inicia la formación de mullita. Estas dos reacciones como ya se mencionó anteriormente, no se completan y quedan lejos de completarse sobre todo la formación de mullita en donde no se alcanza ni siquiera el 0.5 de la fracción de la mullita que se podría formar. El comportamiento de las muestras ZCa y ZM difiere en el sentido de que hay reacción total, es decir todo el ZrSiO4 se descompuso y toda la mullita posible de formar ocurrió. Probablemente el MgO y el CaO formen una fase líquida que funde en el intervalo de temperaturas de descomposición de ZrSiO4 y formación de mullita lo que favorece a la difusión para que la reacción global ocurra. En la Tabla 2 también se presenta la retención de la ZrO2tetragonal en estas muestras calculada a partir de la ecuación (4). De donde se tiene que para la muestra ZA sólo se retiene el 10.5% de ZrO2-tetragonal. Para Tabla II. Avance de las reacciones de descomposición de ZrSiO4 Muestra X1 X2 X3 ZA 06 0.27 10.5% ZCa 1 1 11.3% zcE 1 1 19.8% 58 la muestra ZCa aunque el contenido de ZrO 2tetragonal aumenta a 11.5%, este valor no es significativo, por lo que el uso de CaO no resultó ser muy bueno para el propósito perseguido. No ocurre así cuando se emplea MgO como agente estabilizador de la ZrO2 ya que el contenido de la misma en su forma tetragonal para la muestra ZM es del 19.8% una cantidad importante que puede influir positivamente en la tenacidad a la fractura del material. Existen diferentes factores que influyen en la retención de la ZrO2-tetragonal entre estos los principales son: el tamaño de partícula, la cantidad de ZrO2 en el sistema y la forma de la misma. De tal manera que si la ZrO2 presenta tamaños mayores a 1mm y formas irregulares es difícil la retención de su forma tetragonal. Por otro lado, también se tiene que cuando hay altas concentraciones de la misma en el sistema esta se transforma a su forma monoclínica. Este último punto explica en parte el bajo contenido de ZrO2tetragonal en la muestra ZCa en donde todo el ZrSiO4 se descompone formando la mayor cantidad posible de ZrO2 en el sistema lo que provoca su transformación. En el caso de la muestra ZM en donde también hubo descomposición total del ZrSiO4 y por consecuencia una gran cantidad de ZrO2 formada se tiene que ha sido reportado que el MgO forma una solución sólida con la misma por lo cual es posible retener 10 esta en su fase tetragonal. Existen dos factores que afectan el tamaño de la ZrO2, uno de ellos es el tamaño original de la partícula de ZrSiO4 a partir del cual se forma la ZrO2 es decir que el efecto de la molienda sobre el ZrSiO4 es importante y un estudio en donde se modifiquen los tiempos de molienda sería interesante ya que así se podría determinar el efecto de esta variable sobre la retención de la ZrO2 tetragonal. Y el otro igualmente importante es el resultado del crecimiento de partícula durante la etapa de sinterizado. Así, se tiene que de acuerdo con esto para mejorar la retención de ZrO2tetragonal se debe tratar de reducir el tamaño de partícula durante la molienda, lo que seguramente ayudará a mejorar el avance de la reacción, ya que las distancias para que la difusión ocurra serán menores, esto también seguramente ayudará a disminuir el tiempo y la temperatura de sinterización, lo que impedirá en parte el crecimiento de grano durante esta etapa. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Efecto del MgO y CaO en la producción de ... / Enrique Rocha Rangel et al Microestructura En la figura 3 se observan las microestructuras tomadas mediante microscopía óptica a 100X de los compósitos mullita-ZrO2 aquí fabricados. En general las 3 microestructuras son similares presentando una matriz obscura que corresponde a la mullita con una dispersión homogénea de partículas blancas que corresponderían a la ZrO2. Sin embargo, la formación de la ZrO2 en la muestra ZM es mejor y más clara, mientras que en las otras dos muestras se observa la formación de ZrO2, aunque estas microestructuras son menos nítidas. A través de estas fotos no es posible observar las regiones de ZrSiO4 y Al2O3 en las muestras de ZA que el patrón de difracción de rayos-X correspondiente sugiere que se encuentran presentes. Probablemente por la existencia de estos dos componentes la resolución de la microestructura no es tan buena como en el caso de la muestra ZM. Igualmente a pesar de que las muestras fueron atacadas térmicamente durante 1 hora a 1500ºC los límites de grano de la mullita y la ZrO2 no se revelan en las microestructuras aquí presentes. Por lo tanto, el tamaño de las partículas de ZrO2 no se pudo determinar. No obstante si alcanza a percibirse en _______ 100 mm Fig. 3. Microestructuras de las muestras sinterizadas a 1600°C por 2h. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Tabla III. Propiedades mecánicas de los productos sinterizados. Muestra HV (GPa) KIC (MPam-1/2) σ (MPa) ZA 543 1.68 170 ZC a 793 1.73 177 ZM 932 2.49 205 las fotografías que esta fase de ZrO2 es mucho más fina que la matriz de mullita. Por otro lado, tampoco es factible distinguir la porosidad presente en las diferentes muestras lo que sugiere que el tamaño de los poros en las mismas es muy pequeño. Propiedades mecánicas En la tabla III se presentan los resultados de las propiedades mecánicas obtenidas en los productos sinterizados a 1600°C por 2h. Los valores de tenacidad a la fractura (KIC) y resistencia a la flexión en 5-7 tres puntos (s) reportados para mullita pura son de 2MPam1/2 y 200MPa respectivamente, de aquí se tiene que en las muestras ZA y ZCa ambos valores no se mejoraron en absoluto. La muestra ZM presenta mayor grado de densificación y mayor contenido de ZrO2-tetragonal, lo que se ve reflejado en sus mejores valores de s y KIC respectivamente. Diferentes mecanismos han sido sugeridos como responsables del reforzamiento de compuestos cerámicos con adiciones de ZrO 2 , siendo la transformación inducida por esfuerzos,5, 13 hasta ahora el más ampliamente aceptado. En este caso el 14 incremento de la tenacidad está dado por: DKc = 0.22 Vf et E Öh / (1- n) (5) Donde: Vf = concentración en volumen de partículas de ZrO2 transformable, et = transformación de esfuerzos dilatacionales ocasionado por la transformación ZrO2-t ® ZrO2-m, E = módulo de Young del composito, n = relación de Poisson y h = ancho de la zona de transformación. La ecuación anterior muestra que los incrementos de la tenacidad a la fractura dependen de la magnitud de las propiedades mecánicas de la matriz. Para incrementar las propiedades de la matriz particularmente el módulo de Young, entre otros factores es necesario obtener cuerpos con baja porosidad y por consiguiente densos. 59 �Efecto del MgO y CaO en la producción de ... / Enrique Rocha Rangel et al Por otro lado, de las tabla II y III se tiene que el avance de la reacción igualmente repercute en la mejora de las propiedades mecánicas, mismo caso de la muestra ZM. La dureza en estas muestras también resulta ser mayor cuando se hace uso de MgO como aditivo. Por lo tanto, es de esperar que mejores propiedades se puedan obtener si se incrementa la densidad del composito, se retiene mayor cantidad de ZrO2 tetragonal y se completa la reacción de mullitización. De todo esto se puede comentar que si se mejoran y controlan mejor algunas condiciones del procesamiento, como sería trabajar con tamaños de partícula inicial más finos, (para mejorar el contacto entre partículas y así aumentar la densificación del producto y además para aumentar la retención de ZrO2 tetragonal), modificar el ciclo de calentamiento haciéndolo más lento para dar mayor tiempo a que la reacción de formación del producto y la sinterización del mismo ocurra, se podrán obtener productos con mejores características físicas y mecánicas de las aquí obtenidas. CONCLUSIONES · De los resultados obtenidos en el estudio presente se puede concluir que cuando se hace uso de MgO se logra estabilizar una buena parte de ZrO2 tetragonal al producir cerámicos mullita-ZrO 2 partiendo de mezclas de ZrSiO 4 y Al 2O 3 . La retención de esta ZrO 2 en su forma tetragonal permite que la tenacidad a la fractura del cerámico fabricado sea mejorada. · El avance de la reacción de mullitización y la densificación del producto en conjunto se manifiestan en mejoras de la resistencia del cerámico obtenido, caso muestra con adiciones de MgO. · Los aditivos aquí empleados no sólo permiten retener una cierta cantidad de ZrO2 sino que a su vez favorecen la reacción de formación del producto. · El empleo de CaO ayuda en el avance de la reacción de formación de mullita a través de la metodología aquí propuesta. Sin embargo, no favorece la densificación del producto final. Por lo tanto, las propiedades mecánicas del producto con contenidos de CaO resultaron ser muy pobres. 60 REFERENCIAS 1. M.R. Anseau, C.Leblud and F.Cambier, “Reaction Sintering (RS) of Mixed Zircon-Based Powders as a Route for Producing Ceramic Containing Zirconia With Enhanced Mechanical Properties”, J. Mater. Sci., Lett., 1983, 2, p 266270 2. T. Koyama, S.Hayashi, A.Yasumori and K.Okada, “Contribution of Microstructure to the Toughness of Mullte/Zirconia Composites”, Ceram. Trans. Vol. 51, 1995, pg. 695-700 3. P. Boch and J.P. Giry, “Preparation and Properties of Reaction-Sintered Mullite-ZrO2 Ceramics”, Mater. Sci and Eng., 1985, 71, p 39-48 4. T. Koyama, S. Hayashi, A.Yasumori and K.Okada, “Preparation and Characterization of Mullite-Zirconia Composites from Various Starting Materials”, J. Eur. Ceram. Soc., 1994, 14, p 295-302 5. T. Koyama, S.Hayashi, A.Yasumori and K.Okada, “Microstructure and Properties of Mullite-Zirconia Composites Prepared From Alumina and Zircon Under Various Fairing Conditions””, J. Eur. Ceram. Soc,. 16, 1996, pg. 231-237. 6. T.Koyama, S.Hayashi, A.Yasumori and K.Okada, “Contibution of Microstructure to The Toughness of Mullite/Zirconia Composites”, Ceram. Trans.vol.51, 1995, p 695-700 7. A.Leriche, “Mechanical Properties and Microstructure of Mullite-Zirconia Composites”, Ceram. Trans. Vol.6, Mullite and Mullite Matrix Composites, editado por S.Somiya, R.F.Davis y J.A.Pask, 1991, p 541-552 8. S.Prochazka, J.S.Wallace and N.Claussen, «Microstructure of Sintered Mullite-Zirconia Composites», J. Am. Ceram. Soc. 1983, 66 (8), p C125-C127 9. J.S. Moya, “Reaction Sintered Mullite-Zirconia and Mullite-Zirconia-SiC ceramics”, Ceramic Transactions, vol. 6, Mullite and Mullita Matrix Composites, 1991, p 495-507. 10. P. Peña, J.S. Moya, S. De Aza, E. Cardinal, F. Cambier, C. Leblud, M.R. Anseau and A. Leriche, “Effect of Magnesia Additions on the Reaction Sintered of Zirconia-Alumina to Produce Zirconia Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Efecto del MgO y CaO en la producción de ... / Enrique Rocha Rangel et al Toughened Mullite®, J. Mater. Sci. 1983, 2, p 772774 11. A.G.Evans and E.A.Charles, “Fracture Toughness Determination by Indentation”, J. Ame. Ceram. Soc., 1976, 59, p 371-372 12. P.Boch, T.Chartier and J.P.Giry, “ZirconiaToughned Mullite/The Role of Zircon Dissociation”, Ceram. Trans Vol.6 Mullite and Mullite Matrix Composites, editado por S.Somiya, Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. R.F.Davies y J.A.Pask, 1990, p 473-494 13. P.Descamps, S.Sakaguchi, M.Pooteman and F.Cambier, “High-Temperature Characterization of Reaction Sintered Mullite-Zrconia Composites, J. Am. Ceram. Soc., 74, 1991, p. 2476-2481 14. G.De Portu and J.W.Henney, “The Microstructure and Mechanical Properties of Mullite-Zirconia Composites”, Br. Ceram. Trans. J., 83, 1984, p. 69-72. 61 �Caracterización de superficies maquinadas por medio de parámetros de rugosidad F. Eugenio López Guerrero, Raúl Cavazos Flores, Mario Delgado Acosta Sistemas Integrados de Manufactura, División de Ingeniería Mecánica, FIME-UANL, México elopez@uanl.mx ABSTRACT The proper functioning of a machined part depends on the quality of its surface. The term “surface quality’’ includes not only the dimensional values of the surface, but also material properties such as hardness and metallurgical structure1 as well as optical and esthetic characteristics. The dimensional quality is related with the surface irregularities and is known as the “roughness surface”. The importance of the roughness of the final finish has been well appreciated. This work proposes a method based on the decomposition of the roughness in terms of the frequency analysis in order to identify the tool marks on a machined surface. As result, the relationship between the feed rate and roughness is clarified. KEYWORDS Roughness, characterization, surface, machining. INTRODUCCIÓN La calidad de un producto está directamente relacionada a las desviaciones de éste con respecto al diseño original debido a fallas en los procesos de manufactura. Esto influye directamente en la funcionalidad de la pieza. Bajo ese punto de vista, la falla está definida por la incapacidad del tren de producción de funcionar de una manera esperada y, en la mayoría de los casos, se manifiesta en el producto en términos de calidad. En los procesos de maquinado, las características superficiales del producto influyen en su funcionalidad. La figura dominante en una superficie está influenciada por el método de maquinado, ya que cada tipo de herramienta de corte deja marcas distintivas en la superficie. Se pueden distinguir tres aspectos que influyen en la calidad de la superficie de los productos maquinados: 1. Condiciones y características de la herramienta. 2. Condiciones de operación de la máquina-herramienta. 3. Propiedades mecánicas de la pieza de trabajo. 62 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al Fig. 1. Imagen reconstruida de forma virtual, a partir de imagen de microscopio tomada a 40X que muestra la superficie maquinada de una aleación Aluminio 6063. El identificar la influencia que estos aspectos tienen en las superficies maquinadas permite mejorar los parámetros de corte, detectar eventuales fallas de maquinado (tales como vibraciones, malas sujeciones, etc) y encontrar situaciones de trabajo que den como resultado una mayor calidad en el producto. A continuación se plantea una metodología para caracterizar las superficies maquinadas. Este trabajo centra su base en caracterizar la superficie maquinada identificando las componentes de la huella de la herramienta y las características de rugosidad asociadas a las propiedades del material al ser maquinado. OBJETIVOS Los objetivos particulares del presente trabajo son: a) observar la rugosidad en función de la velocidad de avance en una superficie maquinada, b) caracterizar la huella de la herramienta, c) encontrar los parámetros mejorados de avance de herramienta para mejorar la calidad superficial del producto, d) finalmente se plantea como mejorar el desarrollo de un método de predicción de características de superficie a partir de los valores de los parámetros de corte y las propiedades de los materiales. MARCO TEÓRICO Las superficies de maquinado generadas por medio de los procesos de arranque de viruta exhiben características topográficas2,3 que juegan un papel fundamental en el desempeño de la funcionalidad del producto, y pueden estar determinadas por las con- Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. diciones de trabajo como fricción, lubricación, estética, etc. En la comprensión de los procesos que generan superficies es crucial la relación entre la calidad de la superficie y su comportamiento funcional.4 Esta comprensión puede lograrse a través de una técnica adecuada de caracterización y síntesis de las superficies. Los métodos para analizar superficies se basan en su caracterización por medio de medidas convencionales (altura promedio, distancia de pico a pico máxima, etc), por medio de transformaciones matemáticas (onduletas o «wavelets», análisis de frecuencia, etc) y métodos nuevos como la geometría de fractales, entre otros.5,6 Rugosidad por método convencional. El término rugosidad superficial7 es cuantificado por parámetros relativos a características de la superficie (ver figura 2), tales como: a) Rugosidad, irregularidades más pequeñas y finamente separadas a lo largo de la más corta longitud de muestreo de la superficie maquinada, b) ondulación, irregularidades más grandes, dentro del nivel siguiente superior de la longitud de muestreo. La separación de los picos y valles es mayor y la longitud de muestreo es, por lo tanto, más larga que la de rugosidad, c) Sesgo de superficie, se asocia con la orientación de la figura de la superficie. Esto describe la dirección de la figura dominante en la superficie, generada por el método de maquinado, d) Imperfecciones propias del material, éstas comprenden inclusiones de material, estrías, grietas, agujeros y otras deformaciones no intencionales de la superficie. La definición estándar de la rugosidad se representa con los parámetros Ra y Rz. Fig. 2. Vista amplificada de una superficie maquinada, rugosidad (R), ondulación (W), sesgo de la superficie (L), imperfecciones del material (F). 63 �Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al Ra es referida al promedio de las alturas graficadas en una muestra dada de datos, representa el primer momento estadístico de la muestra (ecuación 1). 1 N Ra = .∑ Datos N i =0 (1) La altura máxima de pico a valle en una muestra de datos es Rz (ecuación 2). Rz = max (Datos) (2) Estos dos conceptos son los más aplicados en los trenes productivos. Las relaciones entre el proceso convencional y la calidad superficial han cambiado por los perfeccionamientos en herramientas de corte y maquinaria. Esto significa también que el modelo del costo convencional entre el nivel de calidad de acabado y los costos de manufactura ha cambiado. En la tabla I se muestran los costos relativos de obtención de diferentes grados de Ra2. Caracterización por medio del espectro de frecuencias Algunos de los comportamientos funcionales de la calidad de las superficies maquinadas pueden lograrse solamente bajo su caracterización. La caracterización en el dominio de la frecuencia se logra utilizando un análisis en términos de frecuencia para posteriormente transformar las características al dominio del espacio. Tabla I.- Costo de obtención de Ra para diferentes clases de acabado. Clase Rugosidad, Ra (µm) Costo relativo de obtención Espejo 0.10 40 Pulido 0.20 35 Ground 0.40 25 Terso 0.80 18 Fino 1.60 13 Semifino 3.2 9 Medio 6.3 6 Semirugoso 12.5 4 Rugoso 25 2 Limpio 50 1 64 La descomposición de una señal en su espectro de frecuencias se logra aplicando la transformada de Fourier. Ver ecuación (3).  j 2π i   1 n −1 Cj = ∑ V k .e  n  k n k =0 (3) En donde C vector resultado de la transformada de Fourier n número de datos V vector conteniendo la señal muestreada j coeficiente del vector resultado C k coeficiente del vector de frecuencias C i unidad imaginaria El algoritmo de la transformada rápida de Fourier regresa vectores cuyos elementos son las amplitudes complejas de las diferentes frecuencias que componen la señal original. El número de datos de la señal muestreada cumple con la condición, de la ecuación (4). (4) n K =2 Ya que para datos reales la segunda mitad de la transformada es el conjugado de la primera. Una vez aplicado el algoritmo se puede conocer la frecuencia asociada al elemento j, (ecuación 5): j (5) Fk = . f s n En donde Fk frecuencia asociada al coeficiente j fs frecuencia muestreada Filtrado y reconstrucción Si se desea filtrar una zona específica del espectro, basta con hacer cero los valores del rango de la frecuencia no deseada. Sean los valores límites de esa zona: Limin y Limsu, entonces cp = 0 (6) para Limin>p> Limsu. La señal filtrada se reconstruye aplicando la transformada inversa de Fourier. Los cálculos de rugosidad convencionales Ra y Rz hechos sobre esta señal reconstruida pueden compararse con los cálculos hechos con la señal original. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al FRa =  1  . ∑ vj  n  j     2 (7a) FRz = max (v) − min(v) (7b) En donde v vector resultado de la transformada inversa de Fourier j coeficiente del vector de frecuencias C n/2 número de elementos según la condición de la ecuación (4). METODOLOGÍA EXPERIMENTAL El material usado en los experimentos fue una aleación de aluminio comercial forjada8 tipo AlMgSi 6063. Se cortó en piezas de 88.9 x 50.8 x 12.7 mm. Se hizo una ranura para cada velocidad de avance, según la tabla III, fresando con una herramienta cilíndrica. Los valores de corte se muestran en la tabla II. No se utilizó refrigerante. Tabla II.- Valores de los parámetros de maquinado. N ú m e r o d e ábales N 2 Radi o de la herr. (mm) r 5 Ve lo c i d a d d e gi ro (rpm) S 1000 P ro fund i d a d d e corte (mm) t 2.54 Tabla III. Avances de corte usados en los experimentos. E xperi mento No. F (mm/mi n) 1 Fig. 3. Imagen de microscopio a 40X que muestra la superficie maquinada de la aleación Al-Mg-Si 6063. Se tomaron lecturas con un rugosímeto provisto de una probeta de radio 0.002mm y un espaciamiento de 0.00025mm. La longitud de barrido fue de 40,000 datos (10mm), de los cuales se analizó una muestra representativa (ver figura 4). RESULTADOS Los perfiles reconstruídos sin tendencia a partir de los datos obtenidos por el rugosímetro se representan en la figura 4. Método convencional La tabla IV muestra los resultados de los valores Ra y Rz. Los valores de rugosidad Ra y Rz se incrementan para velocidades de avance bajas (ver figuras 5 y 6), y disminuye conforme se incrementa la velocidad de avance. Los picos máximos representan baja calidad superficial. Método de descomposición de frecuencias Los espectros de frecuencia para cada uno de los experimentos se muestran en la figura 7. Tabla IV. Resultados obtenidos en los experimentos. F (mm/mi) Ra (µm) Rz (µm) 60 60 100.56 397.91 2 70 70 131.93 489.26 3 80 80 12 3 . 5 2 822.23 4 90 90 115.06 516.10 5 100 100 102.28 397.22 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 65 �Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al Fig. 5. Gráfico de comparación de Ra entre los 5 experimentos. Fig. 6. Gráfico de comparación de Rz entre los 5 experimentos. Tabla V. Valores obtenidos aplicando la FFT en el experimento de F60. Fig. 4. Perfiles de rugosidad normalizados de los cinco experimentos. Los espectros muestran una zona de baja frecuencia con intensidades mayores al resto. Las tablas V a IX presentan los valores significativos de frecuencia y sus índices. Los valores de filtrado de frecuencia se seleccionaron observando que el filtro fuera aplicado a esta zona. Los valores límites de las frecuencias de las tablas V a IX son 1 y 20: Los valores de Ra y Rz de las 66 Frecuenci a más si gni fi cati va Frecuenci a (ci clos/µm) Intensi dad 1 6 3515 2 5 2778 3 11 1887 4 17 1162 Tabla VI. Valores obtenidos aplicando la FFT en el experimento de F70. Frecuencia más significativa Frecuencia (ciclos/µm) Intensidad 1 5 5775 2 10 1799 3 4 1239 4 15 1004 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al Tabla VIII. Valores obtenidos aplicando la FFT en el experimiento de F90. Frecuencia más significativa Frecuencia (ciclos/µm) Intensidad 1 8 3376 2 4 2914 3 7 2597 4 11 1692 Tabla IX. Valores obtenidos aplicando la FFT en el experimiento de F100. Frecuencia más significativa Frecuencia (ciclos/µm) Intensidad 1 3 3700 2 4 2993 3 5 1068 4 2 1038 Fig. 8. Gráfico de comparación de Ra entre los 5 experimentos analizados. Fig. 7. Gráfico en escala semilogarítmica mostrando los espectros de frecuencia de los cinco experimentos. Tabla VII. Valores obtenidos aplicando la FFT en el experimiento de F80. Frecuencia más significativa Frecuencia (ciclos/µm) Intensidad 1 13 3563 2 8 3196 3 9 3012 4 4 2292 señales reconstruidas con estos límites se muestran en la figura 8 y 9. En donde: Es el valor de rugosidad antes de filtrar. Es el valor de rugosidad después de filtrar Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Fig. 9. Gráfico de comparación de Ra entre los 5 experimentos analizados. CONCLUSIONES La huella de la herramienta está determinada por las primeras cinco componentes de baja frecuencia del espectro. Con ello es posible caracterizar la huella de la herramienta en una superficie maquinada bajo las condiciones experimentales presentadas. 67 �Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al Los valores convencionales de Ra y Rz representan escencialmente la huella de la herramienta, por lo que es posible mejorar la calidad de la superficie en términos de la herramienta de maquinado. Se demostró la influencia de la velocidad de avance sobre la calidad superficial, y se encontró una velocidad de avance que produce mejor calidad superficial. Es de esperarse que los valores de alta frecuencia del espectro determinen la rugosidad del material al ser maquinado. Con ello sería posible encontrar el valor de rugosidad óptimo bajo las condiciones de corte utilizadas. Utilizando el método de manera inversa, es posible calcular los valores con los que una superficie fue maquinada a partir de su análisis de rugosidad. MEJORAS A DESARROLLAR El presente trabajo utilizó valores de corte necesarios para obtener superficies con rugosidades acentuadas y por lo tanto fácilmente identificables. Futuros trabajos deberán considerar valores de corte y herramental para acabados de alta calidad. Es deseable hacer un análisis de rugosidad microscópico para establecer una relación entre las componentes de alta frecuencia de los espectros y las características de rugosidades a ese nivel en la zona maquinada. Es de esperarse que exista un valor característico de rugosidad del material al ser maquinado. Estudios comparativos utilizando técnicas como ésta o similares podrán determinar diferencias y similitudes entre las propiedades de rugosidad natural (como por ejemplo superficies en grietas de fractura) y rugosidades en superficies maquinadas. RECONOCIMIENTOS Y EQUIPO UTILIZADO El presente trabajo fue realizado por los autores como parte de su proyecto de investigación en el Doctorado de Materiales FIME-UANL bajo el apoyo de PROMEP y PAICYT 2001 (contrato CA55601), CONACYT 2002 (contrato 37668-U) utilizando las instalaciones del Centro de Manufactura Integrada 68 por Computadora y del Programa Doctoral de Materiales de la FIME UANL: · Rugosímetro marca Mitutoyo surftest 211 series 178 · Centro de maquinado EMCO VMC 300 · Microscopio óptico NIKON a 5X, 20X, 40X y 100X Los autores agradecen el apoyo de la M.C. Guadalupe Ramírez López de la Coordinación de Servicio Social de FIME y al Prof.Dr. Alberto Pérez del Programa Doctoral en Materiales de FIME. REFERENCIAS 1. Cheng-Gui-Li, Shen Dong, Guo-Xiong Zhang, Evaluation of the anisotropy of machined 3D surface topography 12 Oct. 1999. 2. Hinojosa, M., Reyes, M. La rugosidad de superficies: Topometría. Revista Ingenierías vol. IV, No. 11. 3. G. Galante A. Lombardo, M. Piacentini,. Fractal dimension: A useful tool to describe the microgeometry of machined surfaces 15 Julio 1992. 4. Tsu-Wei Hwang. Analysis of surface quality in machining of metals and advanced ceramics. Thesis report doctoral’s degree, Faculty of the Graduate School of the University of Maryland 1992. 5. S Gopalakrishnan Development of a prototype System for on line monitoring of surface Roughness using fractal geometry. Thesis report master’s degree Institute for Systems Research University of Maryland 1994. 6. Don. L. De Voe. An optical area-scattering based approach for the measurement of surface Roughness formed during machining. Thesis report master’s degree, Faculty of the Graduate School of the University of Maryland 1993. 7. Metals Handbook 9th edition, vol 6 “Aluminium”. ASM International, 1989. 8. Cavazos García, José Luis. Tratamiento térmico de una aleación de aluminio 6063. Tesis Doctoral FIME-UANL, 1998. 9. Metals Handbook 9th edition, vol 16 “Machining”. ASM International, 1989. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �La FIME de la UANL en su 55 aniversario José Luis Arredondo Díaz Coordinador de Control y Gestión de la FIME-UANL. jarredon@gama.fime.uanl.mx Del 18 al 27 de Octubre de 2002, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León llevó a cabo una serie de actividades académicas, culturales y deportivas para festejar el Quincuagésimo Quinto Aniversario de haberse creado. El 18 de Octubre dieron inicio las actividades con un Torneo de Ajedrez que en coordinación con la Asociación Estatal, se realizó en la Biblioteca “Ing. Guadalupe E. Cedillo Garza” de dicha Facultad, donde participaron cerca de 70 ajedrecistas. El día 21, visitó las instalaciones de la Facultad el Ing. Arturo Garza y Garza, Presidente de la CANACO Monterrey, donde se reunió con el Director de la Facultad, y se hizo acompañar de funcionarios de diferentes áreas. En seguida el Ing. Arturo Garza y Garza, Presidente de CANACO, Monterrey. Ing. Garza, disertó la conferencia “Representación, Defensa y Servicios de Terrorismo Fiscal” en el Auditorio “Dr. Raúl G. Quintero Flores”, el cual estuvo abarrotado por autoridades de la institución, maestros y alumnos. El martes 22, en la Biblioteca Universitaria “Raúl Rangel Frías”, el Dr. Luis J. Galán Wong inauguró el Simposio sobre Educación, Ciencia y Tecnología; así mismo, dictó la conferencia magistral “Presente y Futuro de la Bioingeniería y Biotecnología” ante la presencia del Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica, Ing. Rogelio G. Garza Rivera, quien estuvo acompañado del Ing. Edmundo Guajardo Garza, Subsecretario de Evaluación y Educación Superior, en representación del Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 69 �La FIME de la UANL en su 55 aniversario / José Luis Arredondo Díaz Gobernador del Estado de Nuevo León, Lic. Fernando Canales Clariond, Don Miguel Barragán, Presidente del Consejo Consultivo de la U.A.N.L., Profr. Gilberto Villarreal de la Garza, Presidente de la Junta de Gobierno de nuestra institución, Ing. José A. González Treviño, Secretario General de la U.A.N.L., maestros y alumnos que llenaron el Auditorio de la Biblioteca Universitaria. Entre las actividades del Simposio, podemos destacar las conferencias cuyos temas fueron: “El uso de las herramientas tecnológicas en la enseñanza de la ingeniería”, “El desarrollo de la industria aeroespacial en México”, “Ingeniería, desarrollo e impacto”, “Ahorro de energía”, “Roles y competencias de los profesionales de la educación a distancia”, las cuales fueron dictadas por: el Ing. Juan Blanco Cotano, Director del Gabinete de tele-educación de la Universidad de Madrid, Dr. Eduardo J. Solís, Jefe de Promoción del Comercio Exterior, Ing. Pablo Boeck, Coordinador de Asuntos Internacionales del CACEI, Ing. Antonio Garza Garza, maestro Emérito de la FIME, Dr. Ernesto Rocha Ruiz Investigador y Prof. de Doctorado en Educación, respectivamente. 70 Ing. Pablo Boeck, Coordinador de Asuntos Internacionales de CACEI. Visitaron las instalaciones de la Facultad y Disertaron una conferencia magistral el Presidente de la CANACO, Ing. Arturo Garza Garza, Presidente del CINLAC, Lic. Eduardo J. Dávila Treviño, Presidente de CAINTRA, Ing. Eduardo Garza T.; Director General de CONACYT México, Ing. Jaime Parada Ávila, Director General de la División de Tecnología de HYLSA, Dr. Raúl Quintero Flores, entre otras personalidades. El miércoles 23 se inauguró la Expo-Industrial que se llevó a cabo en el pasillo central de la Facultad, con la presencia del Ing. Víctor Zorrilla Vargas, Presidente de COPARMEX, quien acompañó a nuestro Director, Ing. Rogelio G. Garza Rivera. El Ing. Victor Zorrila Vargas, presidente de COPARMEX inaugurando la Expo-Industrial. En el transcurso de la semana también se realizaron actividades culturales y deportivas, donde participaron maestros y alumnos de las distintas coordinaciones académicas. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �La FIME de la UANL en su 55 aniversario / José Luis Arredondo Díaz El sábado 26 de octubre se llevó a cabo el tradicional almuerzo de la Fraternidad en donde convivieron ex-alumnos de las diferentes generaciones. En dicho almuerzo el Lic. Armando Fuentes Aguirre “Catón” dictó una amena charla a los asistentes. Al término de la carrera hubo una convivencia en los jardines de la Facultad, con una nutrida participación de los maestros, alumnos, trabajadores y sus respectivas familias. El Lic. Armando Fuentes Aguirre «Catón» durante el tradicional desayuno de ex-alumnos de la FIME. Para cerrar los festejos del 55 Aniversario se organizó una carrera de 5.5K en el circuito universitario donde participaron más de 500 corredores. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 71 �Reconocimientos I. ABANDERAMIENTO DE CAPITULO DEL ASHRAE EN LA FIME El pasado 3 de Octubre de 2002 se llevó a cabo la ceremonia de abanderamiento de la Directiva de la Rama Estudiantil de American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) de la UANL. En el evento llevado a cabo en el Auditorio «Raúl Quintero Flores» los directivos de la ASHRAE: Huge McMillan, Director de la Región 8, Leo Stambaugh, Asesor de capítulos, Carlos Huerta, Presidente del Capítulo Monterrey y el Presidente Electo de ASHRAE Internacional, Richard Rooley realizaron la ceremonia de abanderamiento del capítulo FIME. Autoridades del ASHRAE que visitaron a la FIME-UANL para instalar el Capítulo Estudiantil. Durante la ceremonia se presentó al Ing. Jesús Garza como asesor de la Rama Estudiantil de la FIME, se tomó protesta formal a la directiva de esta rama, compuesta por Miguel A. Ruiz Silva, Presidente; Laura C. Grimaldo Padilla, Presidente Electo; Rosa Ma. Torres Luévano, Tesorero; y Carlos A. Espinoza Sánchez, Secretario, y se les entregó el banderín de la Rama Estudiantil de ASHRAE en la UANL. 72 Abanderamiento del capítulo estudiantil del ASHRAE en la UANL. II. CONCURSO DE CREATIVIDAD En el marco del 55 Aniversario de nuestra Facultad, la Coordinación de la División de Ingeniería Mecánica y Eléctrica organizó un concurso de creatividad. El propósito era construir un dispositivo que fuera capaz de impulsar un cuerpo sobre el suelo tan lejos como fuera posible impulsado por un fluido. La organización estuvo encabezada por el Ing. Juan Antonio Franco Quintanilla, Jefe del Departamento de Ingeniería Hidráulica, con el apoyo de miembros del personal de la división que fungieron como auxiliares y jurado. Organizadores y jurados del Concurso de Creatividad. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Reconocimientos Los 6 equipos que se inscribieron diseñaron dispositivos que consideraron desde impulsar el cuerpo mediante gas obtenido de tabletas de antiácido hasta obtener presión a través de la sublimación de CO2. El equipo número 3 obtuvo el primer lugar con este método, mientras que los equipos 4 y 5 quedaron empatados en segundo lugar, utilizando respectivamente un pistón hidráulico y aire comprimido. No hay duda de que dado el entusiasmo que rodeó a este evento, en el futuro se verán otras competencias de este tipo en las que quedará ampliamente demostrado, como en esta ocasión, el ingenio y los conocimientos de los estudiantes. Equipos ganadores del Concurso de Creatividad. Los equipos ganadores que participaron en el Concurso de Creatividad estuvieron conformados por lo alumnos: 1er. Lugar Rogelio Valdez Leal, Gustavo A. Gurreola Lara, Saúl R. Vázquez Guerrero 2do Lugar Arturo Ovalle Cerda, Nasser M. Noriega, Israel A. Barragán Serna 3er. Lugar Francisco Cruz Imperial, Iván E. González Ugalde, Omar C. Gutiérrez Ochoa. III. MÉRITO ACADÉMICO La FIME realizó la ceremonia de estrega de Reconocimiento al Mérito Acádemico, Mención Honorífica y Excelencia Académica, insignia otorgada por la asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingenierías (ANFEI). Ramiro Rodríguez Báez IMA 97.66 Alan Ugalde Hernández IME 95.558 Felipe Gildardo Leal Garza IAS 97.224 María Félix Cervantes Ríos IEC 90.537 Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. El M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Director de la FIMEUANL, felicitando a los alumnos que recibieron el reconocimiento al Mérito Académico 2002. IV. MENCIÓN HONORÍFICA Distinción que hace la facultad a los estudiantes que sobresalen por su gran desempeño académico a lo largo de su trayectoria en la FIME. La ceremonia se realizó en el Auditorio «Raúl G. Quintero», el 24 de octubre, presidida por el coordinador de Facultades de la UANL, Juan Manuel Adame; el director de la Institución, Rogelio G. Garza Rivera, y los subdirectores acádemico y administrativo Luis Manuel Martínez y Alejandro Aguilar, respectivamente. Fabián Agustín Hernández Grimaldo IMA 95.819 Jorge Arturo Pérez Noris IMA 95.394 Gerardo Ángel González Chapa IMA 95.266 Edén Ali de la Garza Bravo IMA 94.883 Rodolfo Estrada Cavazos IMA 94.872 Milton Jesús Segovia Chávez IMA 94.819 Eréndira Hernández Jáuregui IMA 94.66 Claudia Janeth Rodríguez Gutiérrez IMA 94.234 Jessica Lizeth Flores García IMA 94.085 Elina Iris Mendoza Martínez IMA 93.287 Brenda Lizeth Mata Barrios IMA 93.223 Amelia Álvarez Palacios IMA 92.809 Mónica Pacheco Castro IMA 92.415 Rodrigo Puente Ornelas IMA 92.226 Betsabe Eguren Saldaña IMA 92.234 Reynaldo Silva Hernández IMA 91.84 Evangelina González Rivera IMA 91.511 Nereyda González Solís IMA 90.691 73 �Reconocimientos Alumnos de la FIME-UANL que recibieron Menciones Honoríficas por sus altas calificaciones. Elías de Jesús Treviño Abella Alberto Samuel Trejo Villegas Abimael Enrique Martínez Guerrero Carlos Zapata Hernández Mayra Lizeth Moreno Rodríguez Hipólito López Morales Juan Pablo Alanís Villagrán Jorge Armando Ortiz González Luis Alberto Urueta Hernández Iván Isaul Mijares Contreras Lionel Sergio Méndez Portillo Pedro Morales Ramírez Daniel Johnatan Alvarado Zamora Jaime Esparza López Gumaro Alejandro Hernández Flores Jorge Loredo Martínez IMA 90.33 IMA 90.202 IME 94.74 IME 94.712 IME 94.587 IME 93.413 IME 93.154 IME 92.865 IME 92.606 IME 92.442 IME 92.163 IME 91.894 IME 91.365 IME 91.24 IME 90.99 IEC 90.537 V. RECONOCIMIENTO ANFEI La La Asociacion Nacional de Facultades y Escuelas de Ingenieria, ANFEI, reconocio en el 2002 por su desempeño academico a los siguientes alumnos de la FIME-UANL: David Ramírez Joya IEC Flor Oreida Cantú de la Garza IMA Karina Jazmín Guerrero Cavazos IAS Jorge Alberto Gutiérrez Espinosa IME Plinio de León Canton ICC Raúl Becerra Favro IM 74 VI. PREMIO DE ECOLOGIA 2002 El M.C. Fernando Javier Elizondo Garza , Catedrático e investigador de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, obtuvo el PREMIO ESTATAL DE ECOLOGÍA 2002 otorgado por el Gobierno de Estado de Nuevo León a través de la Subsecretaria de Ecología de la SEDUOP. El premio le fue concedido al Ing. Elizondo por sus investigaciones en el área de “Contaminación por Ruido”, tanto en el ámbito comunitario como en el industrial. El reconocimiento le fue entregado por el C. Lic. Fernando de Jesús Canales Clarion en ceremonia efectuada en la Huasteca, Santa Catarina, N.L. el día 18 de octubre de 2002. El Ing. Fernando J. Elizondo agradeciendo el Premio de Ecología 2002 que le fuera entregado por el Gobierno del Estado de Nuevo León. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Agosto-Diciembre 2002 Guadalupe Alan Castillo Rodríguez Sub-Director de Estudios de Posgrado de la FIME-UANL Rodolfo Flores Garza, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad,“Reingeniería del Sistema de Calidad de la empresa Lámina y Placa Comercial, S.A. de C.V.” 21 de Agosto de 2002. Adalberto Gaytán Reyes, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Administración del Mantenimiento” 21 de Agosto de 2002. Josué Rosemberg Coutiño Ozuna, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Aplicaciones de Redes Neuronales en la discución entre fallas y oscilaciones de Potencia” 2 de Septiembre de 2002. Nicolás Villarreal Sepúlveda, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Administración Financiera del activo circulares de empresas pequeñas” 3 de Septiembre de 2002. Saúl Francisco Sánchez Ávila, M.C. Ingeniería de Manufactura, especialidad, Diseño de Productos,“Cambios rápidos de herramientas en la Industria Electrónica” 9 de Septiembre de 2002. Jorge Arturo Pérez Páez, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Un modelo para incrementar la efectividad en el Maestro de Física 1 de la Esc. Prepa. 2 U.A.N.L.” 11 de Septiembre de 2002. Jesús Rogelio García Treviño, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Sistemas para Identificación de necesidades de capacitación y actualización de los docentes de Física de la Esc. Prepa. 2 U.A.N.L.” 11 de Septiembre de 2002. Sandra Ivonne Barrientos Carlos, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. “Capacitación continua en el área de Sistemas de la Secretaría de Planeación y Desarrollo Universitario de la UANL” 20 de Septiembre de 2002. Karina Martina Uicab Luna, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “ Determinación de los factores críticos del éxito del outsarcing de sistemas de información en el área Metropolitana de Mty.” 20 de Septiembre de 2002. Juan Carlos Andrés Escobar Martínez, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Efecto de corrientes armónicas de Secuencia negativa en la operación de máquinas sincronas” 20 de Septiembre de 2002. José Martínez Hernández Ramírez, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Estudio de la síntesis de fases arconato de calcio y magnesio para su uso en frecuencia de alcalir a alta temperatura” 24 de Septiembre de 2002. Francisco Garza Tamez, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “ Diseño de un nuevo modelo de vínculo entre la Facultad de Ingeniería de Civil y la Industria de la Construcción” 25 de Septiembre de 2002. Patricia Aguilera Martínez, M.C. Ingeniería de Manufactura, especialidad Automatización, “Programación de PLCS” 30 de Septiembre de 2002. Carlos Guillermo Barrera Aburto, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Reestructuración Organizacional y mejoramiento en el desempeño de la Subgerencia de Perforación por Contrato División Norte Petróleos Mexicanos Aplicando Criterios de Calidad” 1 de Octubre de 2002. 75 �Titulados a nivel Maestría en la FIME / Guadalupe Alan Castillo Rodriguez Rafael Alberto Rosas Torres, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Electrónica, “Diseño de un módulo de desarrollo basado en el procesador 68HCII con interface para Windows 95” 4 de Octubre de 2002. Claudio Randhú González Rojas, M.C. Ingeniería especialidad Telecomunicaciones, “La Tecnología de los Sensores de Fibra Óptica” 9 de Octubre de 2002. Rodolfo Garza Tamez, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “ La detención de necesidades de capacitación y adiestramiento como base para el mejoramiento de los trabajadores” 15 de Octubre de 2002. José Luis Cerda Juárez, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia,“Estrategias para la reducción de pérdidas y estudios de sensitividad en redes de distriución” 18 de Octubre de 2002. Fernando Estavillo Pedroza, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Análisis de una propuesta de una nueva empresa por medio de simulación” 28 de Octubre de 2002. Deborah Aurora Sepúlveda Treviño, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales,“Elaboración de manual de operación del personal administrativo en la Prepa. 2 U.A.N.L.” 30 de Octubre de 2002. Yesmín Coronado Pérez, M.C. Ingeniería de Sistemas, “Solución a problemas de programación lineal mediante el método elipsoidal modificado” 8 de Noviembre de 2002. Yanet Villalobos Morales, M.C. Ingeniería de Sistemas, “Pre-procedimiento de un problema de optimización de redes de gas natural” 8 de Noviembre de 2002. Francisco Cabrera Taque, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “La seguridad 76 en el comercio electrónico como solución a una forma de llevar a cabo transacciones comerciales” 15 de Noviembre de 2002. Guillermo Rodríguez Jauregui, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Sistemas de Red de Tierras en Subestaciones Eléctricas de Potencia” 15 de Noviembre de 2002. Rodolfo Portillo Salinas, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “Mejoramiento en los procesos de desarrollo, carga, validación y explotación implicados en el data Warehouse mediante la sección de una fábrica de información corporativa aplicada al área de ventas de la empresa Gamesa” 23 de Noviembre de 2002. David Antonio González Esquivel, M.C. Administración, especialidad Finanzas,“Motivación Laboral” 27 de Noviembre de 2002. Emilio Morales Sánchez, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Efectos de la capacitación pedagógica para el maestro del nivel medio superior” 27 de Noviembre de 2002. Mayra Elizabeth Alanís Alanís, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Efecto de la cristalización dinámica en la autoafinidad de superficies de i-pp” 28 de Noviembre de 2002. Ada Oliva Trejo Dávalos, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Microcréditos de Monterrey” 29 de Noviembre de 2002. Martha Guadalupe Narváez de Luna, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “Diferencias individuales y asimilación de la tecnología de información: Un estudio de campo en México” 9 de Diciembre de 2002. Liliana Muñíz Montemayor, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “Sistemas de evaluación de habilidades” 9 de Diciembre de 2002. Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Acuse de recibo Revista PODER Revista NATURE MATERIALS La revista mensual “Poder, cuestión de negocios”, ISSN 1533-3205, presenta en sus páginas, con un formato ágil y agradable, análisis relativos a la situación internacional y más específicamente sobre la economía, las empresas y la sociedad Latinoamericana. Incluye, en cada número un artículo principal de algún asunto de actualidad o trascendencia internacional, así como una serie de secciones fijas especializadas en aspectos como política, iglesia, telecomunicaciones, educación, medio ambiente, etc. En su edición 23, de fecha Julio de 2002, Poder analiza como tema central “¿Para donde va PEMEX?”, además de artículos sobre la banca lationamericana en el siglo XXI, la televisón por cable, el mercado de celulares, terrorismo e incluso una entrevista con Mario Vargas Llosa titulada “El poder es corruptor y dañino”. Puede encontrar la página de Internet de esta publicación en la dirección www.revistapoder.com. Para suscripciones en México puede comunicarse al e-mail: mercadotecnica@expansion.com.mx (FJEG) En Septiembre de 2002 aparece el primer número de Nature Materials. Esta revista es publicada por la misma editorial que publica la revista Nature, que sin lugar a dudas es en el mundo la revista más importante en las ciencias físicas. La publicación de esta nueva revista debe de verse por una parte, como el reconocimiento de la ciencia de materiales como una de las interdisciplinas más importantes en la actualidad. Así mismo, que Nature ofrezca una nueva alternativa orientada a los materiales, es también una forma de reconocer el papel que juega la tecnología de los materiales en el desarrollo económico global, así como en el de la sociedad en general. Con el tiempo seguramente Nature Materials se convertirá en una de las principales fuentes de información sobre ciencia, tecnología, pero también de políticas, financiamiento y educación, de la ciencia de materiales. Sin otro interés más que el de compartir esta nueva revista, los invito a leerla, a someter ante ella vuestra producción científica, o al menos a consultar su sitio en la red: www.nature.com/materials, disfrútenlo. (UOM) Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. 77 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Chávez Guerrero, Leonardo Profesor investigador del Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la UANL. Obtuvo su licenciatura y su maestría en el Instituto Tecnológico de Saltillo y el doctorado en Ingeniería de Materiales en la UANL. Realizó una estancia de investigación en el Centro para Recursos Energéticos y Ambientales de la Universidad de Texas en Austin. Es miembro del SNI nivel I. Ingeniero Mecánico Metalúrgico egresado de la FIME-UANL en junio 2001. Ha colaborado en proyectos de investigación en el programa doctoral en Ingeniería de Materiales (DIMAT) de la FIME y es coautor de una publicación internacional. Actualmente cursa la maestría en el DIMAT. Becerril Cerón, Hugo Pasante de la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista (área: Mecánica) ENEP Aragón UNAM. Co-autor de 2 trabajos sobre la aplicación de materiales con memoria de forma. Áreas de interés: Diseño mecánico, mecánica de materiales. Bucay, Benito Ingeniero Químico en la Facultad de Ciencias Químicas de la UNAM con estudios de postgrado en Oklahoma y la UCLA. Actualmente es Director Ejecutivo de Grupo Industrial BRE y anteriormente Director General Adjunto de Grupo DESC y Director General de Resistol. Ha sido reconocido con Mención Honorífica del Premio Banamex de Ciencia y Tecnología, el Premio Andrés Manuel del Río del Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos, el Premio Ernesto Ríos del Castillo del Colegio de Ingenieros Químicos y Químicos. Cavazos Flores, Raúl Sergio Ingeniero Mecánico Electricista, realizó su servicio social, en el programa doctoral de la FIME. Ha desarrollado proyectos en compañías del ramo automotriz, refrigeración e iluminación, actualmente trabaja en el área de ingeniería de planta en la compañía Productos Lithonia Lighting de México. 78 Cortés Pérez, Jacinto Ingeniero Mecánico Electricista (área: mecánica) ENEP Aragón UNAM Maestro en Ingeniería (Mecánica) DEPFI UNAM. Candidato al grado de Doctor en Ingeniería DEPFI UNAM Responsable del Laboratorio de Mecánica del Centro Tecnológico Aragón ENEP de la UNAM. Áreas de Interés: mecánica de sólidos, análisis experimental de esfuerzos, modelación matemática del comportamiento mecánico de materiales. Delgado Acosta, Mario Antonio Profesional Técnico en máquinas de combustión interna. Pasante de la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista. Actualmente haciendo su tesis de licenciatura en el área de Manufactura de la FIME. Estrada Loyo, Eduardo Psicólogo clínico por la UANL. Fue editor del periódico Voz. Ha publicado en el periódico Vida Universitaria y en la revista Entorno universitario. Actualmente se desempeña como asistente editorial y encargado de las relaciones públicas y publicidad de la revista CIENCIAUANL. Flores Zúñiga, Horacio Ingeniero Químico, Universidad Autónoma de Zacatecas. Maestro en Ciencias, DEPFC UNAM Doctor en Ingeniería, Institut National des Sciences Appliquees de Lyon, France. Investigador Titular del Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18 �Colaboradores Centro de Investigaciones en Materiales Avanzados (SEP-Conacyt) Nivel 1 de Sistema Nacional de Investigadores. Áreas de Interés: Metalurgia Física, Transformaciones de Fase, Comportamiento mecánico de materiales. Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es maestro de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL. Ortiz Méndez, Ubaldo Egresado de la FIME-UANL, obtuvo maestría y doctorado en Ingeniería de Materiales en la misma institución. Postdoctorado en el Instituto de Estudios e Investigaciones Aeroespaciales de Francia. Ganador del Premio de Investigación UANL 1996. Es investigador de tiempo completo en la FIME desde 1998. Egresado de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencias de Materiales en la Universidad Claude Bernard de Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de la FIME-UANL, y miembro del SNI nivel 1. Recientemente obtuvo el Reconocimiento al Mérito Tecnológico TECNOS 2000. Kharissova, Oxana Vasilievna Peñaloza Peña, Lourdes Graduada como Geoquímica con especialidad en cristalografía en la Universidad Estatal de Moscú, donde realizó su maestría en la misma especialidad. Realizó su doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Desde Agosto de 2001 es investigadora de la FCFM de la UANL. Ingeniera Mecánica Metalúrgica, egresada de FIME en el 2002. Actualmente trabaja en el área de control de calidad de fundiciones. Hinojosa Rivera, Moisés Rocha Rangel, Enrique Ingeniero Mecánico Electricista por la ENEP AragónUNAM. Maestro en Ingeniería (Mecánica) por la DEPFI-UNAM. Encargado del laboratorio de Laminación del Instituto de Investigaciones en Materiales UNAM. Áreas de interés: metalurgia física, producción de aleaciones metálicas, comportamiento mecánico de materiales. Ingeniero Metalúrgico, Maestría en Ingeniería Metalúrgica y Doctorado en Metalurgia y Materiales todas ellas en la ESIQIE-IPN. Especialización en Materiales en el Instituto de Investigación en Materiales de la UNAM. Estancia de Investigación en la Universidad Tecnológica de Toyohashi, Japón. Posdoctorado en los Laboratorios Nacionales de Oak Ridge, EUA. Profesor-Investigador en la UAM desde 1992. Su línea de investigación es la Ingeniería de Procesamiento de Materiales Compuestos. Leal Chapa, César A. Refugio García, Elizabeth Ingeniero Mecánico Electricista de la FIME, UANL, donde obtuvo la maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Electrónica. Es diplomado en Administración de Tecnología por el CINVESTAVIPN, en Robótica por la Universidad Técnica de Budapest, Hungría y en Desarrollo de Habilidades del Pensamiento por el ITESM. Ing. Metalúrgico y Maestría en Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma Metropolitana. Experiencia industrial en el campo de los tratamientos térmicos de los metales. Su línea de investigación principal es en el campo de la Ingeniería de Procesamiento de Materiales Compuestos. López Guerrero, Fco. Eugenio Ingeniero Mecánico Metalúrgico, por la FIMEUANL. Premio a la mejor tesis de licenciatura de 1999 en el área de Ingeniería y Tecnología. Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales en diciembre de 2001. Actualmente realiza sus estudios de Doctorado en la FIME. Lara Rodríguez, Gabriel Ángel Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero en Control y Computación de la UANL. Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas por la FIME, UANL Maestro de tiempo completo de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Actualmente desarrolla su tesis doctoral en la FIME-UANL trabajando en conjunto con la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Morones Ibarra, J. Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la UANL. Obtuvo su doctorado en Física en el área de Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. Valdez Nava, Zarel Zavala López, Eder Estudiante de la licenciatura de Física de la Faculdad de Ciencias Físico- Matemáticas, UANL. Su aréa de interés es la ciencia de materiales y diversos tópicos de física en general. 79 �Información para colaboradores Se invita a profesores e investigadores de las diferentes áreas de la ingeniería a colaborar en la Revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes de eventos, convocatorias, etc. Las colaboraciones deberán estar escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. No deberá ser en primera persona. Solamente se aceptarán trabajos en inglés de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos serán sujetos a arbitraje tipo doble anónimo siendo inapelable el veredicto de los revisores. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar, para su consideración editorial, un original y copia del artículo, así como un disquete de 3 ½” con el archivo del mismo en formato .doc de Word, originales de material gráfico, y fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras. Los artículos deben remitirse a: Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, A. P. 076 “F”, Cd. Universitaria, San Nicolás, C.P. 66450, N.L., México. El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por artículo Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18. es cuatro. La extensión de los artículos no deberá exceder de 7 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras. Deberán incluirse un máximo de 5 palabras clave tanto en español como inglés. Las referencias irán numeradas en el orden que fueron citadas en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Deben incluirse al menos 3 imágenes o gráficas, originales. Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4020 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx 81 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2003 Volumen Volumen de la revista 6 Número Número de la revista 18 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2003, Vol 6, No 18, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2003 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020781 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores CIQA Conductividad eléctrica Estudio fractográfico Parámetros de rugosidad Síntesis del espinel Termo-actuador https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20740/Ingenierias_2002_Vol_5_No_17_Octubre-Diciembre.pdf acda4b3a9f984613b3e52b7ff690c98f PDF Text Text ���Editorial La Academia de Ingeniería, México José Luis Fernández Zayas* La enseñanza de la ingeniería en México se remonta a los tiempos prehispánicos. Se sabe que las sociedades pobladoras del Valle de Anáhuac debieron acordar e implantar algunas de las más avanzadas técnicas de manejo del agua. En ese esfuerzo participaron cientos de ingenieros, a lo largo de varias décadas, quienes se trasmitían los conocimientos de manera rigurosa y formal, siendo el más famoso el también poeta Nezahualcóyotl (1402-1472). Los estudiosos de los antecedentes de la ingeniería mexicana lamentan que, durante los largos años de la conquista, se haya perdido esa tradición constructiva, amorosa y respetuosa de la naturaleza, y se iniciaran las catástrofes tecnológicas que todavía hoy se manifiestan como crisis sistemáticas en el manejo del agua en el valle de México. Como antecedente de la educación actual de la ingeniería en México se puede mencionar que en 1784, a instancias del Virrey de la Nueva España, Antonio María de Bucareli, el rey Carlos III de España emitió nuevas ordenanzas en sustitución de las del siglo XVI, para formalizar la enseñanza del laborío de minas. Ocho años más tarde se inaugura el Real Seminario de Minería, en una casa que se localiza en la actual calle de Guatemala número 90, y poco después, se encarga al arquitecto y escultor valenciano Manuel Tolsá la construcción del edificio definitivo de la minería en México, el Palacio de Minería, con capacidad inicial de hasta 50 alumnos. Este edificio, una de las joyas arquitectónicas de la era colonial, se localiza en la calle de Tacuba número 5, frente al Palacio de las Comunicaciones y la estatua ecuestre de Carlos IV. Actualmente, en el primer piso del Palacio de Minería, sobre la puerta principal, se encuentran las oficinas de la Academia de Ingeniería. Colegio de Minería (1864) Pintura por Casimiro Castro. Muchas son las profesiones que nacieron en el Palacio de Minería, donde además se originan los primeros trabajos de investigación científica del continente americano. Las ingenierías mexicanas nacieron sin duda ahí mismo, y tomaron la forma actual durante el siglo XX. Muchas son las carreras de ingeniería que se imparten en México y en el continente americano, que se han estructurado con atención especial a las carreras pioneras que nacieron, en respuesta responsable a las exigencias de la modernidad, en el Palacio de Minería. * Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Presidente de la Academia de Ingeniería, México. 3 �La Academia de Ingeniería, México De dicho tronco común nacen en la ciudad de México en 1910 la Facultad de Ingeniería de la UNAM y en 1936 la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del IPN, las que con el tiempo desarrollaron sus propias personalidades y sirvieron como modelo en el desarrollo de las escuelas de ingeniería en el resto del país. LAS ACADEMIAS DE INGENIERÍA En 1974 se formaron, casi al mismo tiempo, la Academia Nacional de Ingeniería, presidida entonces por el doctor Marco Antonio Murray-Lasso, ingeniero mecánico egresado de la UNAM y doctorado en el MIT, y la Academia Mexicana de Ingeniería, cuyo presidente fundador fue el ingeniero Luis Enrique Bracamontes, ingeniero civil graduado en la UNAM y afamado por una muy importante trayectoria profesional en el gobierno federal. La membresía de las academias pronto reflejó las diferentes trayectorias de sus fundadores. Una se caracterizó por incluir a los ingenieros de más alto rango en la investigación y la docencia, y la otra, por hacer lo propio con ingenieros destacados en la práctica profesional, en la empresa privada y pública así como en el gobierno. Con el curso de los años, un grupo de unos 50 académicos resultó electo a ambas academias, y cuestionó la conveniencia de que hubiese en México dos academias de ingeniería, dado que en países como los Estados Unidos hay una sola. Al fin, en 1999, cuando se integró el Foro Consultivo de Ciencia y Tecnología para asesorar en esos temas al Presidente de la República, las academias de ingeniería fueron excluidas por la autoridad federal, bajo la consideración de que dos academias en el mismo foro serían demasiado contrapeso a la Academia Mexicana de Ciencias. Ello bastó para que se emprendiera un esfuerzo serio de unificación, con el compromiso de que no se perdería ningún mérito ni ninguna tradición en el proceso. Así, surgió en febrero de Asamblea de creación de la Academia de Ingeniería, 2002 la academia unificaFebrero 2002. 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �José Luis Fernández Zayas da, que con el nombre de Academia de Ingeniería (México, en la correspondencia al extranjero), A.C., integra a los antiguos miembros de ambas academias, la cual ha sido ya reconocida como miembro en pleno derecho en dicho foro consultivo, único organismo que prevé la ley para asesorar al Poder Ejecutivo. Actualmente la Academia de Ingeniería cuenta con unos 850 miembros titulares, correspondientes y de honor, integrados en 22 comisiones de especialidad y seis comisiones interdisciplinarias; se tienen comisiones regionales en proceso de consolidación en Nuevo León, Jalisco, Morelos y Querétaro. FUNCIONES Y ORGANIZACIÓN Además de la muy importante función de asesorar al Poder Ejecutivo en temas de la ingeniería nacional, la Academia de Ingeniería promueve la vocación, la educación, el ejercicio profesional y la investigación en la ingeniería; estimula la formación profesional de ingenieros del más alto nivel, con gran sentido de responsabilidad social, para lo cual reúne en su seno a los ingenieros más destacados, quienes con su vida profesional ejemplar dan testimonio de cómo el país puede ser mejor para todos los mexicanos. El ingreso a la Academia es lento y complejo. Se requiere que al menos cinco académicos recomienden a un candidato, para iniciar un proceso minucioso de selección, que atiende tanto a las características de los aspirantes como a la necesidad de la propia Academia de preservar el equilibrio entre sus áreas. La Academia es al mismo tiempo el lugar idóneo para que se expresen las inquietudes de una ingeniería posmoderna, global y de punta, característica de las sociedades industrializadas más prósperas, y simultáneamente, se atiendan las necesidades de un pueblo que en su gran mayoría no alcanza niveles aceptables de calidad de vida y bienestar. Por ello se dice que la Academia es una organización nacionalista en el sentido moderno del término, pues se le reconoce como institución preocupada por los ingenieros mexicanos de éxito y Presidium del Salón de Actos. Palacio de Minería. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 5 �La Academia de Ingeniería, México por los mexicanos en general, a quienes la ingeniería mexicana puede ofrecerles aliento y esperanza de un mejor futuro, tanto para ellos mismos como para las generaciones venideras. La Academia tiene un presupuesto anual de varios millones de pesos, que obtiene de la cuota anual de sus miembros, de la firma de convenios con organizaciones afines o simétricas, y de donativos de mexicanos prominentes que ayudan a financiar estudios y proyectos de política tecnológica y científica. Con estos recursos la Academia financia cursos, simposia, conferencias magistrales, congresos, mesas redondas y conferencias de búsqueda, en los que participan los propios académicos así como otros expertos, nacionales y extranjeros. Mediante estas acciones, la Academia incide en las prácticas profesionales, universitarias y normativas, entre otras, para alcanzar mejor sus fines. En los últimos años, y en virtud del mal estado de la economía en general, la participación de la Academia se ha hecho más apremiante y es más intensa. Sin embargo, conserva su tradición de cuidar que no se escandalice en torno a estas cuestiones, sino que se haga llegar la información apropiada de manera oportuna a los tomadores de decisiones nacionales. COMENTARIOS FINALES La ingeniería mexicana es un ingrediente esencial para la recuperación de la economía. No sólo se trata de resolver problemas estructurales de la macroeconomía, sino de llevar el beneficio a las familias mexicanas, en la forma de mejores oportunidades de educación y salud, empleo y vivienda, así como ofrecerles un horizonte de desarrollo personal rico y variado. Este nuevo progreso es imposible sin la generación de nuevo conocimiento útil, trascendental, de clase global. En la redefinición de la ingeniería mexicana en el nuevo marco global, la Academia de Ingeniería busca destacar en un sitio de importancia para hacer efectivas las experiencias de los ingenieros mexiDiscurso de inauguración de la Academia de canos más experimentados. Ingeniería. Febrero de 2002. 6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �El ingeniero civil♦ En su 150 aniversario Henry Petroski* La ingeniería es tan antigua como la civilización, pero el concepto de ingeniero es relativamente moderno en comparación al de arquitecto o al de especialista en construcción. Esto no significa que no existieran ingenieros en el Egipto, Grecia y Roma de la antigüedad. Tal como los «10 libros de arquitectura» de Vitruvius lo indican, individuos de la antigüedad que hoy llamaríamos ingenieros concebían ingeniosos proyectos, diseñaban maquinaria para mover materiales de construcción y para asaltos militares a fortalezas. Tales ingenieros estaban muy relacionados con objetivos militares así como con la organización de fuerzas de trabajo semejantes a las de un ejército. El trabajo de los ingenieros estaba asociado naturalmente con objetivos militares y por ello la cualidad especial para desarrollar la operación y seguridad de ciudades amuralladas era de gran valor militar. En el siglo XVII, los ingenieros militares en Francia estaban organizados como el Corps des Fortifications, también conocido como Corps du Genie. Esta era una organización de élite, con la mayoría de sus miembros pertenecientes a la nobleza francesa. A un ingeniero militar que también estaba involucrado con los proyectos de obra civil se le llamaba Génie Civil. Cuando el término Ingenieur fue establecido en Francia como un medio para distinguir a aquellos servidores públicos que tenían un entrenamiento más científico que el que poseía un técnico, la palabra también se usaba en la milicia para enfatizar las bases teóricas del Corps des Ingenieurs du Genie Militaire. La transición del énfasis militar al civil se completó en 1720 cuando fue formado el Corps des Ingenieurs des Ponts et Chaussées, dedicado especialmente a la construcción de puentes y carreteras. Para mediados del siglo XVIII, se estableció la École Nationale des Ponts et Chaussées, la cual es generalmente considerada como la primera escuela de Ingeniería Civil en el mundo. ♦ Artículo publicado en la revista American Scientist, Vol. 90, pp. 118-122, Marzo-Abril 2002, reproducido con autorización del autor y traducido por Alejandro Durán Herrera y Salvador Villalobos Chapa. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Fig. 1. John Smeaton fue el primer ingeniero en describirse a si mismo como “Civil”, para diferenciarse de los Ingenieros Militares. También fue punto clave para establecer en 1771 la Sociedad de Ingenieros Civiles en Londres. (Imagen cortesía del Instituto de Ingenieros Civiles). Las bases teóricas altamente estructuradas de la ingeniería francesa contrastaban grandemente con las raíces prácticas de la ingeniería británica contemporánea, la cual fue basada de acuerdo a su experimentada mano de obra y fundada en un sistema de aprendizaje. Uno de los frutos de este sistema fue John Smeaton. Inició como fabricante de instrumentos matemáticos, pero su carrera marcaría un parteaguas en la ingeniería británica. Después de una visita a los países bajos en 1754, donde observó canales, muelles y molinos de viento, Smeaton regreso a Inglaterra con nuevas perspectivas. La reconstrucción que realizó en el faro de Edystone lo llevó a obtener una gran reputación en cuanto a la solución de problemas difíciles, y pronto logró ser reconocido como un Ingeniero que basaba su trabajo en cálculos e investigaciones experimentales en lugar de datos y reglas empíricas. Los artículos científicos que redactó lo condujeron a ser elegido por la Royal Society; su reseña experimental * Duke University E-mail: petroski@duke.edu 7 �El ingeniero civil. En su 150 aniversario acerca de los poderes naturales del agua y el viento sobre los molinos es un documento clásico en el área. En lugar de recibir órdenes dentro de una jerarquía militar, Smeaton se declaró a si mismo como su propio jefe, teniendo como aliados solamente a los principios de la ciencia y la práctica de la Ingeniería. Para diferenciar su trabajo del que realizaban los Ingenieros Militares, Smeaton se auto nombró “Ingeniero Civil”, y para enfatizar su independencia declaró ser un profesional. Asumió el derecho de trabajar en diversas comisiones simultáneamente, y cobraba su trabajo basándose en el tiempo que invertía en cada proyecto en particular. Cuando era contratado por algún cliente, Smeaton estudiaba el problema y elaboraba un reporte de lo que encontraba con sus respectivas recomendaciones. El cliente lo podía contratar para realizar cálculos adicionales detallados, preparar dibujos de diseño y procedimientos. Se elegía un contratista para que ejecutara el trabajo y se asignaba a un Ingeniero residente para supervisarlo. Esta metodología de trabajo, innovadora en su época, es la forma en que trabajan actualmente las consultorías y bufetes de Ingeniería. LA PRIMERA ASOCIACIÓN DE INGENIERIA Para 1770, había un cierto número de Ingenieros practicantes como Smeaton, y debido a que con frecuencia eran necesarias decisiones gubernamentales para llevar a cabo un proyecto, generalmente estaban en Londres presentando y defendiendo sus diseños cuando el parlamento estaba en sesión. Estos ingenieros también atestiguaban ante la corte, y Smeaton era generalmente considerado como el primer testigo experto, su testimonio ingenieril era admitido como una opinión conocedora en lugar de ser desechado como cualquier rumor. Como resultado de la evidente necesidad de conocer y discutir el estado del arte, aparte de otros aspectos de interés y experiencia, en 1771 se formó un Club Social y pronto se dio a conocer como la Sociedad de Ingenieros Civiles. De acuerdo a un miembro de dicho club, quien describió los eventos 8 que ocurrieron en una junta de 1778, los miembros pasaban el tiempo conversando, “canal, hidráulica, matemática, filosófica, mecánica, natural y socialmente”. El Club le debe a Smeaton la mayor parte del éxito y organización, pero con el tiempo él se retiró, y en 1792 el grupo se desintegró. Un año después de la muerte de Smeaton, la Sociedad renació como la Sociedad Smeatoniana de Ingenieros Civiles. En 1817 se convirtió exclusivamente en club social conocido como los Smeatonianos y mucho tiempo después de la muerte de Smeaton los miembros de la sociedad seguían brindando en su memoria. Aún sin una educación formal de Ingeniería establecida en Inglaterra (el primer curso de filosofía mecánica se impartió en el Colegio Universitario de Londres en 1826), los Ingenieros más jóvenes sintieron la necesidad de algo más que solo un Club Social. La situación condujo a un pequeño grupo de ellos a una reunión convocada por el joven de 23 años Henry Robinson Palmer, y a principios de 1818 planteó una propuesta para formar una Sociedad “que facilitara la adquisición del conocimiento necesario en la profesión de Ingeniero Civil y para promover la Filosofía Mecánica”. La Asociación fue pronto nombrada Institution of Civil Engineers, y llevaba a cabo reuniones cada martes cuando el parlamento estaba en sesión. Solamente la guerra interrumpió esta tradición que perduró por muchos años. Como requisito de membresía en la Institución cada miembro debía presentar en una de las juntas un artículo original durante el periodo del año en curso. El aumento de miembros hizo que esto fuera un requisito no viable, y en 1824 se anuló esta regla y a los miembros se les requirió redactar “mínimo un documento original y no publicado cada sesión o presentar un libro, mapa, plano, modelo o instrumento, de lo contrario se cobraba una multa la cual no sería parte de los fondos de la Institución sino utilizada para incrementar su acervo bibliográfico”. Estas condiciones de membresía se fueron haciendo menos estric- Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Henry Petroski tas al paso de los años, pero para ser admitido como miembro corporativo o ser miembro honorable, se seguía requiriendo hasta hace poco tiempo que los Ingenieros donaran un libro o dinero para la biblioteca. Hoy en día, la biblioteca de la Institución posee uno de los más grandes acervos en materia de Ingeniería Civil en el mundo. La membresía de la Institución de Ingenieros Civiles (ICE) era mayor a 150 en 1828, cuando la organización buscaba un estatus que le permitiera ser considerada como parte de la realeza, obteniendo con ello el prestigio y poder para “controlar y guiar a sus miembros hacia el interés público”. (Hasta la fecha es la ICE y no el gobierno quien establece los estatutos de los Ingenieros Británicos profesionales, una práctica también desarrollada en los países de la comunidad Británica). Como requisito para solicitar reconocimiento de la realeza, la profesión tenía que ser definida, y esto llevó a Thomas Tredgold a escribir su famosa definición de Ingeniería Civil como “el arte de dirigir grandes fuentes de energía en la naturaleza para el uso y conveniencia del hombre”. Militares fueron de gran utilidad para diseñar y construir edificios públicos, caminos, puentes canales y todo el trabajo de naturaleza civil. Thomas Jefferson, quien apoyaba la fundación de una academia militar, deseaba que ésta se convirtiera en una escuela nacional para la ciencia. Con su nombramiento en el congreso en 1802, West Point se convirtió en la primera escuela formal de ingeniería en el nuevo mundo, pero no tenía un sistema enfocado a la enseñanza y evaluación sino hasta 1817, cuando Sylvanus Thayer fue nombrado director. Pidió la ayuda de Claudios Crozet, un egresado de la Ecole Polytechnique en 1809, que sin sorprender, adoptó el diseño de uniformes y libros de texto del sistema de educación de los Ingenieros Franceses. A pesar de sus orígenes y propósitos militares, West Point también se convirtió en una fuente de educación general para los jóvenes que no estaban interesados en una carrera militar. Para 1830 era ampliamente reconocido que la educación ingenieril en la academia podía servir para diversos propósitos, incluyendo “dar una sana dirección del espíritu emprendedor” que en aquel entonces se comenzó a difundir en el país. LA INGENIERIA LLEGA A ESTADOS UNIDOS El desarrollo de la Ingeniería Civil en Estados Unidos empleó una combinación única de los modelos Franceses y Británicos. La construcción del sistema de canales de Nueva York, que inició en 1817, le dio la oportunidad a hombres jóvenes y talentosos de aprender trabajando y ascender empezando desde cadenero en una cuadrilla de topografía hasta diseñar cerraduras para compuertas. De hecho, el canal Erie ha sido llamado “la Primera Escuela Americana de Ingeniería Civil” de Estados Unidos, y fue el principal campo de entrenamiento para los Ingenieros Civiles hasta principios de 1830, cuando de una institución basada en el modelo francés egresaban ingenieros con una formación diferente. Entre los argumentos para establecer la academia militar de los Estados Unidos también los Ingenieros Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Fig. 2. Alden Partridge, graduado de West Point quien fundó en 1820 la Academia Americana Literaria, Científica y Militar. Establecida en 1834 como la Universidad de Norwich, que fue la primer institución académica en ofrecer la cátedra especifica en Ingeniería Civil. (Imagen cortesía de la Universidad de Norwich). 9 �El ingeniero civil. En su 150 aniversario Además se predecía que los alumnos de West Point liberarían al país de la Ingeniería de charlatanes que, en diversas ocasiones provocó profundas heridas al sistema interno de desarrollo. La Secretaría de Guerra apoyaba el hecho de estudiar en la academia beneficiando al joven país en una “época de mejoras” y el Cuerpo de Ingenieros se convirtió en una fuerza importante dándole forma a la infraestructura del país. Pero los Ingenieros del Ejército sólo podían trabajar en las etapas iniciales de los proyectos civiles, y generalmente tenían que renunciar a su comisión militar para poder llevar a cabo cualquier construcción. LA EDUCACIÓN EN INGENIERÍA CIVIL Alden Partridge fue un egresado de West Point que trabajó un proyecto diferente. Él fundó la Academia de Literatura, Ciencia y Milicia que abrió sus puertas en Norwich, Vermont, en 1820 y pugnó por una educación más práctica y menos rígida que los cursos de estudio en West Point. Se opuso a los principios de las fuerzas armadas y formó un ejército de ciudadanos entrenados en escuelas militares a lo largo del país. A mediados de 1820 Partridge veía a su academia como una fuente de «Ingenieros formados para hacerse cargo de dirigir de la mejor manera la obra pública». Rápidamente se distinguió como un profesor de Ingeniería Civil. En 1834 la academia se convirtió en la Universidad de Norwich. A pesar de que la Universidad de Norwich no graduaba tantos ingenieros como West Point, es considerada como la primera escuela de Ingeniería Civil en los Estados Unidos. La escuela que para mediados del siglo XIX se convirtió en un acérrimo rival de West Point en el área de Ingeniería Civil fue Rensselaer. La escuela de Rensselaer fue fundada en 1824 en Troya, Nueva York, por un terrateniente local llamado Stephen Vand Renseelaer, quien quería que la institución “calificara maestros para enseñar a los hijos e hijas de los granje- 10 ros y mecánicos, por medio de clases u otra manera, en la aplicación desde química experimental, filosofía, historia natural, hasta la agricultura, economía doméstica, las artes y manufactura”. Después de aproximadamente una década, bajo el nuevo nombre de Instituto Rensselaer, la institución comenzó su enseñanza en “Ingeniería y Tecnología”. Partridge se dió cuenta que el “ plan de educación práctico” empleado en Rensselaer era similar al suyo en Norwich y observó que ambos estaban cayendo en un enfoque muy teórico como el de West Point, estableciendo que «el claustro comenzaba a rendirse al campo, donde las cosas, no las palabras, son estudiadas». En 1835, Rensseelaer graduó a un grupo de 4 estudiantes con los primeros cuatro títulos de Ingeniería Civil que se hubieran entregado en cualquiera de los países angloparlantes. Algunos de los Ingenieros Civiles más distinguios del siglo XIX fueron graduados de Rensselaer. Durante la década de 1830 el profesorado y las clases de Ingeniería Civil comenzaron a establecerse en otras instituciones educativas de todo el país, pero no solo la ruta académica era la única para distinguirse en ingeniería civil en el siglo XIX. James Buchanan Eads, nacido en 1820 y constructor del primer puente sobre el río Misissippi en San Louis y parte fundamental del proyecto de cómo mantener un canal para navegación en la desembocadura del Río Grande, obtuvo sus conocimientos por sí mismo, como muchos de sus contemporáneos. (No sería hasta 1860 cuando las leyes de garantía de tierra hicieron posible establecer escuelas de agricultura y mecánica en numerosas instituciones educativas especializadas en la formación de Ingenieros Civiles). LA PRIMERA SOCIEDAD AMERICANA DE INGENIEROS CIVILES Sin importar que fueran entrenados en campo o en aulas, se tenía una necesidad perceptiva entre los Ingenieros para compartir las experiencias profesionales y aprender los nuevos desarrollos tecnológicos. La Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Henry Petroski formalización de la Institución Británica de Ingenieros Civiles no pasó desapercibida, y durante la década de 1830 hubo algunos intentos fallidos de iniciar algo similar en los Estados Unidos. El establecimiento de una organización local era una tarea más sencilla. La Sociedad de Ingenieros Civiles de Boston se inició en 1848 y se convirtió en la primera organización permanente de Ingenieros en los Estados Unidos. Su singular éxito era atribuido a la concentración de Ingenieros de los alrededores; sus rigurosos requisitos de membresía, que excluía ingenieros inmaduros, de poco prestigio, e inestables en la práctica profesional; el inmediato establecimiento de una oficina central donde se pudiesen llevar a cabo las reuniones y se contara con una biblioteca; además de actividades sociales y profesionales. Otra ciudad donde se tenía una concentración similar de Ingenieros en circunstancias semejantes era Nueva York, y no es sorprendente que un último esfuerzo exitoso para organizar a los Ingenieros Civiles a nivel nacional haya provenido de este lugar. James Laurie, quien trabajaba como aprendiz de un fabricante de instrumentos, trabajó para un Ingeniero Civil en su natal Escocia antes de emigrar a los Estados Unidos a principios de la década de los años 1830 para trabajar bajo las ordenes de otro Ingeniero escocés llamado James Pugh Kirkwood. Laurie comenzó como un Ingeniero asociado en los ferrocarriles de Norwich y Worcester y ascendió a jefe de ingeniería y director de construcción. En poco tiempo comenzó a hacer trabajos de consultoría para ferrocarriles, canales, presas y compañías constructoras de muelles y puentes. Laurie fue uno de los fundadores de la Sociedad de Ingenieros Civiles de Boston, y cuando cambió su consultoría a Nueva York, se convirtió en la fuerza que impulsó el inicio de una Sociedad de Ingenieros Civiles en esta ciudad: Después de que la idea fue discutida entre algunos de los Ingenieros Civiles locales, se publicó un aviso en el New York Herald en 1852, y los profesionales del área fueron Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 invitados a asistir a una junta con el propósito de hacer arreglos para organizar, en la ciudad de Nueva York, una Sociedad de Ingenieros Civiles y Arquitectos (este nombre nunca fue oficial, ya que no se usó en ningún proceso formal de incorporación). La reunión para organizar la Sociedad a la cual asistieron otros 10 ingenieros, se llevó a cabo en la oficina del Ingeniero Alfred W. Craven, el jefe del Departamento de Acueductos de Croton, quien era responsable de suministrar agua a la ciudad desde una distancia de 41 millas desde la presa del Río Croton. Las oficinas del Departamento se encontraban localizadas en el parque Rotonda, llamado así porque era donde se encontraba un edificio romanesco conocido como La Rotonda, que había sido construido como museo de arte para albergar paisajes pintados por el neoclacisista americano John Vanderlyn, cuyos trabajos también se exhibían en la Rotonda del Capitolio de los Estados Unidos. El edificio se encontraba localizado cerca de lo que sería el inicio de la entrada del puente de Brooklyn en Nueva York. La localización actual se encuentra en los terrenos del parque del Fig. 3 James Laurie fue el primer presidente de lo que se convertiría en la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles, fundada en 1852. (Imagen cortesía de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles). 11 �El ingeniero civil. En su 150 aniversario área administrativa de la ciudad y está identificada con una placa discreta. Sin ser sorprendente, James Laurie fue electo como el primer presidente de la nueva sociedad, que rápidamente contó entre sus miembros invitados al ingeniero en puentes colgantes John A. Roebling, quien después llegaría a ser el diseñador del puente Brooklyn en Nueva York. Pero Roebling y otros prominentes Ingenieros Civiles que se unieron a la nueva Sociedad no se encontraban en Nueva York con regularidad y no se podía contar con ellos en las reuniones o para que sirviesen como oficiales. A las primeras reuniones a veces asistían sólo tres miembros (todos directivos) y como no había fondos para rentar un local, continuaron reuniéndose en las oficinas del Departamento de Acueductos de Croton. Después de tres años, las reuniones pararon y la sociedad se volvió inactiva. Durante este periodo se formó el Instituto Americano de Arquitectos, lo que llevó a los Ingenieros a adoptar el nombre más corto de Sociedad Americana de Ingenieros Civiles. Después de más de una década de inactividad, la Sociedad fue reorganizada y llevó a cabo su primera reunión general de la nueva era en 1867. El presidente Laurie fue sustituido por su maestro, James Kirkwood. En su dirección presidencial, Kirkwood reconoció la perseverancia de Laurie para organizar la Sociedad e hizo una semblanza de su turbulento inicio. Por falta de fondos había sido “una sociedad sin habitantes, sin habitaciones en las cuales los miembros foráneos se pudiesen alojar cuando se encontraran en la ciudad, y en la cual tanto los miembros de la ciudad como los foráneos pudiesen mostrar evidencia de que somos algo más que un pergamino para la sociedad”. También aludió a “la falta de comunicación profesional entre los miembros” y atribuyó esa falta de comunicación a la baja asistencia a las reuniones. Decidió que se emplearían los recursos provenientes de aportaciones monetarias y membresías para el éxito de la Sociedad en la “segunda etapa” de su existencia. 12 Kirkwood estimó que se necesitarían al menos 200 miembros para que la sociedad fuera viable y se dió cuenta que era una meta que se podía lograr. También se dió cuenta que para ese entonces había tantos ingenieros en los Estados Unidos como en Inglaterra y Francia, e Inglaterra tenia dos «florecientes sociedades de Ingenieros» y en Francia existía «por lo menos una». Abogaba por obtener documentos, procedentes ya sea de Nueva York o de miembros foráneos, para publicarlos en memorias que pudieran ser distribuidas leídas por ellos a lo largo y ancho del país. Kirkwood consideraba la difusión de los artículos, o por lo menos los resúmenes de ellos, como una parte esencial de la “continua y exitosa existencia” de la sociedad, y describió los tipos de comunicación por los que él abogaba: «No es necesario que los artículos que deseamos sean muy detallados, que requieran mucho tiempo y trabajo para su elaboracion, sino que sean breves y veraces, ilustrando algún grado de dificultad profesional o un punto de interés hacia el cual se haya enfocado el esfuerzo particular del autor. Nuestros errores en la construcción, los cuales tenemos la libertad de mencionar, siempre serán de más valor para otros que nuestro propio éxito...» Kirkwood era un firme creyente de aprender de los errores, y aún en el esfuerzo de revitalizar a la Sociedad, creía que se deberían enfrentar las dificultades frente a frente, juzgando cómo pudieran evitarse o como enfrentarlas en un futuro. La nueva postura del presidente fue reiterada en un escrito del comité de documentos e impresiones, el que prometía dar arreglo a las lecturas cuando el autor no estuviera presente. Poco después los documentos que eran aceptados por el comité de publicaciones comenzaban a ser distribuidos mensualmente a sus miembros. William Jarvis McAlpine, sucesor de Kirkwood, se dió cuenta de que si no había una Sociedad de Ingenieros establecida, la gente no vería los documentos con carácter profesional real. La meta de la sociedad fue la de ver el distintivo de “M.A.S.C.E.”, siglas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Henry Petroski de Member of the American Society of Civil Engineers después del nombre del ingeniero para catalogarlo como profesional. Teniendo un control de quién era aceptado como miembro, la sociedad representaba un respaldo para la comunidad. Desafortunadamente, el bajo número de miembros se tornó en contra de la meta fijada porque las consideraciones fiscales no deslindaban del pago a los miembros que se dieran de baja. En 1867 la Institución de Ingenieros Civiles de Londres tenia 1339 miembros de todos los niveles, con fondos equivalentes a 10 veces el costo anual de la publicación de minutas y memorias. Además, el derecho de anexar las siglas ”M.I.C.E.” (Member of the Institution of Civil Engineers) a su nombre era codiciado por los Ingenieros Civiles Británicos, y como las reuniones eran llevadas a cabo en Londres durante las sesiones legislativas, a la ICE se le llegó a referir como el “ Parlamento de los Ingenieros Civiles”. Era el tipo de respeto que buscaban los ingenieros civiles de Estados Unidos. El centésimo aniversario de la ASCE fue la ocasión para que se llevara a cabo una reunión conmemorativa en Chicago en 1952, y fue tomada como la oportunidad para denotar el aniversario número 100 de la profesión de Ingeniero en los Estados Unidos. A pesar de que la Sociedad haya deseado representar a todos los Ingenieros de Estados Unidos ajenos a la milicia, han proliferado sociedades especializadas desde la fundación en 1871 del Instituto Americano de Ingenieros en Minas y en 1880 la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. El programa del 100 aniversario enlistó no menos de 65 organizaciones participantes, algunas de ellas representando subespecialidades como ingenieros en lubricación e ingenieros en refrigeración. La oficina de correos expidió una estampilla postal conmemorativa por el “100 aniversario de la ingeniería”. La fundación de la ASCE se considera como la ocasión para celebrar el establecimiento de la profesión de ingeniero civil, lo que en el contexto histórico fue apropiado. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 El año 2002 marca el 150 aniversario de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles, que actualmente cuenta con 125,000 miembros y es una de las Sociedades de Ingenieros más sólidas del mundo. Si se hubiera planeado un 150 aniversario de la ingeniería, para destacar la ocasión se hubiera tenido entre los participantes a organizaciones representando Ingenieros Biomédicos, Ingenieros en Computación, Ingenieros en Microelectrónica y de otras nuevas disciplinas de la Ingeniería. A pesar de que tales especialistas también podrían ser llamados Ingenieros Civiles, ha pasado mucho tiempo desde que ese término del siglo XIX ha sido lo suficientemente preciso para referirse a la profesión que al transformarse a sí misma también ha transformado al mundo. BIBLIOGRAFÍA 1. Calhoun, Daniel Hovey. 1960. The American Civil Engineer: Origins and Conflict, Cambridge, Mass Technology Press. 2. Committee on the History and Heritage of American Civil Engineering (ed) 1970. The Civil Engineer- His Origins. New York: America Society of Civil Engineers. 3. Hunt, Charles Warren. 1897. Historical Sketch of the American Society of Civil Engineers. New York: ASCE 4. Straub, Hans. 1964. A History of Civil Engineering: An Outline From Ancient to Modern Times, trans Erwin Rockwell. Cambridge, Mass: MIT Press. 5. Watson, J. G. 1988 The Civils- The Society of the Institution of Civil Engineers. London: Thomas Telford. 6. Wisely, William H., 1974. The American Civil Engineer, 1852-1974: The History, Traditions and Developments of the American Society of Civil Engineers. New York: ASCE. 13 �Una introducción a las aleaciones con memoria de forma Parte II Enrique López Cuéllar* ABSTRACT Shape Memory Alloys (SMA) present a very different behavior from usual materials. These metallic alloys have the remarkable property for recuperate its original shape by simple heating after being «plastically» deformed. Other properties such as superelastic effect, rubber-like effect and a high damping capacity are exhibited in these alloys. For these reasons, SMAs are considered in the new generation materials, as «smart» materials. However they are not well known to the engineering public. The aim of this second part of this paper is to give to the engineering public an introduction to their different thermomechanical properties and their actual applications. Keywords: SMA, shape memory alloys, smart materials, thermomechanical properties. INTRODUCCIÓN Como ya se mencionó en la parte I de este artículo publicada en la edición N° 16,1 las aleaciones con memoria de forma (AMF) presentan propiedades completamente distintas a las de los materiales usuales como: el efecto memoria de forma, el efecto superelástico, el efecto cauchótico y una capacidad de amortiguamiento elevada. En este artículo se describen los distintos comportamientos termomecánicos que las AMF pueden presentar y se hace mención de los sectores de aplicación actuales. Esta segunda parte del artículo pretende ayudar al lector a comprender de una manera simple los campos de aplicación que estas aleaciones pueden tener (figura 1). PROPIEDADES TERMOMECÁNICAS DE LAS ALEACIONES CON MEMORIA DE FORMA Las aleaciones con memoria de forma tienen un comportamiento que depende fuertemente de la temperatura. Por ejemplo, se puede caracterizar a una 14 Fig. 1. Válvula mezcladora utilizando resortes de AMF y convencionales. (a) La posición de la guía y la temperatura del agua mezclada se controlan variando la longitud total del activador linealmente, a partir del ajuste de temperatura en la perilla de control. (b) Representación esquemática del comportamiento lineal de la curva característica de temperatura-deflexión de la AMF empleada en la válvula. (c) Aspecto de la válvula. (Imagen a partir de Otsuka2 y él, a su vez, de Ohkata H.3). AMF por su diagrama de estado (σ, T), como el que se mostró en la figura 6 de la parte I. En éste se indica, en función del esfuerzo y la temperatura, si la aleación se encuentra en domino austenítico, martensítico o bien en una zona de coexistencia de ambas fases. La deformación (ε) de la aleación es afectada también * Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL E-mail: enlopez_73@yahoo.com. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Enrique López Cuellar por la temperatura y el esfuerzo aplicado. Las respuestas obtenidas de ε(σ) o ε(T) son completamente distintas según la trayectoria de carga que la aleación sufra en función de la frontera definida por la línea del esfuerzo crítico de transformación, indicada en la figura 6 parte I.4 Lo anterior se traduce en diferentes comportamientos termomecánicos que pueden agruparse en cinco clases. Los cuales se explican a continuación. Efecto Cauchótico Cuando una AMF es solicitada a una temperatura inferior a M f como se ilustra en la figura 2, la deformación que se obtiene después de la primera aplicación de un esfuerzo (1→2) es parcialmente reversible cuando el esfuerzo es retirado (2→3). Si nuevamente se aplica un esfuerzo, la deformación esta vez sí es reversible (2↔3). Este comportamiento es llamado efecto cauchótico o en ciertos casos por analogía con supertermoelasticidad es llamado efecto seudoelástico por reorientación. La recuperación parcial de la forma se debe a un movimiento reversible de las interfaces martensita-martensita, constituidas esencialmente por los contornos de maclas.5 Fig. 2. Esquema esfuerzo-deformación correspondiente al efecto cauchótico. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Efecto Superelástico Esta propiedad se obtiene cuando se le aplica a una AMF un esfuerzo a una temperatura constante y superior a A f . En la figura 3 se muestra este comportamiento. La sección AB corresponde solamente a la deformación elástica de la fase austenítica. El punto B corresponde al esfuerzo necesario (σβ−m) para iniciar la introducción de las primeras variantes de martensita. Las variantes introducidas entre B y C, son aquellas a las que el cizallamiento favorece en el sentido del esfuerzo. Se puede observar una deformación importante de aproximadamente 8% (εβ−m) como máximo. En C la transformación finaliza. La pendiente de la línea BC refleja la facilidad del proceso de transformación completa. Para un monocristal favorablemente orientado, la inclinación es pequeña, en tanto que para un policristal, debido a los problemas de compatibilidad en los límites de grano se obtienen pendientes más grandes. Pero este comportamiento depende también de la dirección del esfuerzo (tensión o compresión) y de la dirección cristalina. El punto D es el límite elástico de la martensita transformada (σp), si el esfuerzo aplicado sigue aumentando, la martensita Fig. 3. Representación esquemática de la curva6 esfuerzodeformación del comportamiento superelástico. 15 �Una introducción a las aleaciones con memoria de forma. Parte II se deforma plásticamente y posteriormente se produce la fractura en E.6 Si el esfuerzo es retirado de la muestra antes del punto D, por ejemplo en el punto C, la muestra recuperará su forma inicial en varias etapas. La sección C’F corresponde a la descarga elástica de la martensita. En F (σm−β), comienza la transformación inversa martensita-austenita. La fracción de martensita disminuye hasta que la fase austenítica sea completamente restaurada (G). La sección GH representa la descarga elástica de la austenita. La deformación total puede en algunos casos no ser completamente recuperada, sobre todo durante los primeros ciclos de utilización. Se puede decir entonces, que el efecto superelástico es la traducción macroscópica de la transformación termoelástica inducida por esfuerzo a una temperatura superior a Af. La verificación de este comportamiento a distintas temperaturas T>A f permite trazar los diagramas de tipo σ-T , como el ilustrado en la figura 6 de la parte I.3 Efecto memoria de forma de sentido simple (EMSS) El efecto memoria de forma puede ser definido como el regreso mediante calentamiento a una forma predefinida a alta temperatura a partir de una forma a baja temperatura obtenida por deformación. Lo anterior está detallado en la figura 4. La forma predefinida es la forma en estado austenítico o en alta temperatura (1). Durante un simple enfriamiento hasta el estado martensítico (2) la forma no se modifica, esto se debe al fenómeno de autoacomodamiento. Si se le aplica un esfuerzo a la muestra (3) y después se descarga (4), se produce una deformación permanente. El regreso a la forma inicial se obtiene mediante un simple calentamiento a una T>A f durante la transformación martensita-austenita (1). Finalmente, si se lleva a cabo otro enfriamiento sin esfuerzo aplicado la forma no cambiará. A lo anterior se le 16 Fig. 4. Esquematización del efecto memoria de forma de sentido simple (EMSS). conoce como efecto memoria de forma de sentido simple (EMSS).5 y 7 Efecto memoria de forma de doble sentido asistido (EMDSA). Si el efecto memoria de forma de sentido simple es repetido varias veces y la carga aplicada es mantenida constante durante todo el ciclo de enfriamiento y calentamiento de la muestra, entonces se dice que se ha llevado a cabo el proceso para producir el efecto memoria de forma de doble sentido asistido (EMDSA). La carga aplicada debe de ser lo suficientemente grande para poder estirar la muestra en estado martensítico y debe de ser también limitada para no introducir una deformación plástica que pueda bloquear la transformación.8 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Enrique López Cuellar Efecto memoria de forma de doble sentido (EMDS) o reversible Fig. 5. Esquematización del efecto memoria de forma doble sentido asistido (EMDSA). La figura 5 muestra la esquematización del EMDSA. Como para el caso del EMSS, la forma predefinida es la forma que se tiene al estado austenítico (1). La aplicación de un esfuerzo inferior al límite elástico de la austenita provoca una pequeña deformación elástica (2). Durante el enfriamiento hasta el estado martensítico (3) la muestra sufre una deformación macroscópica gracias a la aparición de las variantes de martensita mejor orientadas en el sentido del esfuerzo. Si después, la muestra es calentada hasta el estado austenítico (T>Af) se provoca el regreso a la forma inicial durante la transformación inversa (2). Esto es el efecto memoria de forma doble sentido asistido. Con el aumento del esfuerzo aplicado se observa un aumento de las temperaturas de transformación o un desplazamiento de la curva mostrada en la figura 5 hacia su derecha. Este incremento, por lo general, sigue un patrón lineal con respecto al esfuerzo, en donde la pendiente corresponde a la ley de Clausius-Clapeyron modificada. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Las aleaciones con memoria de forma pueden también ser capaces de memorizar una forma en alta temperatura y otra a baja sin necesidad de alguna solicitación mecánica exterior. Este comportamiento puede ser obtenido mediante diferentes tratamientos termomecánicos especiales llamados de “educación”. Los tratamientos pueden consistir por ejemplo, en repetir ciclos térmicos bajo un esfuerzo constante aplicado, o en repetir ciclos superelástico o bien simplemente en introducir una verdadera deformación plástica en el material. Estos tratamientos permiten la creación de sitios privilegiados (precipitación orientada, dislocaciones) que favorecen la nucleación y el crecimiento espontáneo de variantes orientadas de martensita. La figura 6 describe este comportamiento de las AMF: el material es fuertemente deformado al estado martensítico (1), esto introduce dislocaciones que van a estabilizar configuraciones de plaquetas de martensita. Durante el calentamiento de la muestra hasta el estado austenítico (2), ya sin esfuerzo aplicado, las variantes desaparecen pero las dislocaciones se quedan. Durante el enfriamiento (3), las dislocaciones favorecen, mediante su campo de esfuerzo, la misma configuración de variantes de martensita orientadas. Esto provoca un cambio en la forma macroscópica entre las fases a alta y baja temperatura y se le llama efecto memoria de forma doble sentido (EMDS). En tanto que las dislocaciones no desaparezcan por algún otro tratamiento, el EMDS aparecerá de manera repetida durante los ciclos térmicos.5 y 8 APLICACIONES DE LAS AMF Como se ha visto en los 5 puntos anteriores, las AMF poseen propiedades completamente distintas a las de las aleaciones metálicas comunes, además de 17 �Una introducción a las aleaciones con memoria de forma. Parte II Figura 6. Esquematización del efecto memoria de forma doble sentido (EMDS) después de sufrir una educación mediante deformación. su capacidad de amortiguamiento. Por esto, las AMF tienen un alto potencial de aplicaciones. Pero su alto costo de fabricación y las bajas temperaturas de transformación o de degradación limitan su campo de aplicación. A pesar de esto, más de 10,000 patentes han sido presentadas en el pasado.1 Esto hace muy difícil su clasificación. A continuación se hace un esfuerzo en este artículo por agrupar los sectores de aplicación7 y 9 existentes de las AMF: • Conectadores • Activadores Térmicos o Eléctricos • Productos Superelásticos • Amortiguadores • Materiales Inteligentes Cada sector de aplicación utiliza una propiedad termomecánica distinta, por ejemplo, en el sector de los conectadores se utiliza el efecto memoria doble sentido. Siendo este sector el primero en incursionar. Su primera aplicación fue un conectador en el sistema hidráulico de los aviones de combate F-14. El mismo efecto ha sido utilizado en los activadores térmicos o 18 eléctricos, como por ejemplo en las válvulas mezcladoras de agua (figura 1) o en el control de temperatura para el apagado y encendido de freidoras eléctricas o cafeteras. En este mismo sector se utiliza también el EMDSA en ciertas micro-pinzas o en funciones de robótica para realizar algún tipo de trabajo. El sector superelástico ha sido aprovechado en el campo de la medicina como en el alambre guía de catéteres y en los arcos para los frenos utilizados en la ortodoncia. Las antenas en los teléfonos celulares y el armazón en algunos sostenes para damas utilizan esta propiedad. Por último, las AMF son consideradas materiales inteligentes porque cuando son utilizadas como activadores, además de ésta actividad funcionan como sensores. Un ejemplo de aplicación de materiales inteligentes es un material compuesto de pequeñas fibras de Ti-Ni introducidas en una matriz polimérica utilizado para el control de vibraciones en vehículos espaciales ya que la constante elástica de las AMF sufre un importante cambio dentro de los rangos de las temperaturas de transformación.1 Lo visto anteriormente da una perspectiva general al ingeniero sobre las propiedades que pueden ser explotadas de las AMF y los actuales sectores de aplicación. La investigación científica, el mejoramiento de las propiedades y la búsqueda de nuevas aplicaciones de estas aleaciones han sido constantes en algunos países como Japón, Estados Unidos y Suiza. En general se puede concluir que para que una aplicación de este tipo de aleaciones tenga éxito, además de cumplir con los requisitos de dicha demanda, la ganancia encontrada en la aplicación, ya sea económica o de condiciones de operación, debe amortiguar el costo de la aleación. RECAPITULACIÓN En esta segunda parte del artículo se definió cada uno de los cinco comportamientos termomecánicos que presentan las aleaciones con memoria de forma. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Enrique López Cuellar Además se presentó una clasificación de los sectores de aplicación de estas aleaciones y se vieron algunos ejemplos de aplicaciones. REFERENCIAS 1. López Cuellar E. Una introducción a las aleaciones con memoria de forma. Ingenierías, JulioSeptiembre 2002, Vol. V, No. 16, p. 5-11. 2. Otsuka, K., Ren, X. Recent developments in the research of shape memory alloys. Intermetallics 7, 1999, p. 511-528. 3. Ohkata, H., Tamura H. MRS Symp. Proc. 1997, 459, 345. 4. Berveiller M., Patoor E. Comportement thermomécanique des matériaux usuels et des alliages à mémoire de forme. Patoor, E., Berveiller. Technologie des alliages à mémoire de forme. Paris: Hermès, 1994. 43-59p. ISBN 2-86601-426-X. 5. Federzoni L. Etude d’un acier inoxydable à mémoire de forme. Thèse d’Etat, INSA de Lyon , Lyon I, 1993, 266p. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 6. Krishnan R., Delaey H., Tash., Warlimont H. Thermoplasticity, pseudoelasticity and the memory effects associated with martensitic transformations. Journal of Materials Science 1974, Vol. 9. p.15361544. 7. López-Cuellar Enrique. Fatigue par cyclage thermique sous contrainte de fils à mémoire de forme Ti-Ni-Cu après différents traitements thermomécaniques. Thèse d’Etat, INSA de Lyon , Lyon I, 2002, 180p. 8. De Araujo, C. J. Comportement cyclique de fils en alliage à mémoire de forme Ti-Ni-Cu : analyse electro-thermomécanique, dégradation et fatigue par cyclage thermique sous contrainte. Thèse d’Etat, INSA de Lyon , Lyon I, 1999, 177p. 9. Olier P. Alliages à mémoire de forme : Influence du mode de fabrication, de la teneur en oxygène et de l’ajout de zirconium ou d’hafnium sur les caractéristiques métallurgiques et les propriétés thermomécaniques. Thèse d’Etat, Université de Paris-Sud, U.F.R. Scientifique d’Orsay. 1995, p. 21, 230p. 19 �La industria de esteroides en México y un descubrimiento que cambiaría el mundo Luis E. Miramontes Cárdenas* ABSTRACT The events which allowed the creation and development of the steroidal industry in our country are briefly described, as well as the synthesis and patent of norethysterone, the first efficient antiovulatory which allowed the planning of the family. A finding of great impact in the world. Keywords: Steroids, diosgenin, nor-ethysterone, history, Syntex, Marker, Rosenkranz, Djerassi, Pincus. Presenciar y constatar la influencia determinante que ha tenido el descubrimiento del primer antiovulatorio activo por vía oral para romper las viejas barreras ideológicas y transformar valores humanos en el ámbito mundial, constituye tal vez la mayor satisfacción y honor que he recibido en mi carrera como investigador; sin embargo, en muchos países, por desgracia, las cosas no han cambiado. Me considero afortunado, porque el investigador, en su afán, por encontrar la verdad, al iniciar sus trabajos, en muchas ocasiones ignora qué hallará finalmente, y cuál será la magnitud o campo en que repercutirán los resultados. Creo que aunque teníamos una idea de lo que íbamos a encontrar, tanto para la compañía en la que desarrollé la investigación como para mí, el resultado fue sorprendente por sus efectos posteriores. Antes de la Segunda Guerra Mundial, los esfuerzos por producir hormonas sexuales femeninas y masculinas habían culminado en Alemania, donde se había logrado su fabricación a partir de materias primas extraídas de animales sacrificados en los rastros. El procedimiento experimental de la obtención La planta “ cabeza de negro” (Dioscorea macrostaycha). de las hormonas esteroidales era muy complicada y excesivamente costosa: de los cerebros de los animales se extraía el colesterol, a partir del cual, y mediante una síntesis muy compleja y costosa, se fabricaban las hormonas sexuales. Durante la Segunda Guerra Mundial la industria hormonal quedó en suspenso en Alemania y en todo el continente europeo. Inmediatamente se registraron avances en América. El Dr. Russel E. Marker, profesor de la Universidad de Pennsylvania, descubrió que en México existen plantas del género de las dioscóreas que tienen en su raíz o rizoma, una sustancia llamada diosgenina. El Dr. Marker, de una manera genial, encontró el procedimiento para producir progesterona a partir de la diosgenina que obtuvo de la raíz de la planta “ cabeza de negro”(Dioscorea macrostaycha) Tal descubrimiento colocó a México a la vanguardia de la industria hormonal. Durante los años de la posguerra en nuestro país se producían con mucho éxito hormonas esteroidales femeninas y masculinas, las cuales eran exportadas a todo el mundo. ♦ Artículo publicado en la Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 45, No. 3, Julio-Septiembre del 2001. Reproducido con autorización de la Sociedad Química de México. 20 * Colegio Nacional de Ingenieros Químicos y Químicos, A.C. E-mail: lemc@servidor.unam.mx Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Luis E. Miramontes Cárdenas A principios de la década de los 50, la empresa Syntex inició un programa muy ambicioso: esperaba sintetizar corticoesteroides. En aquellos años se consideraba a la cortisona como una panacea, capaz de curar la artritis y todas las enfermedades metabólicas, y la industria farmacéutica mundial se encontraba en una auténtica carrera por obtener un proceso de bajo costo que permitiera la producción de cortisona en el ámbito industrial. Para desarrollar el programa, Syntex contaba con dos destacados químicos de Hungría: los doctores Esteban Kaufman y Jorge Rosenkranz. Además contrataron al Dr. Carl Djerassi, químico norteamericano de ascendencia austriaca. Simultáneamente, un grupo de investigadores mexicanos inicia un programa adicional y de poca importancia para la empresa: tratar de sintetizar 19-nor-esteroides. Finalmente, Syntex perdió la carrera de la síntesis de cortisona; su proceso resultó muy caro como para compartir con otras empresas como Upjohn y Pfizer, quienes combinaron la química con los procesos fermentativos de esteroides. El programa adicional, de los 19-noresteroides, y al que se le concedió poca importancia, presentó resultados notables. Mi trabajo, que originó la planificación familiar, resultó importante. El 11 de octubre de 1951, aislé en el laboratorio de investigación de Syntex los primeros cristales de noretisterona con la esperanza de haber encontrado un fármaco antiabortivo. El futuro demostró que logramos lo que la humanidad realmente necesitaba: un antiovulatorio. La noretisterona se patentó primero en México y en todo el mundo después. La patente norteamericana se concedió el primero de mayo de 1956. fueron científicos y médicos investigadores norteamericanos los que hicieron los estudios toxicológicos y clínicos en la Fundación Worcester de Estados Unidos, a fin de desarrollar una píldora anticonceptiva que se probó Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 primero en Puerto Rico y en Haití con 6,000 mujeres y después en Estados Unidos con 10,000 mujeres voluntarias. En 1960, la Food and Drug Administration aprobó la comercialización de la píldora y en seguida apareció “Norlutin” con el compuesto de Syntex, y casi simultáneamente “Envoid” de Searle. Después salieron varios compuestos similares, unos mejores que otros, pero la noretisterona se sigue empleando en todo el mundo, sobre todo en china. En México existen una media docena de presentaciones farmacéuticos de ese fármaco como píldoras, inyectables y en forma de implantes. Yo no soy el inventor de la píldora anticonceptiva, el inventor fue el Dr. Gregory Pincus a quien conocí y me distinguió con su amistad; yo soy el descubridor del compuesto químico que originó la mencionada píldora. Algunos dicen que somos los padres de la píldora, no los inventores. La alteración de la relación natural entre sexualidad y concepción, a través de este descubrimiento, generó en muchos sectores sociales, profundos y graves cuestionamientos morales y en otros, actitudes obtusas y reaccionarias. Es verdad que paralelamente a la cada vez mayor autosuficiencia económica de la mujer, los anticonceptivos han promovido un cambio en el comportamiento humano, pero éste, desde mi punto de vista, ha sido positivo. Puedo afirmar que la idea que nos alentó durante la investigación no fue inspirada por Herodes, ya que la idea atrás del invento fue desde un principio, profundamente ética. Lograr que todo ser humano nazca sin desventajas, en un medio que permita el desarrollo de todas sus potenciales, es sin duda una meta más del alto valor humanitario. Hacia ello se orientó el resultado de nuestro esfuerzo y pensamos que debe cristalizar de manera importante en un futuro no muy lejano. La aparición de los anticonceptivos modernos presentó 21 �La industria de esteroides en México y un descubrimiento que cambiaría el mundo una opción para la generación de la conducta humana: la paternidad responsable. Su objetivo no fue ni es coartar la necesidad anímica e instintiva de procreación, simplemente ha dado a la pareja la capacidad de prever, determinar y procurar las condiciones propicias para la formación de la familia. Pero la píldora anticonceptiva pone también a nuestro alcance el cumplimiento de una responsabilidad mayor; la preservación de nuestro mundo ecológico, nuestro planeta casa. El desempleo, la desnutrición y la marginación del usufructo de los bienes del desarrollo son algunos de los defectos derivados del desequilibrio entre el aumento de la población y la incapacidad para producir satisfactores fundamentales al mismo ritmo. Actualmente la hambruna afecta a millones de personas y constituye un trágico e inalterable futuro para millones de niños que aún sin nacer, están predestinados al hambre. Los programas de planificación familiar han sido un éxito en casi todo el mundo, pero no así el control demográfico, el número de habitantes sigue creciendo sobre todo en países de Asia, África y América Latina. En el ámbito global, la situación se vuelve peligrosa por el impacto poblacional al planeta. Nuestra civilización ha desarrollado un sistema de vida que no puede prescindir del confort y las maravillas tecnológicas y que usa cantidades enormes de combustibles fósiles para el transporte y la generación de electricidad. Los bosques siguen sufriendo tala inmoderada, la deforestación del planeta avanza y se tiene una elevación de la temperatura global. Debemos apoyar la gran y atrevida idea de Margaret Sanger, una enfermera norteamericana que inventó la expresión “control natal”. Esta valiente mujer fundó Federación Internacional Para la Paternidad Responsable(International Planned Parenthood Federation) en 1950, cuando el control 22 Margaret Sanger, enfermera inventora del término “control natal”, a finales de los años treinta. natal se consideraba un delito en el estado de Massachussets y convenció a Catherine McCormick para financiar una investigación a fin de obtener un contraceptivo efectivo y seguro. Las dos mujeres fueron a ver al doctor Gregory Pincus y pusieron sobre la mesa 180,000.00 dólares para ayudar a la fundación Worcester de Boston a fin de hacer la investigación. El Dr. Pincus tuvo la fortuna de que, tanto en Syntex como Searle, se estaba investigando sobre progesteronas sintéticas y se le proporcionaron las sustancias para sus pruebas farmacológicas. Después el Dr. John Rock dirigió la investigación toxicológica y clínica. El resto es historia conocida. Russell Earl Marker. El profesor Marker fue un distinguido científico multidisciplinario dotado de una creatividad excepcional. Realizó estudios de plantas del género Discorea en los bosques del Norte y Centroamérica en busca de Sapogeninas esteroidales que pudieran transformarse químicamente en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Luis E. Miramontes Cárdenas hormonas sexuales. Encontró rizomas de dioscóreas en las selvas tropicales del Sureste Mexicano de donde aisló las Diosgenina. Con esta sustancia como materia prima, preparó progesterona, la hormona de la gestación, e inició en México la industria esteroidal asociado con los doctores Emeric Somlo y Frederick Lehman en los laboratorios Syntex, S.A. Sus descubrimientos llevaron a la industria de esteroides a la fabricación masiva de hormonas con reducciones notables de precios y a iniciar múltiples programas de investigación que condujeron a las hormonas corticales y a la “píldora” anticonceptiva. El descubrimiento de las sapogeninas esteroidales y su conversión a hormonas sexuales de Marker no fue accidental, sino el resultado de imaginación creativa y trabajo intenso en química. Los indígenas de la región utilizaban las sapogeninas del barbasco, en forma de suspensión, para pescar; no hay datos fidedignos de que se utilizara como preventivo del embarazo. Marker hizo descubrimientos originales en todos los campos en que trabajó, desarrolló el concepto de número de octano para las gasolinas automotrices e hizo importantes contribuciones en rotación óptica. financieros y humanos. Carl Djerassi. Se le reconoce por su creatividad en química, probablemente su principal logro fue la síntesis de varios esteroides, entre ellos el compuesto que generó la píldora anticonceptiva. Fue contratado por Syntex, con el fin de lograr el objetivo de una síntesis comercial de los cortiesteroides, logró sintetizar químicamente el compuesto ”F” de Reichstein, pero no tuvo éxito comercial frente a la síntesis ayudada por una transformación microbiológica de los esteroles de la semilla de soya que logró y patentó Upjohn. Sin embargo, sus colaboradores del Instituto de Química de la UNAM, entre ellos el Dr. Alberto Sandoval Landázuri y Luis E. Miramontes Cárdenas, lograron sintetizar 19-noresteroides. Ya en Syntex Luis Miramontes logró aislar la noretisterona. En la publicación y la patente aparecen Carl Djessari, Luis E. Miramontes y Jorge Rosenkranz, Director de Investigación, Investigador y Vicepresidente de la empresa respectivamente. Carl Djerassi se enteró del trabajo del Dr. Birch quien publicó la síntesis de la 19-nor-testosterona y Después de varias dificultades con los dueños de Syntex, Russel E. Marker se retiró de la compañía para formar una nueva empresa fabricante de esteroides que no tuvo éxito comparada con Syntex. Los Drs. Somlo y Lehman decidieron contratar a los doctores Jorge Rosenkranz y Esteban Kaufman para continuar con la investigación y producción de esteroides. Posteriormente, se contrató al Dr. Carl Djerassi, a algunos investigadores del Instituto de Química de la UNAM(Alberto Sandoval, Octavio Mancera, José Iriarte, Humberto Flores Beltrán, Jesús Romo Armería y Luis E. Miramontes) y a una pléyade de químicos de diversas partes del mundo. El equipo de Syntex entraba en acción con más recursos, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Carl Djerassi, quimico y escritor. 23 �La industria de esteroides en México y un descubrimiento que cambiaría el mundo decidió sintetizar otros 19-noresteroides, entre ellos la noretisterona. Se retiró de Syntex para trasladarse a la Universidad de Lafayette y la investigación se organizó en Palo Alto, California por mayores facilidades para contratar investigadores y mayor facilidad para la compra de reactivos químicos y aparatos científicos; se evitaba la importación. Dr. Gregory Pincus. El Dr. Pincus, endocrinólogo y su colaborador Min Chueh Chang hicieron la investigación básica del uso de los antiovulatorios disponibles en 1951. Recibió la ayuda financiera de la Srita. Catherine Dexter McCormick, heredera de la fortuna de la International Harvester Co., y el El doctor Gregory Pincus, en los años cincuenta, sosteniendo en su mano una píldora anticonceptiva. 24 entusiasmo de la Sra. Margaret Sanger, una ferviente activista de los derechos de la mujer. La investigación clínica fue hecha por el Dr. John Rock, un eminente ginecólogo. En 1960 la Food and Drug Administration aprobó la venta del primer contraceptivo oral. Syntex no pudo aprovechar plenamente su descubrimiento y patente, por carecer de investigación en el área medico-biológica, y por no tener una organización para la comercialización internacional. Puede afirmarse que el pez fue demasiado grande para el pescador. Otras empresas aprovecharon el descubrimiento de Syntex. México se puso a la cabeza de la producción de materias primas esteroidales, pero no fue por mucho tiempo. La investigación en el área se fortaleció en Europa y en los Estados Unidos, y se perdió el liderazgo. Syntex no formó otras empresas químicas mexicanas exitosas. México obtuvo reconocimiento internacional temporal, después aparecieron otras materias primas para la síntesis de hormonas y China encontró una Discorea que es cultivable y que produce Diosgenina de mayor calidad que la mexicana. Finalmente, el gobierno de Luis Echeverría Alvarez formó la empresa Proquivemex para competir con la industria privada, y la producción de barbasco bajó notablemente. Por otro lado, es pertinente resaltar que Syntex contribuyó a la formación de investigadores en el instituto de Química de la UNAM. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �La ciencia y la empresa Juan Manuel Alcocer González* ABSTRACT The success of a country in our increasingly globalized world is related with the competitivity of its companies and products. This ability to compete can be enhanced through the support of the scientific and technological sectors to the productive proccesses. This article discusses the importance of connecting universities and research and development centers with the companies in order to increase their competitivity. Government actions to promote these interactions are also proposed. Keywords: Science, industry, university, R&D, technology. La caída del Muro de Berlín, a fines del año 1989, abrió una nueva etapa en cuanto a cómo enfrentar los desafíos de la prosperidad en la sociedad actual. Cayeron los constructivismos, la ingeniería social, encaminados a someter las voluntades de los individuos, desconociendo su naturaleza esencialmente libre. Se inició así una nueva circunstancia en que se aprecia el valor de la propiedad y de la iniciativa privada y se abren los espacios para el ejercicio de la capacidad empresarial en todos los ámbitos en los cuales ésta cuenta con la debida competencia. Asimismo, en la concepción de la subsidiariedad como principio de orden social, se le reserva al Estado la importante tarea de hacer converger a la sociedad en el objetivo del bien común, satisfaciendo los requerimientos de justicia, defensa y de igualdad de oportunidades. En ese contexto, el mundo contemporáneo se mueve en un marco de nuevos propósitos y de nuevas referencias. Ha surgido con fuerza el concepto de la ♦ Publicado en la revista CiENCiAUANL, Vol. V. No. 3, Julio-Septiembre 2002. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 ventaja competitiva que se aplica a los individuos, a las empresas y a las naciones como un factor esencial para efectos de alcanzar más altos niveles de desarrollo. Allí se ha canalizado, entonces, la presencia de los mercados libres, en los cuales la racionalidad económica de los individuos los conduce a una situación de mayor eficiencia en cuanto al uso de los recursos escasos. LA VENTAJA COMPETITIVA El concepto de la ventaja competitiva, a la cual se le reconoce su doble carácter de ser relativa y dinámica, ha dejado atrás el sello fatalista que circundaba los procesos de desarrollo en el pasado. Si un país no contaba con recursos naturales, estaba fatalmente destinado a no alcanzar estados superiores de desarrollo. Una nueva realidad de intercambio, de apertura y de innovación ha dejado obsoleto ese criterio que impidió a muchos países alcanzar todo su potencial de crecimiento. Además, ha dejado en evidencia que la auténtica fuente de rique* Editor de la revista CiENCiAUANL. E-mail: cienciauanl@hotmail.com 25 �La ciencia y la empresa za en la etapa contemporánea es el conocimiento. Alvin Toffler, en su libro El cambio de poder, nos señala que “de la base territorial del desarrollo, estamos pasando a la base del conocimiento para el desarrollo”. En esa referencia, entonces, la innovación, la capacidad de emprendimiento y una circunstancia de competitividad, permitirán establecer las condiciones para alcanzar mayores niveles de prosperidad. ¿En qué referencias se mueve esta búsqueda de ventajas competitivas? Puedo mencionar, por lo menos, cuatro perspectivas interesantes de destacar. La primera se refiere a la globalización. No cabe duda que el mundo se ha abierto a los flujos de productos de servicios y de capitales. Surge con fuerza una competencia internacional que obliga a los países a enfrentar nuevos desafíos, para efectos de ganar posiciones en un comercio que se ha hecho cada vez más exigente. Los países han enfrentado esta globalización de manera distinta, desde una apertura unilateral, caracterizada en una desgravación arancelaria, hasta la etapa de los acuerdos bilaterales y multilaterales que se observan cada vez con más frecuencia. Cada uno de ellos tiene sus particularidades, sus ventajas y desventajas, pero revelan una clara nueva realidad de la actual sociedad económica: la apertura de los mercados. El segundo aspecto se refiere a que este mundo competitivo quiere resguardar equilibrios vinculados al cuidado de la naturaleza. Ha surgido con fuerza, al igual que la globalización, el tema ambiental, y la advertencia que sólo cabe hacer en esta oportunidad es impedir que la custodia de los requeridos equilibrios ecológicos se transforme en una nueva ideología que coloque trabas al desarrollo. La sabiduría propia de los individuos debe tener la capacidad para lograr la conciliación de propósitos que en algunos surgen como antagónicos. establecidas y consensadas. Se da, entonces, la necesidad de un fundamento moral a la operatoria de los mercados, que dé fuerza ética a la espontaneidad de las conductas económicas. La última referencia es la que se vincula directamente con el tema de este artículo: la innovación tecnológica, que traducida en su dimensión económica tiene relación con el requerimiento de agregar valor a los bienes y los servicios que se ofrezcan hoy día en el comercio internacional. Es este aspecto el que principalmente permite establecer una ventaja competitiva por medio de acciones que estimulen la creatividad dirigida a mejorar los parámetros técnicos y ecónomicos de los productos. Aquí, entonces, se debe establecer una vinculación, muy fuerte entre el mundo de la ciencia, el mundo de la tecnología y el mundo de la empresa. Así como en el pasado los nuevos conocimientos sobre las leyes de la naturaleza nos brindaron la energía del vapor y la eléctrica y, luego, el desarrollo de un nivel de calidad de producción que facilitó las partes intercambiables nos trajo la producción en líneas de ensamblaje y, por último, el desarrollo de los ferrocarriles facilitó la evolución de los mercados masivos, hoy en día, la realidad de la interconectividad casi instantánea está generando una nueva revolución de carácter tecno- La tercera referencia tiene relación con los comportamientos éticos que se esperan de los miembros de la sociedad. La confianza para la preservación de una sociedad de libertades requiere de factores de lealtad de los individuos hacia las reglas del juego que han sido 26 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Juan Manuel Alcocer González lógico, con un notable impacto en la realidad económica. Y todo ello se ha dado en el contexto de la empresa. La revolución, de la cual somos testigos, ha acercado a los consumidores y ha colocado, igualmente, en una situación de contacto instantáneo a las empresas en cuanto a su disponibilidad de insumos. Todo esto está colaborando, de manera cada vez más significativa, al logro de mayor productividad, y ello ha influido, de manera obvia, en la competitividad de las empresas y de los países. LA IMPORTANCIA DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA PARA LAS EMPRESAS Por mucho tiempo, los estudiosos de los procesos económicos han destacado el rol de la innovación en el crecimiento económico de los países y en la competitividad de las empresas. El visionario economista Joseph Schumpeter ya proponía a principios de siglo que el crecimiento económico estaba basado en “destrucciones creativas”, que fue el término que acuñó para referirse a la innovación tecnológica. Para Schumpeter, eran estas “destrucciones creativas”, y no la dotación de factores productivos como lo indicaba la economía clásica, las principales responsables del crecimiento económico. En rigor, sin una innovación sostenida, la tasa de crecimiento de la productividad en una economía queda limitada al crecimiento de los factores de producción y ello, por supuesto, no resulta suficiente para satisfacer las crecientes demandas. Dado que el crecimiento de la productividad es el principal motor de la prosperidad de un país, una situación de ausencia de innovación generará, tarde o temprano, un estancamiento en el desarrollo del país. Por el contrario, un aumento en la capacidad innovadora de un país genera un aumento en su prosperidad. Michael Porter, Profesor de la Escuela de Negocios de la Universidad de Harvard y que ha estudiado en profundidad este tema, muestra en un estudio reciente la relación entre el número de patentes per cápita, tomado como una medida de innovación, y su efecto en el pro- Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 ducto per cápita de un país. Estos postulados a nivel nacional son aplicables al nivel de las empresas, lo cual se ha hecho hoy más evidente dado que el concepto moderno de innovación no sólo se refiere a la ciencia y la tecnología básica, sino a un concepto más amplio de transformar conocimiento en nuevos productos, procesos o servicios. La tecnología ayudará, igualmente, a reducir costos de producción como también al desarrollo de nuevos productos y todo ello, evidentemente, redunda en un mayor grado de competitividad y, por ende, de una mayor perspectiva de crecimiento. Debemos entender, entonces, que la innovación moderna exige de un adecuado desarrollo tecnológico y científico que, vinculado al mundo de la empresa, debe emerger de una inteligente investigación de las necesidades de los clientes, del aporte innovador que pueden hacer los proveedores, como también otros actores de la denominada cadena del valor. Es esta situación la que hoy está llevando a un cambio en las estructuras clásicas de las organizaciones, el cual busca generar una circunstancia en la que el aporte de los científicos signifique la diferenciación que defina la competitividad de la empresa. Se concluye, entonces, que el mundo contemporáneo al reconocer la necesidad de la innovación en la búsqueda de mayor competitividad ha abierto muy interesantes espacios para un encuentro entre la ciencia, la tecnología y la empresa. Pero, además, debe señalarse que la innovación ocurre dentro de un contexto nacional lo cual exige de estímulos y resguardos para la innovación. Así entonces, el fomento de ésta requiere de un nivel de educación, de un talento científico tecnológico, de una protección intelectual, además de empresas que fomenten, sistemáticamente, la innovación. Aquí surge, entonces, como un aspecto concreto de nuestra realidad, el bajo nivel de investigación y de desarrollo que se realiza al interior de las compañías y ello es el resultado de la no presencia de los 27 �La ciencia y la empresa estímulos requeridos. En algunos países latinoamericanos, las empresas financian sólo entre el 20% y el 25% del gasto de investigación y desarrollo que se realiza en el país. Lo cual contrasta notablemente con lo que ocurre en el mundo: en Asia el 70% y en Estados Unidos el 80%. Todo esto se refleja en el caso de nuestro país, el gasto en investigación y el desarrollo alcanza a mucho menos del 1% del PIB, lo cual hace una gran diferencia con países industriales que destinan a esta tarea más del 2% de un producto que, por lo demás, es sustancialmente más alto. La necesidad de investigación y desarrollo para efectos del crecimiento, se observa en el siguiente cuadro: Zona del mundo % mundial del PIB % % mundial del mundial de gasto en I+D publicaciones Unión Europea 27.6 27.6 31.5 USA 24.5 39.0 35.3 Latinoamérica 4.4 0.9 1.5 India 3.9 1.7 2.1 Israel 0.2 0.3 1.0 Japón 10.0 15.9 8.1 De ese cuadro es posible concluir que existe casi una correlación perfecta entre: gasto en investigación y desarrollo, y crecimiento en el producto; lo cual no debería sorprendernos desde el momento en que dicho gasto implica un importante potencial de crecimiento en la productividad. Ante esta realidad cabe formularse la pregunta si es de competencia de las empresas dedicarse a la tarea de la investigación y desarrollo para efectos de la innovación tecnológica. La respuesta es eminentemente afirmativa, lo cual no implica que ésta caiga estrictamente 28 al interior de una específica compañía. La configuración de consorcios y, todavía más importante, la vinculación con la universidad para el cumplimiento de estas tareas específicas, debiera surgir como una inminente necesidad para efectos de fortalecer la investigación y desarrollo, tendiente al logro de la innovación tecnológica, en la cual, como lo hemos dicho, se sustenta una parte significativa de la competitividad de una empresa. POLÍTICA TECNOLÓGICA Surge, entonces, la pregunta de si debe existir una política tecnológica y, una vez evaluada la conveniencia, deben definirse aspectos tan importantes como las siguientes: ¿Quién debe sostener la investigación básica? ¿Cómo influye el régimen de apropiación respecto de la innovación? ¿Qué debiera hacerse para incentivarla? ¿Deben existir sectores de privilegio para efectos de la investigación? ¿Cuál debiera ser el rol de posibles acuerdos entre gobierno, universidades y empresas? No cabe duda que responder estas preguntas excede este artículo. Sin embargo, debemos plantear que en materia de innovación tecnológica es necesaria una coordinación que potencie las tareas que en ese campo realizan el gobierno, las empresas y las universidades o centros de investigación. La motivación por el desarrollo tecnológico debe contar con instrumentos legales que por la vía de las patentes, los derechos de autor y la custodia de los secretos industriales, resguarden o garanticen la debida apropiación de los beneficios de la innovación. Por último, la política tecnológica debiera definir si ésta debe orientarse más en el campo de los procesos productivos, como fue el caso de Japón, o bien, por la vía de los productos, como ha sido el caso de los Estados Unidos. No cabe duda que del punto de vista de la apropiación, la tecnología de procesos tiene un carácter más permanente que aquella referida a la tecnología de productos, que puede ser más fácilmente copiada en el mercado. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Juan Manuel Alcocer González UN SISTEMA INSTITUCIONAL PARA LA INNOVACIÓN Una pregunta que surge con frecuencia es ¿por qué algunas naciones son más innovadoras que otras? La respuesta requiere aislar aquellos factores que influyen la habilidad de las empresas de un país, para identificar el valor económico de nuevos productos, servicios y procesos y desarrollarlos en forma comercial. Llegamos así al tema de la necesidad de un sistema nacional de innovación que podríamos definir como aquel que está integrado por los actores del proceso creativo que, en el ámbito de una nación, se interrelacionan con el fin de llevar adelante un proceso de innovación. ¿Quiénes son los actores? Las empresas, los institutos de investigación, las universidades y el gobierno, en sus funciones de regulador, de comprador de insumos y, por sobre todo, en su rol en cuanto a orientar las políticas económicas, comerciales, el sistema educacional y, por último, los clientes y los proveedores. De acuerdo al planteamiento de Michael Porter, las fuentes del crecimiento de la innovación y la productividad se encuentran en la interacción de cuatro áreas: • La presencia de recursos humanos especializados y de alta calidad. • Un contexto que estimule la inversión en activos suaves y duros, con intensa competencia local. • Presión de una sofisticada demanda doméstica. • La presencia de industrias relacionadas y de apoyo. La innovación envuelve mucho más que la sola ciencia y la tecnología. En el área de los recursos humanos, la búsqueda de la innovación incluye: recursos humanos de alta calidad, especialmente, en ciencia y tecnología; programas de investigación de frontera relevante para los tópicos industriales, un efectivo sistema para comunicar las mejores prácticas y la transferencia de conocimiento. En el área del contexto estratégico de la empresa y la competencia debe mencionarse la protección a la propiedad intelectual, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 la apertura a la competencia internacional y una muy poderosa legislación antimonopolios. La protección a la propiedad intelectual estimula a la inversión en innovación, mientras que la apertura a la competencia internacional facilita el flujo de ideas y eleva la presión competitiva para un perfeccionamiento. Asimismo, una vigorosa política antimonopolios fortalece a la innovación, por la vía de estimular y preservar la competencia local. Sin embargo, aún con los recursos humanos de alta calidad y la competencia interna, la actividad innovativa sufrirá, a menos que las condiciones de la demanda doméstica también provea señales tempranas respecto a necesidades existentes y futuras, así como una realidad de clientes exigentes que presionen a las empresas para mejorar. Elevando los requerimientos a través de «su elección», los clientes exigentes dirigen las actividades de comercialización hacia las mejores tecnologías y crean un fuerte estímulo para la innovación de mercados. Así también, la presencia de una fuerza de trabajo tecnológicamente sofisticada contribuye a crear clientes exigentes. Lo mismo lo hace un ambiente de regulación que facilita la innovación. Finalmente, el ambiente para la innovación incluye a 29 �La ciencia y la empresa los proveedores y a las industrias relacionadas. Todo esto incentiva el flujo de ideas y provee las habilidades y capacita para poner las innovaciones en práctica. Un sistema de esta naturaleza crea toda una compleja red de intercomunicación en materia tecnológica, lo cual, evidentemente, colaborará a un sistema que en su dinámica competitiva estimulará en forma sostenida el alcanzar mayores niveles de productividad. Para la empresa resulta evidente la necesidad de la investigación científica. Sin embargo, ella en nuestra perspectiva, debiera focalizarse de preferencia en los ámbitos en los cuales tenemos fortalezas ganadas, como son los campos forestales, agrícolas, pesqueros y mineros, donde lo importante es agregar un valor que le dé una característica diferenciadora a los procesos y productos que hoy se observan en el área de los recursos naturales. Podemos entonces, hablar de una infraestructura de innovación, la cual debería incluir a lo menos los siguientes aspectos: • Inversión en investigación básica y en sectores de competencia. • Agregar niveles de educación en la población. • Un pool de científicos en ingeniería. • Infraestructura de información y comunicación. • Protección a la propiedad intelectual. • Política de impuestos para estimular la investigación y desarrollo a nivel de las empresas. • Fuentes de capital de riesgo. • Apertura al comercio internacional y a la inversión internacional. RECOMENDACIONES Concluyamos entonces con algunas recomendaciones de políticas que colaboren a estimular el acercamiento entre las ciencias y las empresas. 1. Imperiosa necesidad de mejoramiento de la educación básica y media que, además de los contenidos adecuados, permita despertar en el niño y en el joven una actitud hacia la innovación. Para ello 30 es absolutamente indispensable, un proceso de formación de profesores que puedan desarrollar su vocación de docencia en un ambiente que estimule su acción del traspaso de conocimiento, reconociendo que ése es el activo más importante en el mundo contemporáneo y que tal vez, sólo sobre él se puede construir un destino de prosperidad. Ese proceso educativo debe, igualmente fortalecer una actitud emprendedora, que reconozca la presencia de riesgos, propios a la existencia humana. 2. Se requiere de una revisión de la política financiera para estimular la estructura del capital de riesgo, el cual ha hecho posible que en Estados Unidos, prácticamente, el tema de la innovación haya adquirido los caracteres de una verdadera industria. El capital de riesgo ha sido la fuente de financiamiento para desarrollar proyectos vinculados a la tecnología y a sus aplicaciones en el campo de la empresa. Un paso siguiente, que debiera constituir un estímulo a los flujos de capital de riesgo, es la iniciativa de eliminar los impuestos a la ganancia de capital que, en ningún caso, debiera discriminar entre los nacionales y los extranjeros. 3. Establecer mecanismos de incentivos tributarios que hagan posible a las empresas contratar científicos para la realización de proyectos definidos. Un financiamiento conjunto abriría expectativas insospechadas para una alianza ciencia-empresa, de la cual se derivarían resultados altamente ventajosos para el país. Este incentivo tributario tiene su justificación en cuanto a las externalidades que genera un proceso de innovación en ciencia y tecnología que, como tal, es percibido por toda la sociedad. En esa misma perspectiva estimo conveniente proponer la constitución de un fondo especial con aportes públicos y privados destinado a financiar exclusivamente estudios superiores de postdoctorado en la referencia de proyectos específicos definidos de manera conjunta. Como Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Juan Manuel Alcocer González del 2%, lo que implica una cifra mínima de US$1.400 millones. El aporte de las empresas a ese gasto debiera subir del 20% a no menos del 60%. Para hacer realidad este logro, una vez más, la política de incentivos tributarios resulta indispensable. COMENTARIOS FINALES complemento a dicho estudio superior, el científico beneficiado debería asumir el compromiso de una asesoría directa por un período determinado de tiempo. 4. El Estado debe continuar impulsando y perfeccionando los mecanismos de apoyo público al desarrollo científico tecnológico, sobre la base de fondos concursables, mayormente focalizados en la demanda de investigación, originada por las propias empresas. Asimismo, debe definir normas que fortalezcan el derecho de propiedad intelectual. 5. A nivel de las empresas, se debe estimular la investigación mediante la contratación de jóvenes profesionales que, animados por un interés de carácter científico o tecnológico, puedan desarrollar al interior de empresas, debidamente seleccionadas, tesis de grado, bajo la conducción de profesores guía. 6. Estimular que en el nivel de las empresas existan contactos de carácter interregional, que hagan posible detectar y conocer las opciones de investigación conjunta que pudieran realizarse. 7. Proponer elevar el gasto global de investigación y desarrollo de un nivel del 0.7% a un nivel del orden Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Concluimos con la idea de que una política de innovación tecnológica debiera tener como uno de sus objetivos principales el aumento de la competitividad; ello implica, por una parte, generar el entorno adecuado y, por la otra, tener conciencia de que una política de innovación es una parte de la política económica, en la cual inciden aspectos de educativos, financieros institucionales, tanto nacionales como internacionales. El bienestar de los países depende, hoy en día, en un mayor grado de los avances en la tecnología, lo cual implica que es necesario dedicar mayor atención al establecimiento de mecanismos de coordinación entre los actores principales. Es aquí donde se encuentra la justificación y necesidad de la colaboración estrecha entre las Universidades, las instituciones de ciencia y tecnología y el mundo de las empresas. La primera educando los talentos, la segunda explorando los caminos de la innovación y la tercera forjando la capacidad emprendedora. Con el propósito de mejorar la capacidad competitiva de nuestro país, tenemos la obligación de definir formas de apoyo y de colaboración mutuas entre las universidades, los centros de investigación y desarrollo y las empresas. Sin embargo, la base de todo ello, y no está de más reiterarlo, radica por una parte, en el continuo perfeccionamiento del sistema educacional, que desarrolle y estimule la capacidad de innovación y, por la otra, en un marco de referencia que desarrolle y estimule la capacidad emprendedora empresarial. 31 �Uso del método científico experimental en los laboratorios de física de la FIME Gabriel Martínez A., Rogelio G. Garza R., Alfonso González Z.* ABSTRACT The development and application of a didactic methodology based on the Scientific Method for the Physics Laboratory is presented in this work. The results of a survey among the students show that this methodology is considered the most useful for their future professional development. The positive feedback provided by both students and teachers encourage the adoption of this methodology in other laboratories. Keywords: physics, education, laboratory, scientific method. INTRODUCCIÓN La educación científica no debe limitarse a ser la introducción en los cursos sino que, además, ha de acercar al estudiante a los métodos y procedimientos del trabajo científico. Las prácticas de laboratorio de Física pueden y deben constituir un momento propicio para que el estudiante se apropie de las herramientas metodológicas que necesitará en el futuro, tanto para enfrentar actividades de la carrera, como tareas de su actividad profesional, en una sociedad del siglo XXI donde se exige de cada profesionista, una actitud científica. El presente trabajo tiene como objetivo mostrar algunos resultados obtenidos de la aplicación del Método Científico Experimental en las prácticas de laboratorio de Física, correspondientes a las materias de Mecánica Traslacional y Rotacional y a la de Ondas y Calor, de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. DESARROLLO En experiencias realizadas en varios países se pone de manifiesto que cada vez es más frecuente utilizar como guía los pasos del Método Científico Experimental.1 Algunos autores señalan la necesidad de cambiar el enfoque que se da al trabajo práctico proponiendo que los cursos de Física sean más orientados a dar una imagen más real de la naturaleza del trabajo científico.2 Otros autores destacan la necesidad de realizar las prácticas de diferentes tipos, desde “experiencias ilustrativas” hasta “investigaciones” diseñadas para que los estudiantes resuelvan problemas utilizando estrategias científicas.3 Es indiscutible que es una necesidad que al estudiante se le eduque en los métodos para desarrollar investigaciones científicas, tomando en cuenta las necesidades de nuestra sociedad y, las cada vez mayores, exigencias para los futuros graduados. En nuestro criterio las prácticas deben ser guiadas por los pasos del Método Científico Experimental, que sin ser una receta, le permite al estudiante una orientación de cómo debe desarrollar el trabajo para obte* 32 Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Gabriel Martínez Alonso, Rogelio G. Garza Rivera, Alfonso González Zambrano ner determinada regularidad y verificar cierta hipótesis planteada por él mismo. Para los fines de este trabajo tomaremos como pasos del método4 los siguientes: 3. El trabajo en pequeños grupos, con discusiones y elaboraciones conjuntas (aprendizaje colaborativo), pero manteniendo una responsabilidad individual. 1) Planteamiento del problema a investigar. 4. Enfocar las actividades de tal manera que el estudiante pueda «construir» sus propios conocimientos. 2) Formulación de la hipótesis. 3) Diseño del experimento, para comprobar la hipótesis 4) Desarrollo del experimento (observación y mediciones). 5) Elaboración de datos del experimento. 6) Obtención de conclusiones (se cumplió o no la hipótesis planteada). 7) Informe, oral y escrito, de la investigación realizada. Es importante destacar que este no es el único esquema de los pasos del Método Científico Experimental que puede plantearse, pero consideramos que es el indicado para que los estudiantes no relacionados con el mismo, puedan comprender de primera instancia las fases más importantes de una investigación. La forma concreta de desarrollar las prácticas debe hacerse teniendo en cuenta las tendencias modernas para la enseñanza de las Ciencias y la Física en particular, basadas en la mayoría de los casos en la tendencia constructivista,5 influenciada por aspectos de la pedagogía soviética cuyo más reconocido exponente es el psicólogo soviético L. Vigotsky. Entre los aspectos más importantes introducidos por esta tendencia podemos señalar: 1. Darle la posibilidad al estudiante de expresar sus propias ideas y concepciones, que pueden ser o no correctas. 2. La participación activa del estudiante en el proceso de enseñanza aprendizaje. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Muchos autores de trabajos dedicados a ejemplificar aplicación de estas recomendaciones, nos dan algunas vías para lograr su realización en la práctica docente. Saunders,6 por ejemplo, señala que algunas de estas vías pueden ser el desarrollo de laboratorios de tipo investigativo, donde no hay métodos recetados ni procedimientos preestablecidos para explorar el fenómeno estudiado, donde se permite pensar en voz alta, formular hipótesis alternativas, diseñar experimentos para comprobar estas hipótesis, etc. El diseño de las prácticas, en nuestro caso, fue realizado de forma tal que al estudiante se le informa el problema que tiene que resolver (primer paso del Método) luego, como base orientadora de la acción, se le indican los pasos del método mencionados anteriormente. Teniendo en cuenta que los estudiantes no conocen algunos de los conceptos empleados (hipótesis, problema, etc.) se les proporciona una orientación breve de qué se requería de ellos en cada paso. Luego de ésto se les permite trabajar en pequeños equipos (4 ó 5 estudiantes), para que realicen los siguientes pasos del método. La primera tarea que debían resolver en el equipo era plantear la hipótesis que diera respuesta a la interrogante planteada y que además serviría de guía de trabajo a realizar. Con el planteamiento de hipótesis se busca que los estudiantes: • Pongan en evidencia sus preconcepciones. • Comprueben los conocimientos, sobre el tema estudiado. • Desarrollen el razonamiento, el análisis y la síntesis. • Desarrollen habilidades de solución de problemas. Para la formulación de las hipótesis los equipos de- 33 �Uso del método científico experimental en los laboratorios de física de la FIME ben trabajar en conjunto. Luego de formuladas las hipótesis el equipo debe diseñar el experimento para la comprobación de la misma. El diseño del experimento permite desarrollar una serie de habilidades, como: • Identificación de variables significativas para una situación. • Selección de instrumentos y métodos de medición. • Consolidación de conocimientos teóricos y su eva- luación a través de situaciones experimentales. • Vinculación con los objetivos del ingeniero, pues una de sus funciones es diseñar equipos e instalaciones. Por otra parte, aquí se provoca la necesidad de realizar una u otra medición y por tanto ya no se da el caso de estudiantes que no saben por qué están midiendo tal o cual magnitud, ya que son ellos mismos los que diseñan el esquema de medición. Durante toda esta parte del trabajo el profesor se limita a recorrer los puestos y responder a las interrogantes que le planteen los estudiantes tratando de intervenir lo menos posible. Si alguno de los equipos está detenido en algo, se le puede hacer alguna pregunta sugestiva que les permita continuar el trabajo. No dar demasiadas orientaciones y limitar su intervención a veces resulta difícil para los profesores acostumbrados a decirlo «todo», pero al final resulta mucho más provechoso dejar que el estudiante piense por sí mismo lo que desea «investigar» y cómo piensa hacerlo. plan de introducción de Metodologías de aplicación del Método Científico Experimental, en las prácticas de laboratorio de Física de la FIME, comenzando por el laboratorio de Mecánica Traslacional y Rotacional. En el primer semestre de la aplicación se desarrolló el trabajo de preparación del material escrito de Mecánica Traslacional y Rotacional, que incluye el manual para los estudiantes y un manual de apoyo para los maestros. Estos materiales fueron confeccionados teniendo en cuenta la opinión de los maestros de la academia de dicha materia y su experiencia en la impartición del laboratorio. El planteamiento de las prácticas se hace, siempre que es posible, partiendo de enfrentar al alumno a un problema que debe resolver, en muchos casos un problema de tipo práctico y vinculado con el perfil de Ingeniería. Este puede ser por ejemplo valorar la eficiencia de un sistema mecánico de poleas, determinar la velocidad de rotación de una polea que guía una banda transportadora u otro. Luego se le pide a los alumnos que, en trabajo conjunto con su equipo, formulen una hipótesis posible de respuesta al problema planteado. Aquí se trata de explorar las ideas que tienen los alumnos sobre estas situaciones físicas y ade- Se ha visto entonces como en este diseño de prácticas, se tienen en cuenta las recomendaciones dadas en la tendencia constructivista de permitir al estudiante expresar sus ideas, a través de la formulación de hipótesis, de tener una participación activa, ya que no es guiado constantemente por el profesor, de trabajar en pequeños grupos para desarrollar la práctica y de construir sus propios conocimientos a través de los resultados que logre en la ejecución del trabajo experimental. Desde agosto de 2000 se empezó a desarrollar un 34 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Gabriel Martínez Alonso, Rogelio G. Garza Rivera, Alfonso González Zambrano En el caso del laboratorio de Ondas y Calor, la metodología utilizada fue la misma, con la característica de que en este laboratorio se tratan temas diversos y el equipo utilizado es muy variado. Por ello en este caso se realizaron una serie de seminarios antes de cada ciclo de prácticas donde se les brindó a los maestros la información necesaria para desarrollar cada práctica y se les indicó la forma de operar con el equipamiento disponible en el laboratorio. De la misma forma que se realizó en el semestre anterior se confeccionó un material para los maestros con la información necesaria. Después de un año de aplicación de este método en el laboratorio de Mecánica Traslacional y Rotacional, que por segunda vez aplicó la metodología descrita, y el laboratorio de Ondas y Calor, que lo aplicó por primera vez, era necesario realizar una evaluación de los resultados obtenidos sobre todo para valorar la opinión de los estudiantes en cuanto al método descrito. Se debe señalar que en el laboratorio de Ondas y Calor hubo contratiempos con algún equipamiento, lo cual dificultó la aplicación de la metodología en la forma planeada. La práctica de Sonido no se pudo efectuar por faltar el equipo. EVALUACIÓN DE LOS ESTUDIANTES Para evaluar la percepción de los estudiantes acerca de la metodología aplicada en las prácticas de laboratorio se aplicó una encuesta a estudiantes de ambas asignaturas. En el caso del laboratorio de Mecánica Traslacional y Rotacional se tuvo una muestra de 153 estudiantes y en el caso de Ondas y Calor la muestra fue de 317 estudiantes, que corresponden a un 12% y un 25% del total de estudiantes en cada laboratorio. La encuesta aplicada se diseñó con el objetivo de evaluar: • El tipo de práctica desarrollada, por los estudian- tes, de acuerdo a su criterio. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 • Su papel durante la práctica. • El procedimiento seguido para la formulación de hipótesis. • El tipo de práctica que considera más útiles. • La contribución del laboratorio al aprendizaje de la Física. Al aplicar la encuesta a estudiantes de las dos asignaturas se pudo realizar una comparación de resultados entre ellas, así como entre los diferentes turnos de clase. El siguiente gráfico muestra los resultados en % acerca de la percepción que tienen los alumnos del tipo de prácticas que desarrollaron, en las dos asignaturas. Se plantearon al alumno 4 opciones de respuesta: A) Seguir detalladas instrucciones que le ha dado el profesor. B) Aplicar el Método Científico Experimental. C) Trabajar según las instrucciones dadas en un manual. D) Ninguna de las anteriores. Mec Trasl Tipo de prÆ ctica Ondas Cal 54.2 60.0 50.0 % respuestas más fomentar el trabajo en equipo. 36.0 40.0 30.0 20.0 22.9 16.1 36.9 19.6 11.0 3.3 10.0 0.0 Instruc Prof. Aplicar MCE Instruc. Manual Ninguna anteriores Se observa que en Mecánica Traslacional y Rotacional el 54.2 % de los encuestados plantea que realizó las prácticas aplicando el Método Científico Experimental, mientras que en Ondas y Calor solamente el 36 % da esta respuesta. En el laboratorio de Ondas y Calor la mayoría (36.9 %) responde que siguió instrucciones del manual. Preocupa el hecho que en Ondas y Calor un 11 % de las respuestas es «Ninguna de las anteriores», lo que indica que un número 35 �Uso del método científico experimental en los laboratorios de física de la FIME de alumnos no pudo identificar el tipo de práctica que estaban realizando. La pregunta 2 se refería a la valoración, por parte de los estudiantes, de su papel en el trabajo de laboratorio. Se daban 4 opciones de respuesta: 70.0 64.1 60.0 49.8 Las respuestas dadas en % del total de las muestras se ofrecen en la tabla siguiente. 50.0 40.0 30.0 20.0 23.3 22.2 13.6 M e c á ni c a Tr a n s l . y Rot. O nd a s y C alor P asi vo 9.8 10.7 Observador 36.6 33.1 A cti vo 41.2 39.4 Investi gador 12.4 16.7 Se observa que el % de respuestas de activo es mayoría en ambos laboratorios aún cuando todavía alrededor de un 10 % de los encuestados plantea que su trabajo fue pasivo, lo cual es elevado. Asimismo el % de respuestas de observador es también elevado. Debe trabajarse más en lograr aumentar el trabajo activo o investigador de los estudiantes en los laboratorios. La tercera pregunta estaba referida al procedimiento utilizado para formular hipótesis durante las prácticas. Se incluía una posible respuesta de «Nunca Formulé Hipótesis», para vincularla con aquellos alumnos que no hubieran aplicado el Método Científico Experimental. Las respuestas posibles eran: 36 Hacía una suposición. Pensaba en mis conocimientos anteriores. Nunca formulé hipótesis. Discutía con mi equipo de trabajo y entre todos la formulábamos. 13.2 11.1 10.0 A) B) C) D) Mec Trasl Formulaci n de hip tesis Ondas Cal Pasivo. Observador. Activo. Investigador. % respuestas A) B) C) D) Siendo las respuestas deseables la D, destacando el carácter de trabajo en equipo, y la B para aquellos que trabajaron solos. Las respuestas se muestran en el siguiente gráfico. 2.6 0.0 Suposici n Conoc. Anteriores Nunca formul Disc. Equipo Puede concluirse que en el laboratorio de Mecánica Traslacional y Rotacional la mayoría de los estudiantes (64.1 %) formuló las hipótesis utilizando el trabajo en equipo, mientras que en Ondas y Calor este resultado es menor (49.8 %). Preocupa el hecho de que en el laboratorio de Ondas y Calor, un 13.2 % de los estudiantes responde nunca haber formulado hipótesis, lo cual puede estar relacionado con el 11 % de los estudiantes que en la pregunta 1 no pudieron identificar el tipo de práctica que realizaron. Estos resultados son un indicativo de que en determinados grupos, de este laboratorio, no se aplicó la metodología del Método Científico Experimental. En la pregunta 4 se pide al estudiante que responda qué tipo de prácticas considera más útil para su desarrollo profesional. Aquí se trata de obtener la opinión del estudiante acerca del tipo de práctica que está acostumbrado, que más le agrada y si realmente pudo apreciar la utilidad de las prácticas desarrolladas con esta metodología. Las respuestas posibles eran: A) Aquellas en las que me dicen todo lo que debo hacer. B) Las que me dan una lista detallada de instrucciones a cumplir. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Gabriel Martínez Alonso, Rogelio G. Garza Rivera, Alfonso González Zambrano C) En las que me proponen un problema y me piden piense cómo resolverlo, aplicando el Método Científico Experimental. D) Otras. Las dos primeras respuestas se refieren a un tipo tradicional de las prácticas donde se le dan al estudiante las instrucciones detalladas de lo que debe realizar. La respuesta C corresponde al Método Científico, partiendo de un problema al que debe dar solución. Las respuestas obtenidas en % del total de la muestra, se ofrecen en la tabla siguiente. Mecáni cOndas y a Trasl. y calor Rot. D i cen todo 0 2.5 Li sta detallada 6.5 10.1 Propone problema y apli ca el método ci entífi co 92.8 77.9 Otras 0.7 promiso de continuar la aplicación de esta metodología en laboratorios de materias futuras. Por último se evaluó la opinión de los estudiantes en cuanto a la contribución del laboratorio a su aprendizaje de la Física, dándole las posibles respuestas en: A) B) C) D) Extraordinariamente. Mucho. Poco. Nada. Las respuestas dadas se muestran en el gráfico siguiente, de donde se puede concluir que si bien en ambas materias la mayoría consideró que el laboratorio contribuyó mucho a su aprendizaje de la Física, en el caso de Ondas y Calor se presenta que un 42 % de los encuestados consideró que el laboratorio contribuyó poco o nada a su aprendizaje, lo cual es un porciento elevado, mientras que en Mecánica Traslacional y Rotacional este resultado fue sólo de un 27.5 %. Mec Trasl Contribuci n del lab. al aprendizaje Ondas Cal 9.5 70.0 62.7 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 % respuestas 60.0 Es muy alentador que en la mayoría de los casos las respuestas de los estudiantes coinciden que las prácticas más útiles para su desarrollo profesional, son aquellas en que plantean la aplicación del Método Científico. En el laboratorio de Mecánica Traslacional y Rotacional esta respuesta es de un 92.8 % y en el de Ondas y Calor de un 77.9 %. En este último debe recordarse que la aplicación del Método fue reportada solamente por el 36 % de los estudiantes, lo que parece indicar que aún cuando no todos aplicaron el Método Científico, hay estudiantes que prefieren este tipo de actividad. Obsérvese además que en el caso de Mecánica Traslacional y Rotacional ningún estudiante responde que las prácticas en las cuales le dicen todo lo que debe hacer son las más útiles y sólo el 0.7 % responde que prefiere otras prácticas. El resultado de esta pregunta es muy alentador y plantea un com- 52.1 50.0 40.0 34.7 30.0 21.6 20.0 10.0 9.2 5.9 5.7 7.3 0.0 Extraordinario Mucho Poco Nada En el caso de Mecánica un 71.9% consideró que la contribución a su aprendizaje fue mucha o extraordinaria y sólo un 5.9 % valoró nula la contribución. Podemos relacionar este resultado con la aplicación más efectiva del Método Científico en el Laboratorio de Mecánica Traslacional y Rotacional. Este aspecto puede considerarse como una motivación más para la aplicación de este método en las prácticas de laboratorio, pues cuando se le da más in- 37 �Uso del método científico experimental en los laboratorios de física de la FIME dependencia al estudiante es cuando más útil resulta la actividad para su aprendizaje. 3) Formulación de hipótesis: A) Hacían una suposición. 12.5 % B) Pensaban en sus conocimientos EVALUACIÓN DE LOS MAESTROS Con el objetivo de conocer la opinión de los maestros que impartieron las clases de laboratorio se realizó una encuesta de opinión entre 8 maestros de Mecánica Traslacional y Rotacional y Ondas y Calor. Se le pidió su opinión sobre 4 aspectos similares a la encuesta de los estudiantes. Los resultados se muestran a continuación, con el % de las respuestas en cada caso: 1) Tipo de práctica desarrollado: A) Siguiendo detalladas instrucciones. 37.5% B) Observador. 25 % C) Activo. 25 % D) Investigador. entre todos la formulaban. 37.5 % 12.5 % 75 % 4) Prácticas que considera más útiles para el desarrollo profesional de sus estudiantes: A) Aquellas en las que le dicen todo 0% B) Las que le dan una lista detallada 12.5 % C) En las que le dan un problema y les piden resolverlo con el MCE 12.5 % 0 D) Discutían con su equipo y de instrucciones a cumplir. 62.5% 2) Trabajo de los estudiantes: A) Pasivo. C) Nunca formularon hipótesis. lo que debe hacer. B) Aplicando el Método Científico Experimental anteriores. % D) Otras. 87.5 % 0% Como se observa, las opiniones de los maestros coincide con las de los alumnos , la mayoría plantea que: (1) desarrolló las prácticas siguiendo el Método Científico, (2) evalúan el papel de sus estudiantes entre Investigador y Activo, (3) formulaban las hipótesis en discusión con sus compañeros y (4) consideran las prácticas más útiles para el desarrollo profesional de los estudiantes las que aplican el Método Científico a partir de un problema dado. Preocupa todavía el hecho que un 12.5 % de las respuestas (3) plantea que no se formularon hipótesis y también consideran como las prácticas más útiles (4) aquellas en las que se dan detalladas instrucciones a seguir por los estudiantes. Entre los criterios planteados por los maestros están: 1) Brigadas con un excesivo número de estudiantes lo cual dificultaba el trabajo. 38 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Gabriel Martínez Alonso, Rogelio G. Garza Rivera, Alfonso González Zambrano 2) Aún los estudiantes tienen problemas con los conocimientos elementales para el desarrollo del trabajo del laboratorio. 3) El manejo del equipo a veces resulta dificultoso. 4) Continuar con los cursos de capacitación a maestros. En general se puede evaluar que la aceptación de los maestros al método de impartición de las prácticas de laboratorio es buena y en algunas encuestas plantean continuar con el método en los siguientes cursos. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Teniendo en cuenta la información presentada podemos llegar a las siguientes conclusiones: 1) La mayoría de los estudiantes desarrollaron las prácticas de laboratorio siguiendo una metodología acorde con el Método Científico Experimental. 2) La opinión de los estudiantes en cuanto al tipo de prácticas que considera más útiles coincide en ser las del tipo de plantearles un problema a resolver aplicando el Método Científico. 3) Es necesario fortalecer aún más el trabajo en esta dirección en ambos laboratorios. 4) Los maestros coinciden con los estudiantes que este tipo de prácticas de laboratorio es más útil para el desarrollo profesional de los estudiantes y se continúe con su aplicación. 5) Debido a lo anterior se recomienda continuar con el seguimiento de esta aplicación en los laboratorios de Mecánica Traslacional, Ondas y Calor, Electromagnetismo y Física Moderna. 6) Implementar el Método Científico Experimental en todos los laboratorios de nuestra Facultad. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 REFERENCIAS 1. García Barros S., Martínez Losada C. y Mondelo Alonso M., “Hacia la Innovación de las Actividades Prácticas desde la Formación del Profesorado”, Enseñanza de las Ciencias, Vol. 16, No. 2, 1998, 353 – 366. 2. Hodson D., “Laboratory work as scientific method: three decades of confusion and distortion”, J. of Curriculum Studies, Vol. 28, No. 2, 1996, 115 – 135. 3. A.H. Johnstone and A. Al-Shuaili, “Learning in the laboratory; some thoughts from the literature”, U. Chem. Educ., No. 5, 2001, 42 – 51. 4. Riveros H., Rosas L., “El Método Científico aplicado a las Ciencias Experimentales”, Ed. Trillas, México, 1991. 5. Crowther D.T., Editorial, Electronic Journal of Science Education, Vol. 2, No. 2, December 1997. 6. Saunders W. “The constructivist perspective: Implications and teaching strategies for science”, School Science and Mathematics, 92 (3) 1992, 136 . 141. 39 �Algunas aplicaciones de los plásticos en las industrias del empaque y automotriz Carlos A. Guerrero S., Virgilio A. González G.* ABSTRACT The role of plastic materials in the packaging and automotive industries is commented. Specific applications such as poly(ethylene-terephtalate) as gas barrier on the soft-drink bottle industry and low density polyethylene on the flexible packaging industry are presented. The use of polypropylene, high density polyethylene and polyamides are also mentioned. Keywords: plastic, packaging industry, automotive industry INTRODUCCIÓN Plásticos, palabra que ya desde el Siglo XIX se utilizaba como adjetivo para denotar cualquier material, natural o sintético, con la capacidad de ser moldeado o formado;1 en la actualidad conserva su significado, sólo que ahora hace referencia a cierto tipo de materiales sintéticos conocidos como Polímeros. Este término, utilizado por primera vez por Berzelius en 1832 para distinguir substancias con igual composición pero propiedades diferentes,2 en nuestro uso contemporáneo se refiere a macromoléculas formadas por un número elevado de unidades repetitivas conocidas como meros.3 En nuestros días y de acuerdo a lo anterior, se puede considerar a los plásticos como polímeros o macromoléculas sintéticas capaces de ser moldeadas por algún proceso de manufactura. En la industria del empaque, las nuevas generaciones están acostumbradas a ver embutidos, jamones, quesos, carnes, frituras, pan, y un sinfín de alimentos empacados en plástico. De igual manera, las bebidas gaseosas, aceites, aderezos, agua purificada, pastillas, y otra gran cantidad de artículos se distribuyen en envases de plástico, ver figura 1. ¿Y qué decir de la industria automotriz? En un pasado próximo, mientras más accesorios metálicos cromados tuviese un coche, 40 Fig. 1. Ejemplos de productos envasados o empacados en plástico. más espectacular. En efecto, carrocería, defensas, accesorios diversos, todos ellos metálicos haciendo del auto un vehículo pesado y con consumos energéticos considerables. Hoy, al transitar por las avenidas de la ciudad, vemos cómo los plásticos han sustituido ampliamente a los metales en los vehículos modernos. Teniendo en mente lo anterior, se plantea como objetivo de este escrito el comentar algunas aplicaciones típicas de los plásticos en las industrias del empaque y automotriz. TERMOPLÁSTICOS Y TERMOFIJOS Retomando la definición de plástico, agregaremos que estos materiales, una vez que se transforman en producto final, son sólidos. Además, en alguna etapa * Doctorado en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL. E-mail: cguerrer@ccr.dsi.uanl.mx Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Carlos A. Guerrero Salazar, Virgilio A. González González de su manufactura, se deformaron mediante flujo. Precisamente, dependiendo de su respuesta a la aplicación de una carga térmica y mecánica podemos clasificar a los plásticos en dos tipos: termoplásticos y termofijos. Estados Unidos en el año 2000, así como su aplicación principal. Tabla I. Venta total de polímeros termoplásticos en Estados Unidos en el año 2000.4 Los termofijos son polímeros que se pueden moldear o formar sólo una vez, ya que solidificados se vuelven infusibles e insolubles. Lo que sucede en este ciclo único de calentar-deformar-moldear es de que el material polimérico sufre una reacción química de entrecruzamiento (curado, vulcanizado, reticulado), formándose redes tridimensionales que impiden que el polímero vuelva a fluir al aplicársele una carga térmica. El material de inicio puede ser un polímero que se entrecruzará durante el ciclo, o bien monómeros que se transformarán en macromoléculas entrecruzadas al aumentar la temperatura. La desventaja en el uso de estos materiales estriba en la dificultad que presentan para reciclarlos. Ejemplos de termofijos, también llamados resinas, son: los fenólicos, los epóxicos, poliesteres no saturados, melamina, etc. Los termoplásticos son aquellos materiales poliméricos que bajo la acción de una carga térmica se reblandecen, pudiendo fluir al aplicarles una carga mecánica. Como fluidos, se pueden forzar, bajo presión, y alimentar un molde o pasar a través de un dado y así obtener su forma final. Al cesar la carga térmica se enfrían y solidifican. Para estos materiales se puede repetir varias veces el mismo ciclo, es decir, calentar-hacerlos fluir-alimentar un molde (pasar a través de un dado)-obtener un producto final, el cual no necesariamente tiene que ser igual al del ciclo anterior. Esta característica hace muy atractivos estos materiales, ya que propician su reciclado. Algunos ejemplos de termoplásticos importantes desde el punto de vista industrial son: polietileno (PE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo (PVC), poliestireno (PS), politereftalato de etilen-glicol (PET), nylon (PA), etc. La Tabla 1 muestra el consumo de estos materiales en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Las aplicaciones que se comentarán en este trabajo utilizan en su mayor parte materiales termoplásticos. INDUSTRIA DEL EMPAQUE El empaque de un artículo cualquiera debe de cumplir al menos con dos objetivos: (a) debe de hacer atractivo el producto a la vista del consumidor. El artículo puede ser de muy buena calidad, pero para el cliente puede pasar desapercibido en el anaquel si el empaque no le llama la atención, (b) debe de proteger al producto del medio ambiente. En muchas ocasiones, un artículo de calidad se descompone por no haber sido empacado en las condiciones o con los materiales adecuados. Centrándonos en el cumplimiento de este último objetivo, se puede considerar al empaque como una barrera entre el producto y el ambiente, tal y como se presenta en la figura 2. 41 �Algunas aplicaciones de los plásticos en las industrias del empaque y automotriz Fig. 2. El empaque como protección del alimento contra el medio ambiente. Los plásticos se utilizan extensivamente como empaque flexible, semi-rígido y rígido, pero debido a su estructura química y morfológica, no todos protegen de la misma manera a los alimentos. Hay algunos que se constituyen en una barrera excelente a la humedad (polietileno de alta densidad), mientras que otros actúan mejor como barrera al O2 y al CO2 gaseosos, v.g., cloruro de polivinilideno, nylon, etileno-alcohol vinílico. Otros guardan el olor y el sabor del alimento empacado, v.g., poliacrilonitrilo, politereftalato de etilen-glicol. Sin embargo, pocos protegen del efecto oxidante de la luz solar. En ese orden de ideas, es claro que no se puede utilizar cualquier plástico para empacar cualquier alimento. Hay que considerar también que para la selección del plástico de barrera adecuado impactan otros factores como las propiedades mecánicas, ópticas, facilidad de procesamiento y sobre todo costo. El poliestireno, que no presenta ninguna barrera contra la humedad, ni contra el O2, se emplea mucho en empaque semi-rígido, sobre todo por sus buenas propiedades ópticas, lo cual implica que los alimentos empacados en este material no estarían muy protegidos contra el medio ambiente. La figura 3 nos muestra el empaque de algunos alimentos con alto contenido de 42 grasas. Para que estos artículos posean una vida de anaquel considerable, se necesita que el plástico con el que se vayan a empacar tenga una barrera excelente al O2 ya que éste, al contacto con los lípidos, tiende a oxidarlos, tomando los alimentos el sabor característico a rancio. El empaque debe de poseer además buena resistencia mecánica, ya que es común que el proceso de empacado se realice al alto vacío. La facilidad con la que se selle la película plástica también es importante. Un plástico que cumple con la mayoría de las características mencionadas es el nylon, sin embargo es un material relativamente caro y muy higroscópico. Esto último afecta fuertemente su propiedad de barrera; además es difícil de procesar y sus temperaturas de sellado son elevadas y están dentro de un rango estrecho. Por el contrario, el polietileno de baja densidad (PEBD) es barato, fácilmente procesable y su sellado no presenta ninguna dificultad; posee buenas propiedades ópticas y presenta una barrera razonable a la humedad. Su gran desventaja es de que es permeable al O2 y a los compuestos orgánicos. Pareciera que una combinación de ambos plásticos solucionaría nuestro problema de empaque. Una de las opciones que utiliza la industria alimenticia para el empaque de alimentos con alto Fig. 3. Alimentos grasosos empacados en película plástica. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Carlos A. Guerrero Salazar, Virgilio A. González González contenido de lípidos es, en efecto, una combinación de PEBD y nylon, proporcionando al producto una vida de anaquel de varias semanas y ¡sin refrigerar! El empaque en este caso, consiste en una estructura formada de varias capas de película plástica de materiales diferentes unidas entre sí formando una especie de sándwich. Para nuestro ejemplo del párrafo anterior, la estructura consta de tres capas. La central es de nylon y posee un espesor tal que proporciona a la estructura las propiedades de barrera. Las otras dos capas, una exterior y la otra interior y en contacto con el alimento, son de PEBD. El sello se realiza sobre esas capas y éstas son las que están en contacto con la maquinaria de manufactura, facilitando de esta manera la operación de empaque. Así, con un empaque laminado o coextruido formando una estructura multicapa, se obtiene la combinación de propiedades necesarias para la aplicación deseada. Ver figura 4. lo demuestra un estudio de mercado realizado por Vitro Envases(5) el cual transcribimos en la Tabla II. En éste se pronosticaba que el consumo de envases desechables de plástico aumentaría hasta un 18% en 1999 y esto a expensas de los retornables de vidrio. No se poseen cifras más recientes, pero si observamos nuestro entorno, creemos que las predicciones anteriores se han cumplido con creces. El plástico más utilizado para envasar bebidas es un poliéster, el politereftalato de etilen-glicol, o simplemente PET, material que posee una barrera excelente a los gases, propiedad que lo posiciona en muy buen lugar en el mercado del envase de bebidas carbonatadas (ver Tabla II). Además posee una muy Tabla II. Proyección sobre la participación en el mercado mexicano, en porcentaje, de los diferentes envases de bebidas carbonatadas.5 Lejanos ya aquellos días en los que la leche y las bebidas gaseosas se encontraban sólo en envases de vidrio y gran parte de la latería en envases de acero. El aluminio, junto con los envases de plástico, han ganado terreno a expensas del vidrio y del acero. Así 1996 1997 1998 1999 Retornables de vi dri o 60 55 52 49 Retornables de poli eti leno* 26 23 18 15 D esechables de vi dri o 4 5.5 7 8 D esechables de poli eti leno* 6 10 15 18 Latas** 4 6.5 8 10 * En el artículo hablan de polietileno como el plástico utilizado en el envase. Sin embargo, el material utilizado es politereftalato de etilen-glicol. ** Las latas son de aluminio. Fig. 4. Salchichas empacadas utilizando una película coextruída en base nylon. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 buena transparencia y estabilidad dimensional lo que permite su utilización en el envasado de otro tipo de productos, tal y como se aprecia en la figura 5.a. 43 �Algunas aplicaciones de los plásticos en las industrias del empaque y automotriz Como comentario general, la diferencia entre el PEBD y el PEAD consiste en su densidad; la del primero situada alrededor de 0.91-0.93 gr/cm3 y la del segundo en un rango de 0.94-0.96 gr/cm3. Esto trae como consecuencia un aumento en el porcentaje de cristalización del PEAD, con el consiguiente aumento en sus propiedades de barrera. INDUSTRIA AUTOMOTRIZ Fig. 5. a. Envasado de productos diversos empleando PET. Otros materiales muy utilizados son el polietileno de alta densidad, PEAD, envasándose en este material agua y leche en presentaciones de galón o medio galón y cloruro de polivinilo, para el sustituto de leche en polvo y aceites, figura 5.b. Fig. 5. b. Aceites envasados en PVC. 44 Desde los 70’s, década en la que se produjo una de las peores crisis de energéticos en el mundo, las tendencias de la industria automotriz se modificaron. Cambios drásticos en el diseño y manufactura de los vehículos automotores condujeron a una mejoría en los procesos de combustión y a una reducción en el peso de los vehículos, lo cual a su vez condujo a una notoria disminución en el uso de combustible. La disminución en el peso se dio de dos maneras, por un lado las dimensiones se redujeron y por el otro se sustituyó el acero por materiales de menor densidad, aluminio y plástico, básicamente. Así, llegamos a los modelos de la década de los 90’s en donde el peso promedio de un auto mediano (Jetta, Cavalier) es del orden de los 1,400 Kg y de ellos, casi el 15% en peso corresponde a materiales plásticos. Esto también se presenta en automóviles de lujo, por ejemplo, un Audi Avant C4 de 1994 pesaba 1396 Kg y de ellos 200 Kg eran de plástico.6 De los 1365 Kg. que pesa un Porsche 911 Carrera del año 1994, el 15.6% eran de plástico. De ahí 154 Kg están en la carrocería, 35 Kg en el sistema eléctrico, 18 Kg, en el motor y 6 Kg en los sistemas de suspensión y dirección.7 Entre los materiales plásticos más utilizados está el polipropileno -alrededor del 2.6% en peso del total de plásticos en el automóvil- el cual se utiliza entre otras cosas, para formar el panel de instrumentos, figura 6, o el ensamble de una sola pieza (que reemplaza a 5 piezas metálicas) formado por la tapa del abanico del radiador, el recipiente para el Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Carlos A. Guerrero Salazar, Virgilio A. González González Fig. 7. Palanca para accionar las direccionales de un vehículo fabricada en Nylon. Fig. 6. Panel de instrumentos de una Mini-Van Dodge construido en Polipropileno. refrigerante, y para el líquido de los limpiadores (delantero y trasero) y el túnel de llenado de estos últimos contenedores. También podemos mencionar al nylon –alrededor del 4.3% en peso del total de plásticos en el automóvil- el cual se emplea como soporte a los espejos laterales, volante de la dirección, tapas en las ruedas, etc. Ver figura 7. El polietileno de alta densidad -0.7% en peso del total de plásticos en el automóvil- se encuentra formando los tanques de una sola pieza para almacenar la gasolina. Otros materiales plásticos como los acrílicos, los policarbonatos, PVC y materiales compuestos, tienen aplicaciones importantes en esta industria, pero limitaciones en cuanto a espacio nos impiden continuar con la descripción. Como conclusión podemos decir que estos materiales sintéticos llamados plásticos, cuya comercialización data de los cercanos 1950’s, han afectado a tal grado nuestro mundo que, tal y como lo conocemos actualmente, difícilmente podría concebirse sin ellos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 REFERENCIAS 1. Jeffrey L. Meikle, American Plastic. A Cultural History, Rutgers University Press, New Jersey (1997) 2. Herbert Morawetz, Polymers. The Origin and Growth of a Science, Dover Publications, New York (1985) 3. Malcom P. Stevens, Polymer Chemistry. An Introduction, Oxford University Press, New York (1999) 4. APC Year-End Statistics for 2000, American Plastics Council (2001) 5. Havis Dawson, Envases desechables de bebidas, Reportero Industrial, Oct. (1994) 6. S. Schäper, H.G. Haldenwagner; Ecological and energy balance with regard to the various materials used in the automobile industry en Plastics in Automotive Engineers, editada por H.G. Haldenwagner y L. Vollrath, Hanser Publishers, Munich (1994) 7. G. Horsch, Innovative Plastics Applications on the Porsche 911 Carrera, en Plastics in Automotive Engineers, editada por H.G. Haldenwagner y L. Vollrath, Hanser Publishers, Munich (1994) 45 �Nucleación y crecimiento unidimensional Parte II. Análisis de la ecuación de Avrami Virgilio A. González G.* Carlos A. Guerrero S, Juan Aguilar G.* ABSTRACT The application of the Avrami-Johnson-Mehl model to the unidimensional simulations for nucleation and growth phenomena indicate that this model is imprecise, user dependent, and insensible to heterogeneity. These observations imply that the model is useful only as fitting model an not as analytical method for morphological analysis. Palabras clave: Nucleación, crecimiento, modelo, Avrami, simulación. ANTECEDENTES La importancia del modelado de los fenómenos de nucleación y crecimiento tales como cristalización y corrosión quedó establecida en la primera parte de este artículo1. En ella además se presentó el desarrollo de un modelo unidimensional basado en el conocido cono de tiempo2 y su validación. En esta segunda parte se utiliza el modelo para analizar los resultados de simulación de “cristalizaciones” con diferente grados de heterogeneidad y homogeneidad en la nucleación, poniendo a prueba el modelo de Avrami1,3-5 que relaciona a través de la ecuación de Avrami-Jhonson-Mehl (Ecuación 1) la rapidez de crecimiento lineal con la de “cristalización”. ln(1 − φ(t ) ) = −kt n (1) donde φ(t) es la fracción volumen de material transformado al tiempo “t” (Ejemplo cristalizado), k la constante de velocidad y “n” el llamado exponente de Avrami que puede tomar valores entre 1 y 4 de acuerdo a la dimensionalidad del crecimiento y el carácter homogéneo o heterogéneo de la nucleación. Nucleación y crecimiento bidimensional de cristales de isoo polipropileno durante la cristalización isotérmica a 179 C. donde: Kg es una constante geométrica, ρn es la densidad de nucleación de carácter heterogéneo, Gn la rapidez de nucleación homogénea, Gl la rápidez de crecimiento lineal de los “cristales”, el exponente ϕ que puede tomar valores entre 0 y 1, determina el carácter homogéneo (ϕ = 0) o heterogéneo (ϕ = 1) de la nucleación y n es el exponente que toma valores enteros entre 1 y 3 indicando la dimensionalidad del crecimiento. Ya que en nuestro caso la muestra es unidimensional, la variable φ(t) representa la fracción de línea cubierta por los núcleos en crecimiento y los valores que puede tomar “n” en la ecuación 1 o “n+ϕ” en la ecuación 2 son entre 1 y 2. SIMULACIÓN En ese primer artículo se describió el significado de las variables involucradas en la ecuación 1 y se propone que puede escribirse de la siguiente manera: Las simulaciones se hicieron con 250 repeticiones con la finalidad de hacer un análisis estadístico de los resultados. Se mantubieron las rapideces Gl y Gn constantes analizando los resultados de hacer variar el ca- ln(1 − φ(t ) ) = − K g ρ n1−ϕ Gnϕ Glnt n +ϕ * 46 (2) Doctorado en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Virgilio A. González González, Carlos A. Guerrero Salazar, Juan A. Aguilar Garib rácter de heterogeneidad de la nucleación (ρn), así como la consideración de tener una muestra acotada o de tamaño infinito. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La figura 1, muestra las curvas de las cinéticas de 250 repeticiones considerando unas muestras acotadas de carácter heterogéneo (a) y homogéneo (b). Además de observar que la rápidez de cristalización es mucho mayor cuando la nucleación es heterogénea, se aprecia también que para unas mismas condiciones de cristalización, las curvas pueden variar considerablemente en distintos experimentos. Esta última observación se explica fácilmente: el tiempo al que se alcanza el final de la cristalización (φt = 1), es proporcional a la distancia mayor entre dos núcleos en crecimiento y en las etapas iniciales, el inicio del abatimiento de la pendiente de la curva depende de la distancia más corta entre núcleos en crecimiento y, como la distribución de los núcleos en la muestra es al azar, la forma de las curvas dependerá enteramente de las condiciones iniciales. Fig. 2. Curvas promedio de nucleación y crecimiento (“isotermas”). Simulaciones con 250 repeticiones de simulación con Gl = 0.003, Nucleación homogénea con Gn = 0.003 combinada con heterogénea, indicando a la derecha el número de núcleos iniciales. Esta simple observación es muy importante en experimentos de laboratorio, ya que indica el carácter estadístico de fenómenos como la cristalización, obligando a reportar junto con las variables cinéticas, sus desviaciones estándar. Ya que no se encontraron diferencias significativas entre simulaciones con muestra acotada o infinita, en seguida se reportará sólo los resultados con muestra acotada. Fig. 1. Curvas de nucleación y crecimiento (“isotermas”). Simulación con 30 repeticiones de simulación con Gl = 0.003, a) Nucleación heterogénea con rn=42 y b) Nucleación homogénea con Gn = 0.003 todas con muestra acotada. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 La figura 2 muestra las curvas promedio 250 simulaciones de nucleación combinada homogénea y heterogénea, donde se hizo variar el número de núcleos iniciales, es decir el carácter heterogéneo de la nucleación, el comportamiento es el esperado, la curva de nucleación enteramente homogénea corresponde a la gráfica b) de la figura 1 teniendo una forma de “S” y, conforme aumenta el número de núcleos iniciales la cristalización es más rápida perdiendo la forma de “S”. De acuerdo a la ecuación 1, graficando ln[-ln(1-φ(t))] se calcula el exponente “n” de la pendiente de la cur- 47 �Nucleación y crecimiento unidimensional. Parte II Análisis de la ecuación de Avrami Fig. 3. Gráficas de Avrami para 250 repeticiones de simulación con Gl = 0.003, Nucleación heterogénea con ρn = 48. La línea continua es para la gráfica promedio. va, que para el caso unidimensional con nucleación heterogénea debiera ser de 1. La figura 3 muestra las gráficas de Avrami para 250 repeticiones de la simulación de cristalización heterogénea. Esta gráfica, muestra mucha dispersión de los resultados, la cual se puede cuantificar obteniendo la media y la desviación estándar de los exponentes de Avrami, los resultados muestran una media de n = 1.11 y una desviación estándar de 0.03 Para determinar el mínimo número de simulaciones necesarias para obtener una buena precisión se construyeron para todas las simulaciones con diferente grado de heterogeneidad (Gráficas de la figura 1), las gráficas de ∆n = nf-ni contra el número de repeticiones “i”, donde “nf“ es la media de 250 repeticiones y “ni” son las medias para “i” repeticiones desde i=1 hasta 250. La gráfica se muestra en la figura 4, donde se aprecia que en general con menos de 10 repeticiones la precisión es del orden de ±0.05 y que para obtener precisiones superiores a ±0.01 es necesario más 48 Fig. 4. Precisión en el cálculo del exponente de Avrami en función del número de experimentos. Simulaciones con 250 repeticiones con Gl = 0.003, Nucleación homogénea con Gn = 0.003 combinada con heterogénea, indicando a la derecha el número de núcleos iniciales. de 30 repeticiones, en otras palabras estos resultados sugieren que en la determinación en el laboratorio, cuando se siguen las prácticas comúnmente establecidas de 3 repeticiones y utilizando sólo la gráfica a bajos grados de cristalización (v.g. φ(t) < 0.3), solamente la primera cifra significativa, después del punto decimal, puede ser utilizada La figura 5 muestra las gráficas de Avrami correspondientes a las curvas de la figura 2. aquí se aprecia como la linealidad de las gráficas de Avrami, analizada a simple vista, sólo se mantienen en las primeras etapas de la cristalización y además la pendiente parece aumentar entre menor sea el número de núcleos iniciales, lo cual es coincidente con lo esperado. Calculando el grado de heterogeneidad como la fracción de núcleos iniciales (φh), (Ecuación 3) φh = ρ n ρT (3) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Virgilio A. González González, Carlos A. Guerrero Salazar, Juan A. Aguilar Garib Fig. 5. Curvas de Avrami promedio. Simulaciones con 250 repeticiones de simulación con Gl = 0.003, Nucleación homogénea con Gn = 0.003 combinada con heterogénea, indicando a la derecha el número de núcleos iniciales. donde ρT es el número total de núcleos al final de la cristalización, y graficando el exponente de Avrami vs. φh resulta la figura 6. Esta gráfica tiene un comportamiento inesperado y lo podríamos calificar de decepcionante, primero porque aún para la simulación en condiciones de nucleación puramente homogénea (primer punto), n no alcanza el valor de 2 predicho por la teoría y principalmente porque el exponente de Avrami no parece ser sensible al grado de heterogeneidad, lo que significa que la Ec. de Avrami solo puede distinguir si el fenómeno de nucleación y crecimiento es puramente homogéneo o no, pero no así entre una nucleación puramente heterogénea y otra en la que también hay formación de núcleos durante la cristalización. Esta observación tiene al menos dos implicaciones, primero que en el análisis de una cristalización el material debe estar muy puro para lograr una Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Fig. 6. Exponente de Avrami calculado en función del grado de heterogeneidad. nucleación homogénea y segundo si la cristalización es heterogénea será imposible saber si hubo formación de nuevos núcleos durante la cristalización o no. La figura 7 describe el exponente de Avrami calculado con diferentes números de puntos de las gráficas de la figura 4, de nuevo tenemos resultados que restringen la aplicabilidad de la Ec. de Avrami, n depende del número de puntos escogidos para hacer la regresión lineal, siendo esta variación muy grande, por lo tanto la apreciación de quien hace los cálculos es determinante de “n”, y no existe ningún segmento de las curvas de la figura 6 que nos sirva de referencia para salvar este problema. Así podemos decir que para los experimentos realizados con el simulador unidimensional de nucleación y crecimiento, la ecuación de Avrami sólo es útil como un método de ajuste que es difícil de interpretar en términos de dimensionalidad de crecimiento y del carácter homogéneo o heterogéneo del fenómeno. 49 �Nucleación y crecimiento unidimensional. Parte II Análisis de la ecuación de Avrami Se infiere también que el método no es capaz de distinguir diferentes grados de heterogeneidad de la nucleación y que los resultados numéricos dependen fuertemente de la apreciación de quien hace los cálculos. Lo anterior permite concluir que la ecuación de Avrami solo sirve como método de ajuste aproximado de los fenómenos de nucleación y crecimiento. BIBLIOGRAFÍA 1. V. A. González, C.A. Guerrero y J. Aguilar., Ingenierías V15, 38, (2002). Fig. 7. Exponente de Avrami calculado en función del número de puntos utilizados en la regresión. Se indica el número de núcleos iniciales. CONCLUSIONES El modelo unidimensional de nucleación y crecimiento predice correctamente el efecto del carácter heterogéneo u homogéneo en la rapidez de cristalización. Muestra que una alta precisión en el cálculo del exponente de Avrami, requiere de un número grande de experimentos. 50 2. Carter W. C., Lecture notes on Nucleation and Grow, Department of Materials Sciences and Technology, MIT,19 August 2001. 3. Johnson W.A and Mehl R.F., Trans. Amer. Inst. Minning Met. Eng., V135, 426, (1939). 4. Avrami M., J. Phys. Chem. V7, 1103, (1939). 5. Avrami M., J. Phys. Chem. V8, 212, (1940). 6. Elías. H., Macromolecules Vol. 1, Ed. Plenum Press. New York 1977. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Fractal correlation dimensions and discretepseudo-phase-plots of percussion instruments in relation to cultural world view Rolf Bader* Abstract Fractal correlation dimensions C and discretepseudo-phase-plots are presented for four percussion instruments to show basic kinds of persussion instrument behaviour. The xylophone and the churchbell - a small and a large instrument - are two western examples, which are shaped in a way to have - among inharmonicity - at least some harmonic partials. The tibetian zimbel and the javanese gong gede - again a small and a large one - are non-western instruments with just inharmonic overtone structures. The initian of the small instruments have C = 3.5 (xylophone) and C ≈ 6 (zimbel) within the first 25ms respectively 50ms. Then the inharmonicity dies out and it is C = 1 in both cases.The second integration time of the ear, which is about 50ms, makes it impossible for listeners not to perceive these initians as a whole, because of the shortness of the initian. So a real initian like in non-percussion instruments is present here. The large instruments on the other side keep their values throughout the first 400ms. The gong gede is the only instrument examined (which includes also non-percussion instruments in former studies), which can be struck in a way, that no chaoticity appears. The try of western music to have a harmonic structure in partials, which is not present e.g. in indonesian music is interpreted in terms of the different world views of these cultures. Keywords: Percussion instruments, fractal correlation dimensions, discrete-pseudo-phase-plots. INTRODUCTION Initial transients of musical instruments are in many cases cruicial for identification of the instrument class [Reuter 1995,1 Grey 1977,2 Grey & Moorer 1977,3 Wessel 1979,4 Krumhansl 1989,5 Iverson & Krumhansl 1993,6 Mc Adams et al.1995].7 In Multidimensional Scaling Technique (MDS) the similarity judgements of subjects are related to the physical parameters of the sound. It comes out, that three dimensions are enough to explain about 80 % of all judgements. The most Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 ≠ common dimension is the spectral centroid Z, which is z= ∑ frecuency • amplitude( fecuency) ∑ amplitude( frecuency) (1) So after transformation of the time series by FFT or by Wavelet-Transform - the weighted frequencies, renormaliezed by the amplitudes is what is also referred to as brightness. The more higher frequencies with greater amplitudes exist, the brighter is the sound. It is widely agreed, that this is the best identification procedure for instrument sounds during the so called steady-state 8 [Kostek 2001]. This steady-state is reached after about 50ms in general. But this range can vay a lot [Luce & 9 Clark 1965]. So a piano sound has a transient phase, which lasts for about 2ms in a middle pitch region, while an flute organ pipe can take about 300ms to finally reach the steady state. But this steady state is also not totally steady. It is also referred to as a quasi-steady-state. This is because instruments like the violin or the saxophone keep producing the tone after the initian by steady bowing * Musikwissenschaftliches Institut Hamburg Neue Rabenstr. 13, 20354, Hamburg, Germany E-mail: R_Bader@t-online.de 51 �Fractal correlation dimensions and discrete-pseudo-phase-plots of percussion instruments in relation to cultural world view or blowing. So during continuing the sound, there are wide possibilities of controlling it like canges in loudness, or brightness (the centroid) or through vibrato. In MDS experiments this feature comes out to be the second dimension. The instruments where the player is able to continue the sound, have during the continuation in a middle pitch region very good identification possilibities, e.g. the violin can be identified due to the bowing noise which is produced by steady glueing and releasing of the bow on the string. The release break causes a short impulse, which 10 is the cause of the noise [Güth 1995]. The lip- and reed-driven instruments are said to have a formant region, a frequency band, in which the harmonic overtones have always higher amplitudes independent from the played pitch. The reason is a constant closing time of the reed or lip during the vibration over all playable notes of the instrument This causes a frequency band to act as formant, which can be seen by Wavelet-Transforms. But also these instruments are sometines hard to identify. The saxophone is very hard to distinguish from a clarinet in high regions. The fundamentals in the overtone structure get higher than the formats of the instrument. Also the initian is so short, that it can no longer serve as identification. The third dimension in the MDS is the initial transient. It was referred to as inharmonicity. Investigations concerning the ‘chaoticity’ of sounds, namely the fractal correlation dimension and an 11, 12 showed information structure [Bader 2001 a, b] that violins have the most complex initian with dimensions up do D=8. The reed-instruments like the clarinet and the saxophone are in a middle region together with the classical guitar - and have dimensions around D=3. In was shown, that the value of the dimension is related to the overall rules, governing the sound. A harmonic overtone spectrum is D=1. Each inharmonic component above a certain amplitude threshold increases the correlation dimension by one. Also strong amplitude changes are taken as an own rule and again increase the dimension by one. 52 But the pitch and the musical expression of the player change the dimension from sound to sound. There is not a single dimension value for each instrument. This is caused by the fact that music is lively and rich and instruments are built, which have a hughe amount of degrees of freedom. The violin shows an independence of the dimension in regard of pitch, but a variety of possibilities with loudness and attack (hard or soft attack). The guitar on the other side is not so much dependent on loudness, but on pitch, because the lower strings are much more stiff and are not able to vibrate in very complex fashion. Although the clarinet is able to increase the sound continuesly after the initian and so avoids a hard attack, the low initian itself has never just a dimension of D=1, like the steady-state thereafter. But the pianissimo beginning makes the tone sound very smooth even with such an initian. Now the initian of percussion instruments is caused by the most simplest driving mechanism: an impulse. This impulse has the strcture of a gauss distribution 13 with a drift to smaller time values. [Borg 1983]. If the impulse would be a dirac delta impulse, it would have an continous spectrum (or white noise musically speaking). The impulse is not a perfect dirac delta, but serves here in the same way by driving all possible eigenvalues of the vibrating system nearly with the same energy. These eigenvalues or eigenfrequencies of the intrument normally need no more than at least one sinusodial period to be stable and so there is no initian as with the other instruments, which are mostly coupled vibration systems. But nevertheless do percussion instruments have an initial transient. This is because most of the driven modes are damped very fast. They appear just within the first 50ms or so and die out imeadietly. So they do not reach the time border of 50ms (second integration time of the ear) beyond which a clear pitch is percieved. They sometimes not even reach the first integration ear time of 5ms, which is at least needed to built up the critical bands in the coclea. So subjectivly for the listener, there is an initian, which is a ‘conscious unit’, that means, it can Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Rolf Bader not be divided into smaller subpieces in means of perception or even analysed by the listener. But there are also findings, that the initian sometimes is more complex. First, instruments struck by soft mallets can be damped by that mallet, which is not moved away from the surface of the instrument after struck quickly enough. This can be the case with large gongs, like the javanese gamelan gong gede, 14 which is a about 80cm in diameter [Schneider 1998]. The backdriving of the gongs surface after the struck back against the mallet is relatively slow, but as the gong is played in a more meditativly way, the mallet is also moved not too fast. The mallet dampes the initian a bit, which is then expressed in the time series by an short amplitude breakdown after the initian. Then the sound continues with normal amplitude. When interpreting the initian by fractal correlation dimension and discrete pseudo-phase-plots, each frequency component has an own dimensional value. This is, because most percussion instruments do not have an harmonic, but an inharmonic overtone structure. The vibration is one of bending modes, not of transverse vibration. Bending, which mathematically speaking is caused by the fouth derivation of the space variable compared to transverse vibration (of a string, air column etc.), which is the second derivation of the space variable is like the relationship of dependence of the curvature of curvature to just the curvature (because curvature is the second derivation in space). ∂2 y 2 ∂2 y =c ∂t 2 ∂x 2 (2a) ∂2 y E • K 2 ∂4 y =− • 4 ∂t 2 ρ ∂x (2b) In 2b, the partial differential equation of the bending, x and y are the space coordinates, t is time, E is Youngs modulus, ρ is density and K is the radius of Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 gyration. In 2a, the equation of the string vibration, c is the speed of the soundwave. As 2a has as solution a harmonic overtone structure, 2b when applyed e.g. to a rod has an inharmonic overtone structure independent from boundary conditions. These boundary conditions chance the eigenvalues, but they never come to be harmonic. In western tonal music there is nearly always an harmonic overtone structure wanted. From a standpoint of the instrument builder this is much harder to achiev. The strings has to be streched with much tension, a drum skin has to be very thin but must stand strong pressures, when streched. The only easy example is an air column. And this also is the only way to get loud sounds without the use of a resonance body, which again acts with bending modes. So a harmonic overtone structure is much harder to achieve, because one has to overcome the gyration of mater. The only western percussion instrument, which has a nearly harmonic overtone structure is the xylophone. This palisander stick has a cutoff so that the second eigenvalue of the stick is 13 the double octave of the funreviewed in Fletcher & damental. [Borg 1983, 15 Rossing 1999]. Also round percussion instruments, like some drums or cymbals have not only inharmonic relations, but also some harmonic ones, because of the the combination modes of ring- and radialmodes. The used xylophone beam made of Palisol, which is a substitute for the rare wood Palisander. 53 �Fractal correlation dimensions and discrete-pseudo-phase-plots of percussion instruments in relation to cultural world view METHODS Fractal Correlation Dimension Correlation dimensions are well known in fractal geometry and used to calculate a fractal dimension from a time series. The other fractal dimension calculations like the information dimension or the boxcounting dimension are normally only used with twodimensional fields, in which several points (i.e. measurement values) are plotted. There is no timelike relation between the plotted points, what matters is just the spatial distribution. These dimensions could be applied to more than two-dimensional fields, but the calculations are very complicated then (especially with the information dimension). The dimensional-problem does not occur with the correlation dimension. High dimensions can be created easily. We have to keep in mind, that a 2-dimensional field as mentioned above may be i.e. a surface structure of a material and it would make no sense to transform it into a higher dimensional field. Time series on the other hand are originally just one-dimensional. So any higher dimensionality with time series is always artificial. But it is a way to describe the time series content in a more abstract way. To see this, we have to look first at the formalism of higher dimensional embedding. The time series is embedded in a d-dimensional space which is done by forming vectors of length d. Their components are the values of the discrete time series of the sound, staring from time point t and taking the values t + n * δ, (n = 0, 1, 2, 3 .. d-1). δ is called delay variable and in this paper δ = 4 is always used with correlation dimensions. δ = 4 is the minimum value which causes correct results. Greater values can 16 be used, but no smaller ones [Keefe & Laden 1991]. So taking δ = 4 and i.e. d = 5, the fist vector would consist of the amplitudes taken at time points (1, 5, 9, 13, 17). The second vector would be the amplitudes of the time points (2, 5, 10, 14, 18) etc. So in the end for a time series of N points, we have N - δ * d vectors (the last δ vectors cannot be formed, because the time series ends). 54 The reason for this embedding is, that complex time series are made simple (but with the disadvantage of high dimensionality). Would we take a sinusodial time series, in a two dimensional space, a circle would arise. If we add another sinusodial component, in the same two-dimensional space there would be seen a kind of Lissajous figure. But if the take a three dimensional embedding, this figure dissolves into two circles. For more complex time series higher embeddings are used. In theory, for a final fractal correlation dimension d, (2 * d ) + 1 embedding dimensions have to bee used. In practise this is true for time series, which are very long and do not change through time. For transients, which are analysed in this paper with short and changing time series, much higher embedding dimensions are necessary. In short a harmonic overtone structure will result in a fractal correlation dimension of C = 1, no matter how many harmonic components there are. If just one inharmonic component is added, C rises by one. As an example, in Table I there are correlation values for a balinese xylophone with a loud inharmonic overtone structure. P late C i ni ti a n C after 1 6.8 2.5 2 4.4 2.5 3 5.5 2.0 4 3.6 1.5 5 6.5 1.2 6 5.0 1.3 7 6.5 2.5 8 3.5 3.0 9 6.5 3.0 10 6.2 3.5 1s Tabla I. Correlation dimensions of a balinese Gender dasa plates 1 (lowest) - 10 for the transient and at t = 1s after the initian. The value of the dimension is the amout of inharmonic overtones within the spectrum over a certain threshold. As the tone of this bronze xylophone is hearable even a minute after the struck, most of the eigenvalues of the plates are gone short after initian. These fast damped frequencies can be said to be the initial transient of the gender. The time intervall of calculation is both times 50ms. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Rolf Bader size. All points falling into one box are counted, so this is also a kind of box-counting method known from fractal geometry. So each box has a certain value and therefore certain plot methods can be used to show the results (3D plot, density plot, contour-plot etc). Here a contour plot is used for a 3D plot would have to have a viewing angle and therefore the plot may not be represented in a good overall view. The used balinese bronze xylophone Gender dasa, which means Gender with ten plates. The frame is usually with wood-carving. This one was bought by the auther directly from a manifacturer in the town of Sawang, Bali and is a single instrument not used in an orchestra before, a typical practicing instrument used by musicians at home. Now out of the N-d * δ vectors a matrix is built, which represent the distances of each of the vectors from all others. Then the vectors-distances have to be counted, which are larger than a threshold r, N −n•δ N −n•δ 1 = ∑ ∑Θ(r −ν (tk ) −ν (t1)) c(r) = ( N − n • δ ) k =1 1=k (3) 2 and normalized by, as can be seen in (3). The Heavyside function is 1 for the distance of a vector beeing geater than r and otherwise it is 0. The slope of the plot Log C(r) vs. Log r is the correlation dimension. The Log / Log - plot is the usual calculation method for fractal geometry, which seem to be a phaenomenon 17 often found in nature [West 2001]. Discrete pseudo-phase-plot The second method used here is a visual representation, the discrete pseudo-phase-plot. It is based on the calculations of the d - dimensional embedding discussed with the correlation dimension. But here we have only d = 2, because the output should be a two-dimensional graphical representation. Now all the vectors created through the embedding are plotted into a two dimensional grid with a certain box Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 The right box size is cruicial for good results. For a very wide box would have too many points in it, so there would be no good differentiation. On the other hand, boxes that are too narrow may count just a few points (or even just one). This representation would be the same as plotting just the points in a two-dimensional array, which can be helpfull sometimes with time series, which are quite regular. The transient time series used here are more complex and it was found, that the discrete pseudo-phase-plots are a very good graphical representation for them. Wavelet transform Also Wavelet-Transforms are used here. This method is an excellent tool for small time series as transients, as one can zoom into the sound as needed. Also the relation of frequency vs. time accurancy, the problem of the uncertainty principle, can be choosen freely. Here18a complex Morlet Wavelet is used [Haase et al. 2002] in the discrete form, because the input is the discrete sampled sound time series: −1 t2 1 DWf (ω, b) = = ∑ f (t + b) • e ω o 2 eiωt N t (4) Here, the Discrete Wavelet-Transform DWf depends on the frequency ω and the place in the time series (the physical time) for which the transform is done. f is the discrete time function and N is the actual number of time points, which are summerized. ω0 is comparable with the time window in classical FFT. A larger value of ω 0 will separate nearby frequencies, a smaller value will show the detailed amplitude structure and frequency shifts. 55 �Fractal correlation dimensions and discrete-pseudo-phase-plots of percussion instruments in relation to cultural world view RESULTS To show the difference between western and nonwestern percussion instruments in their physical structure and in their sounds, four instruments have been analysed. With the two western instruments there is a small one the western xylophone - and a large one - a churchbell. This idea was also used with the non - western instruments, a small one - the tibetian zimbel - and a large one - the javanese Gong “Gong Gede”. It is shown, that both western instruments are prepared in a way to have a harmonic overtone structure, while the two non-western instruments are not tuned like this. The reason for the - in western eyes - untuned manner of the zimbel and the Gong Gede can not be found in any carless construction. For the Gong Gede is found to be not exactly round, causing a vibrating sound, which represents the quality of the Gong. And the zimbel is made with beautiful handcraft and formed very precise in shape. Tibetian zimbel First we examined a tibetian zimbel, which is usually used in religios context. It is a small handbell and is 9cm in diameter and 7cm in hight without the stick. [For an overview of the vibration of handbells see Rossing 19 2001]. The used handbell, normally used in religious ceremonies, e.g. in tibet. 56 Figure 1 shows the time evolution of the discretespeudo-phase-plott for the first 400ms from initian. It shows up, that the initian itself has a correlation dimension which is about C ≈ 6 but very unstable, so the sound ist really chaotic. This can clearly be seen with the Wavelet - Transform (Figure 2). Fig. 1. Discrete pseudo-phase-plots of a zimbel. Time step: 50ms, last plot up to 400ms. Here C is just approximable for the first 50ms. There are too many frequencies. At least it is about C » 6 but there is too mach ‘chaoticity’ in the initian. But the second 50ms have a clear dimension of C=1.8, which decreases with time up to C=1.0 for a sinusodial. The sound of a zimbel also lasts for about a minute to die out, but here the higher harmonics are just present within the first 50ms over a certain threshold. Fig. 2. Wavelet -Transform of the zimbel sound in the first 400ms. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Rolf Bader The initian has broad bands of frequencies instead of discrete values. This would be very unusual for nonpercussion instruments. But after this initian, the values decrease to between 1 < D < 2, so there is just one strong harmonic partial left. The other partial in figure 2, that can be seen is much lower in amplitude. In higher regions over 10 kHz there are partial dying out very quickly. Also a constant amplitude oscillation can be observed in all partials. This is always the case in any kind of instruments. It may be caused by an interchange of energy between the modes. Western xylophone Next a xylophone beam was examined theoretically and experimentally. For the theoretical values a 13 method of Borg [Borg 1983] was used. It takes the Rung-Kutta method to evaluate the eigenvalues. As the differential equation is fourth order, two RungKutta algorithms are combined. The xylophone has a cutoff (Fig. 3) for tuning the second and third partials to the double octave and the fifth over the third octave (or the middle of the major and minor third over the third octave, which listeners found as the most interesting sound color). The first cutoff tunes the second partial, the second cutoff tunes the third partial. Now this cutoffs cause the radius of gyration to change throughout the beam. This changing can be modelled by the Runge-Kutta method, because this method partitions the beam. Each partition is given his own radius of gyration. For calculation of the correct eigenvalue, a certain value is estimated. This first extimation is not correct, but we increase or decrease this value as long as we found the right one. Now, the Runge-Kutta is calculated twice for one eigenvalue which different boundary conditions. The two curvatures of the beam w can be expressed as a linear combination of the two single versions with two constants C: w( x) = c1w1( x) + c2 w2( x) Now the two curvatures are for the boundarys in x = 0 as w1(0) = 1 and w2(0) = 0. Only when the chosen eigenfrequency is correct, this is also fullfilled with the momenta - second derivation - and the force - third derivation - (which is not the restoring force). The results when reaching the end of the beam can be written in two equations, which only when both are satisfied, if the eigenvalue of. 2 Μ (1) = 0 = C 1( 2 d w1 2 d x ) 2 X = 1 + C 1( F (1) = 0 = C 1( 3 d x 3 2 2 d x 3 d w1 d w1 ) X = 1 3 ) X = 1 + C 1( d w1 3 d x 3 ) X = 1 is correct. Then the determinant of the two equations becomes zero. The algorithm was implemented with the assumption of the first curvature being a sinusodial curve from phase ϕ = 0 to ϕ = π/2. When powered by values p < 1, the curvature becomes more flat. As there is no rule for the curvature, different values of p were used. A pure sine curve seems to fit best. Fig. 3. Shape of the xylophone-beam of length 31 cm with two cutoffs, the large first cutoff and the small second cutoff in the middle. The length from top to the beginn of the cutoff is 8,2 cm, the curvature of the cutoff 3,0 cm, the way to the second cuttoff in the middle is 3,7 cm, the second cuttoff is 1,2 cm. The curvature is sin (x)p. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 But in all cases, there was one mode missing compared to the measured results (Table II). The frequencies f1, f2, f5 and f6 of the theoretical calculations fit satisfying to the measured f1, f2, f6 and f7, but f3 and f4 (theoretical) face f3, f4 and f5 57 �Fractal correlation dimensions and discrete-pseudo-phase-plots of percussion instruments in relation to cultural world view Measured f1 260,1 Hz f2 1055,0 Hz 24,1 cent + 1 Okt f3 2658,1 Hz 423,9 cent + 3 Okt f4 4954,6 Hz 302,0 cent + 4 Okt f5 6496,8 Hz 771,1 cent + 4 Okt f6 8198,1 Hz -26,2 cent + 5 Okt f7 10 324,3 Hz 373,0 cent + 5 Okt Theoretical (p = 1) f1 263,1 Hz f2 1050,4 Hz -3,5 cent + 2Okt f3 2912,3 Hz 561,5 cent + 3 Okt f4 5814,2 Hz 3558,4 cent + 4 Okt f5 8279,1 Hz -29,7 cent + 5Okt f6 10 688,2 Hz -413,1 cent + 5 Okt Theoretical (p = .7) f1 261,9 Hz f2 1030,9 Hz -27,9 cent + 2 Ok t f3 2808,2 Hz 5072,0 cent + 3 Okt f4 5644,4 Hz 3515,7 cent + 4 Okt f5 8245,5 Hz -28,2 cent + 5 Okt f6 10 691,6 Hz 421,6 cent + 5 Okt Theoretical (p = .4) f1 259,6 Hz f2 997,6 Hz -69,3 cent + 2 Okt f3 2648,0 Hz 420,0 cent + 3 Okt f4 5368,9 Hz 444,3 cent + 4 Okt f5 8143,1 Hz -34,5 cent + 5 Okt f6 10 712,2 Hz -4140,2 cent + 5 Okt Tabla II. Measured and calculated eigenvalues of a OrffXylophone beam of length 31 cm. It can be seen, that for all curvatures p = 1, p = .7 and p = .4, there is one mode missing compared to the measured values. This may be caused by a mixed mode of longitudinal and transversal bending. All of the values exept for the fundamental frequency exist just within the first 40 ms after the struck. (experimental) with no clear connection. There seems to be a combination mode along and perpendicular to the beam length, which causes a new eigenvalue. In theory, the beam was assumed just as beam, not as plate which has combined modes. The phase-space in figure 4 shows the time evolution of the xylophone. The fractal correlation dimension is C=2.5 in the first 25ms. Then it decreases to 1 < C < 2. The low value for the initian is explained due to three partials beeing in harmonic relations as mentioned above. A harmonic overtone structure has the Dimension C=1, so here at least 1 more overtone is present in the sound. The second reason here is that the beam was struck as soft as possible. But even then a dimension of C=1 for the initian can not be reached. Fig. 4. Discrete pseudo-phase-plots of a palisander Orffxylophon. Time step50ms. Like in the case of the zimbel, the first 25ms have C=2.5, which is not so much, because the strike was as smooth as possible. But even then there are at least 4 overtones above the threshold, because the xylophon has three harmonic partials, which would rise to a dimension of D=1. But the higher partials die out quickly for only the time interval 25ms < t < 50ms has a dimension of C=1.5. This can clearly be seen by the nearly perfect circle in the second picture of this figure. Also the overall amplitude of the sound decrease quickly. Because of a high sampling frequency of 96kHz, it was possible to calculate a dimension within only 25ms istead of the usual limit of 50ms. The churchbell sounds for a long time. Figure 5 shows the phase-plot evolution. There seems to be no fundamental change through time, which is also expressed in the correlation dimension value of C≈3.5 throughout the 400ms. A churchbell also has a kind of tuned overtone structure with octaves and normally Churchbell After the results for small instruments, here the xylophone and the handbell zimbel, two large vibrating systems, a churchbell and a gamelan gong gede are examined. 58 Fig. 5. Discrete pseudo-phase-plots of a church-bell. Time step: 50ms, last plot up to 400ms. The fractal dimension of C = 3.5 does not change during the sound. Church bells continue their sound long after initian. Because of the finite number of points in a sampled sound interval, it hardly possible to calculate fractal correlation dimensions for time Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Rolf Bader 19 a minor third [minor-third bell see Rossing 2001]. So this value of 3.5 means at least two strong additional overtones added to the harmonic structure. As a characterization of a churchbell it is said, that the initial struck is bright and first the prime tone is heared as a fundamental. But after a while the so called hum tone, which is an octave beneath the fundamental is accepted as the fundamental, because the higher modes died out. But this lasts more then 400ms. So here it can be seen, that compared to the smaller instruments, the compexity of a church bell stays on, as expected. The initial burst of inharmonic high components in a Wavelet-Transform is was found, that this special sound actually do not have an initial struck, the partials are just starting, which itself is heard as a struck. But the sound itself is percieved still as a normal church bell sound. Javenese gong «Gong gede» The last example is that of a javanese gong gede with a diameter of d ≈ 80cm. It is the only instrument we observed which has a correlation dimension value for the initian C < 2, which means there are no large inharmonic overtones or any other chaotic behaviour. figure 6 shows the time evolution in phase-space. The pictures show a clear circle which is getting larger and smaller. This is due to the so called ‘ombak’. The Fig. 6. Discrete pseudo-phase-plotts of a Gamelan Gong Gede. Time step: 50ms, last plot 400ms. The Gong has a strong fundamental frequency and so is one of the few examples, of a correlation dimension of C = 1.3 throughout the initian (a sine tone would have a circle in the phase plot, which is also the case here). The beakdown of amplitude towards picture 7 of this series and again an increase in picture 8 shows the so called ‘ombak’ of this Gong. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 diameters of the gong are not exact equal. So for each diameter there are different mode frequencies, which vary only a bit. The result is an amplitude oscillation, a beat, which is a quality criterion for that gong. But of course this does not change the dimension. It could only do so, if a very large time window would be used for calculation. The listener hears a very low sound with the ombak and without a certain initian just due to the fact, that the sound starts. But in musicology not only the pure sounds have to be analysed. There is also a need of an interpretation in terms of what music means to people. Although a detailed discussion is beyond the scope of this paper, just a few ideas should be presented here. The hermeneutical interpretation of music is derived out of analogies between the structure found in the musical syntax or sound and the structures underlying non-musical terms. [For an analogy between the world view of cultures and 20 the music they use see e.g. Bar-Yosef 2001]. In terms of musical syntax a very widely known concept is that of tention and relaxation, of kinetic21and static energy in the musical flow [Kurth 1931]. A possible analogy in terms of an inharmonic overtone structure is the missing fusion of sounds. [A review of fusion as used by the phenomenology and gestalt22 psychology especially by Stumpf see Schneider 1997]. Fusion means, that in the case of a hamonic structure, the listener is not able to perceive the singel sinusodial components out of the sound. Fusion is a hole of individual components. But these components do not loose their individuality through fusion. Rather without these individualities, fusion would not exist. Inharmonic overtones are not fused. Every component is heard as a single one. The inharmonic structure can be refered to the hindu religios concept of many diversive parts existing next to each other, but without a need of a common rule, for a hindu does percieve god as the nature of all things in all things [which may be compared with Heideggers „Ding an sich“, which means existence 59 �Fractal correlation dimensions and discrete-pseudo-phase-plots of percussion instruments in relation to cultural world view 23 per se]. Just the pure existence is the common rule, not a special individual property. The Western thinking in contrast is hieracically. There is a search of common rules building up the structure, which are found in a common fraction of the sinusodial frequency values. The connection between the harmonic / inharmonic overtone structure and the world view is argued to be through the consious space being the same in both cases. If we hear an inharmonic sound, the conscious space, in which we are in that moment, is one of diversive things existing next to each other without a common denominator. The same thing happens, if we imagine - or have to deal with - different diversive cultures, which are all at once in our consious field. The subjects are different - here overtones, there cultures - but in abstraction, it is the same experience we make. This can also be refered to by the fact, that all sensual information adapted by different senses all end to be activation potentals in the nervous brain system. This may be the cause of many spacious words - derived from vision - in terms of music (high / low pitches etc.). The cultural diversity is more abstract than that, but it may be the same phaenomenon on a higher level. Of course we have to be carefull in this field, because analogies work in some places but can fail in other example. Hindu religion also have a hierarchy of gods and know hierarcical structures. But they also have the world view mentioned above and this can be refered to with the problem of inharmonic spectra. So like in statistical empirical work, just tendencies can be found. In the case of Bali, where I did some field work, the analogy is quite obvious and the hindu concept of accepting foreign ways of thinking is a major part of the incredible continuation of tradition in Bali. For each year there enter the same amount of tourists the island, than it has inhabitants. 60 CONCLUSION There is a try with western percussion instrument to create an harmonic overtone structure by verying the shape of the instruments. This try is not found in indonesian culture among others. The reason could be found in the different world views of these cultures. The hindu thinking of the only common feature of all things being the existence of these things is different from the western view of a hierarcical structure of nature, which is found in the cognitive fusion of harmonic partials in just one not seperatable sound sensation. Also a special behaviour is found with the percussion instruments discussed here compared to non-percussion instruments. Normally non-percussion instruments (as discussed in the introduction of this paper) are not able to start without a kind of chaotic behaviour or a strong complexity. But with one of the here analysed percussion instruments - the Gong Gede - there actually is no such chaos within the initial transient. This is unusual and may be caused by the hugh weight of such a big instrument as a gong, for also the churchbell does not change its correlation dimension value through time. As expected, larger percussion instruments keep their complexity for a much longer time. So their initian - if one should say so - is very long. On the other hand, small percussion instruments have such a short initian, that it is beyond the second integration time of the ear and can just be perceived as a whole. They have a real initian like non-percussion instruments - the violin or the saxophone as discussed in the introduction. Short after the inition, the fractal correlation dimension decreases to 1 < C < 2, so just one strong sinusodial partial is left behind (or only the harmonic overtone structure, when talking in terms of non-percussion instruments). These findings like everything in experimental data in music are just tendencies. There may - and there will - be found exeptions. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Rolf Bader REFERENCES 1. Reuter, Christoph: Der Einschwingvorgang nichtperkussiver Musikinstrumente. Frankfurt a.M. 1995. 2. Grey, J.M.: Multidimensional perceptual scaling of musical timbres. In: JASA, 61/ 5, 1977, S. 1270-1277. 3. 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World Scientific 2002. p. 365-374. 19. Rossing, Th.D.: Science of Percussion Instruments. Singapore 2001. 9. Luce, D. & Clark, M.: Durations of attack transients of nonpercussive orchestral instruments. In: Jour. of the Audio Engineering Society 13, S. 194-199, 1965. 20. Bar-Yosef, A.: Musical Time Organization and Space Concept: A Model of Cross-Cultural Analogy. In: Ethnomusicology, 45,3, 2001, p. 423-442. 10. Güth,W.: Einführung in die Akustik der Streichinstrumente. Stuttgart 1995. 22. Schneider, A.: „Verschmelzung“, Tonal Fusion, and Consonance: Carl Stumpf Revisited. In: Music, Gestalt, and Computing. Leman, M. (ed.) Berlin 1997, p.117-143. 11. Bader, R.: Correlation dimensions of initial transients of musical instruments. Submitted to Akustica. 2001a. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 21. Kurth, E.: Musikpsychologie. Berlin 1931. 23. Heidegger, M: Sein und Zeit, 6. Aufl. 1949. 61 �Reconocimientos y eventos I. PAICYT II. PROVERICYT-UANL En el marco del Programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL obtuvo la aprobación y apoyo económico para la realización de los siguientes proyectos. El Programa Verano de la Investigación Científica y Tecnología, que por cuarta ocasión organiza la UANL, se realizó durante Julio y Agosto de 2002, con el fin de sembrar entre los mejores estudiantes de preparatorias y facultades el gusto por la investigación y el desarrollo. • • • • • • • • • • • • • • • • 62 Modelos linealizados para optimización de controles en redes eléctricas: Potencia Real Angulo Nodal y Potencia Reactiva-Voltaje. Dr. Salvador Acha Daza. Estudio de la falta de detectabilidad de fallas de los métodos de diagnóstico basados en observadores. Dr. Efraín Alcorta García. Clasificación de fallas y oscilaciones de potencia mediante mecanismos de vectores soporte. Dr. Oscar Leonel Chacón Mondragón. Métodos heurísticos para la optimización de redes de gasoductos. Dr. Roger Z. Ríos Mercado. Análisis de la similitud entre la agregación iterativa y los métodos de puntos interiores. Dr. Igor S. Litvintchev. Fenómenos viscoelásticos en polímeros. Dr. Carlos A. Guerrero Salazar. Fenómenos de cristalización en materiales. Morfología y cristalización dinámica. Dr. Virgilio A. González González. Simulación por elemento finito de procesos de manufactura. Dra. Martha Patricia Guerrero Mata. Control de un servomecanismo hidráulico. Dr. René Galindo Orozco. Desarrollo del prototipo para un refractario de CaZrO3. Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez Diseño de controladores para sistemas multimáquinas. Dr. Jesús de León Morales. Recristalización anisotérmica. Dr. Ubaldo Ortiz Méndez. Sinterización de compuestos niquel-manganeso mediante microondas. Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Diseño robusto de red multiproducto con capacidad en las aristas. Dra. Ada M. Álvarez Socarrás. Control de sistemas mecánicos no regulares. Estudio de sistemas con juego dinámico. Dr. Marco T. Mata Jiménez. Sistema interactivo de investigación en microscopía a través de Internet. MC. Alfonso Molina Rodríguez Algunos de los estudiantes participantes en el Verano de la Ciencia 2002 en la FIME-UANL. En esta ocasión la FIME fue el anfitrión de 31 estudiantes quienes se involucraron en investigaciones en las áreas de: materiales, potencia eléctrica, sistemas y control, bajo la asesoría directa de los siguientes investigadores de la FIME Dr. Alan Gpe. Castillo Rodríguez Dr. Carlos A. Guerrero Salazar Dr. Efraín Alcorta García Dr. Igor S. Litvintchev Dr. Jesús de León Morales Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Dr. Oscar L. Chacón Mondragón Dr. René Galindo Orozco Dr. Roger Z. Ríos Mendoza Dr. Salvador Acha Daza Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Reconocimientos y eventos Dr. Virgilio González González Dra. Ada M. Álvarez Socarrás Dra. Martha Patricia Guerrero M. M.C. Alfonso Molina Rodríguez III. 5o.ANIVERSARIO REVISTA CiENCiA UANL El pasado 5 de Agosto de 2002, en el auditorio de la Biblioteca «Raúl Rangel Frías» de la UANL, con motivo de la celebración del V aniversario de la revista CiENCiA UANL, órgano de divulgación científica y tecnológica de la UANL, se efectuó una ceremonia de reconocimiento a los fundadores y colaboradores de la misma. De la FIME-UANL recibieron reconocimientos el Ing. Fernando Javier Elizondo Garza, editor fundador, y el Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, miembro fundador del consejo editorial. Los premios a las Mejores Tesis UANL 2001 fueron entregados por el rector de la UANL, el Dr. Luis Galán Wong, quien exhorta a los estudiantes y directores de facultades a promover la realización de tesis como medio de titulación a nivel licenciatura. zaron la tesis, a sus asesores y a los directores de la facultad a la que pertenecen los tesistas. En esta ocasión la FIME obtuvo los premios: «Mejor Tesis de Licenciatura en el área de Ciencias Exactas» con el trabajo “Fractografía y Fractometría del vidrio” desarrollado por el Ing. Leonardo Chávez Guerrero con la asesoría del Dr. Moisés Hinojosa Rivera, y «Mejor Tesis de Maestría en la categoría de Ingeniería y Tecnología» con el trabajo “Influencia de la alúmina como absorbedor de microondas en la reacción de formación de espinel alúmina-magnesia” desarrollada por el Ing. Zarel Valdez bajo la supervisión del Dr. Juan Aguilar Garib. Año 1998. Algunos de los participantes en la ceremonia de fundación de la revista CiENCiAUANL. PREMIO A LA MEJOR TESIS UANL 2001. El día 3 de septiembre de 2002 en la biblioteca Alfonsina se llevó a cabo la premiación a las mejores tesis de licenciatura y maestría realizadas por alumnos de la Universidad Autónoma de Nuevo León. El reconocimiento se otorgó a los estudiantes que reali- Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Galardonados con el premio a Mejor Tesis UANL 2001. Dr. Juan A. Aguilar G. (asesor), Ing. Zarel Valdez (tesista), MAC Rogelio Garza (Director de la FIME-UANL), Ing. Leonardo Chávez G. (tesista) y Dr. Moisés Hinojosa (asesor). 63 �Reconocimientos y eventos V. RECONOCIMIENTO A PROGRAMAS DE POSGRADO DE LA FIME-UANL Investigadores de la FIME presentaron en el congreso 11 trabajos los cuales se listan a continuación: Tras haber sido sometidos a evaluación por parte del CONACYT, los programas de «Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales» y de «Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Potencia y Control» fueron ubicados en el Padrón Nacional de Posgrado en la categoría de «Alto Nivel». Lo anterior implica que los alumnos de tiempo completo de dichos programas podrán seguir contando con becas otorgadas por el CONACYT. • AFM study of multiwalled carbon nanotubes obtained by µW heating. O. V. Kharissova, C. Robledo J., M. Hinojosa R. FCFM y FIME, UANL. • Electrical conductivity of MgAl2O4 with iron additions during sinterizing by microwave heating. E. Zavala, O. V. Kharissova, J. A. Aguilar G., R. Morones, U. Ortiz M. FCFM y FIME, UANL. • Finite element simulation of the forming process of seamless elbows. E. Salas, M. P. Guerrero M., R. Colás, P. Fodor, FIME-UANL. • Growth of carbon nanotubes by microwave heating. O. V. Kharissova, A. Hernández C., J. A. Aguilar, U. Ortiz M. FCFM y FIME, UANL. VI. XI INTERNATIONAL MATERIALS RESEARCH CONGRESS, CANCUN, QR, MX. En la semana del 25 al 29 de Agosto de 2002 se celebró en la Ciudad de Cancún, Q.R., el XI Congreso Internacional de Investigación en Materiales organizado por la Academia Mexicana de Ciencia de Materiales A.C. El congreso consistió de veintiún simposia sobre campos del conocimiento como Procesamiento de cerámicos, ingeniería de superficies y nanotecnología, entre otros. La participación de la FIME-UANL incluyó además la organización del Simposium «Advanced Materials: Ceramics Processing» a cargo de Juan A. Aguilar Garib y Guadalupe Alan Castillo Rodríguez. Algunos participantes del Simposium: Advanced Materials: Ceramics Processing. Mohamed Abatal (izq.) del Intituto de Materiales UNAM, Eulalio Contreras, Guadalupe A. Castillo, Juan A. Aguilar y Edén Rodríguez de la FIME. 64 • On the influence of hercynite in an innovative refractory phases combination based on MgO-CaZrO 3 in presence of alkalis at high temperature. J.E. Contreras, G. A. Castillo, E.A. Rodríguez. FIME-UANL. • On the influence of spinel (MgAl2O4) in an innovative refractory phases combination based on MgO-CaZrO3 in presence of alkalis at high temperature E. A. Rodríguez, G. A. Castillo, J. E. Contreras. FIME-UANL. • Processing of Ni0.60Fe0.82Mn1.57O4 with microwaves. J. Aguilar G., S. Guillemet, Z. Valdez, F. Garza. FIME-UANL, Université Paul Sabatier, Laboratoire de Chimie des Materiaux Inorganiques et Energétiques, France. • Properties of Galvannealed HSLA Steels. J. L. Fuentes-Rabiella, M. P. Guerrero M., R. Colás, R. Garza. FIMEUANL. • Self-affine fractography of aluminum: three directional analysis. E. I. Morales, N. Mohamed, M. Hinojosa R. FIME-UANL • Self-affine properties of fracture surfaces of opal glass. L. Chávez, M. Hinojosa R., V. González G., U. Ortiz M. FIME-UANL. • Synthesis of MgAl2O4 at low temperature with CaCO3 additions J. Aguilar G., A. Arato, M. Hinojosa R., U. Ortiz M. FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Reconocimientos y eventos VII. CONGRESO CONJUNTO DE INGENIERIA MECANICA, MONTERREY, NL., MX. Durante los días 4, 5 y 6 de Septiembre de 2002 se llevó a cabo el 1er. Gran Congreso de Ingeniería teniendo como temática los «Retos de la ingeniería mecánica en el contexto nacional». Este histórico encuentro fue el producto del trabajo conjunto de tres asociaciones: la AMIME (Asociación Mexicana de Ingenieros Mecánicos y Electricistas, A.C.), la SOMIM (Sociedad Mexicana de Ingeniería, México) y la AI (Academia de Ingeniería-México). Más de trescientos asistentes se dieron cita a los diferentes talleres, cursos, conferencias magistrales y sesiones técnicas, además de una exposición industrial y un concurso de diseño rápido. El evento se llevó a cabo en la Biblioteca Magna Universitaria «Raúl Rangel Frías», con excepción del concurso de diseño y algunos cursos, que se efectuaron en las instalaciones de la FIME. El M.E.C. Rogelio Garza Rivera durante su participación en el panel sobre acreditación de los programas de ingeniería mecánica en México, el cual fue moderado por el M.C. José A. González, Secretario General de la UANL. Destacó el panel sobre la «Acreditación de los Programas de Ingeniería Mecánica en México», moderado por el M.C. José A. González Treviño y donde participó como panelista el Director de la FIME, M.E.C. Rogelio Garza Rivera. Entre los catedráticos de la FIME que participaron como ponentes estuvieron el Dr. Rafael Colás, la Dra. Patricia Zambrano, el M.C. Eugenio López, el Dr. Marco T. Mata, entre otros. También participaron distinguidos catedráticos como moderadores y presidentes de sesión. Directivos de la AMIME, de la SOMIM, de la AI y de la UANL en el presidium durante la ceremonia de inauguración de las actividades del congreso conjunto «Retos de la Ingeniería Mecánica en el contexto nacional» realizada en el auditorio de la Biblioteca Magna de la UANL. Inauguración de la exposición del Congreso Conjunto de Ingeniería Mecánica. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 El módulo de la FIME-UANL en el área de exibición durante el Congreso Conjunto de Ingeniería Mecánica. 65 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Abril-Agosto 2002 Guadalupe A. Castillo Rodríguez* Gustavo Moreno Carreón, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Diseño de la metodología para transferir un componente de una empresa a un proveedor” 8 de Abril de 2002. Sergio Arrieta tamez, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Ubicación óptima de bancos de capacitores en sistemas de potencia”, 10 de Abril de 2002. Juan Carlos Contreras Hernández, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Diseño Mecánico, “Rediseño de eslabones en el mecanismo de abrir y cerrar moldes de la máquina formadora de envases de vidrio”,11 de Abril de 2002. Celia Iveth García Cervantes, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “El proceso de la administración de recursos humanos”, 12 de Abril de 2002. Alberto Eustacio Ibarra Ramírez, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Estudio para desarrollar una metodología para la caracterización del sitio contaminado por derrame de hidrocarburo”, 17 de Abril de 2002. José Clemente Cano Cantú, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Administración de la producción empresa «Carolay»”, 17 de Abril de 2002. Demetrio García Salinas, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Elaboración básica de los procesos a nivel 6 sigma”, 17 de Abril de 2002. Guillermina Garibay Martínez, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “Factores que intervienen en el desarrollo de sistemas de información aplicaciones en el área de control de accesos de una empresa”, 17 de Abril de 2002. José Arturo Garza Reyes, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Ingeniería de la manufactura aplicada a nuevos productos”, 18 de Abril de 2002. Ricardo Daniel Mendoza Valadez, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Desa- 66 rrollo de un sistema de control integral de procesos”, 24 de Abril de 2002. Antonio Cayetano Lozano García, M.C. Ingeniería, especialidad Telecomunicaciones, “Sistemas de programación y diseño de antenas enfocados al análisis de enlaces de comunicación”, 25 de Abril de 2002. Ninfa Chávez Hernández, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “Universidad virtual como apoyo a la educación”, 29 de Abril de 2002. Sergio Gerardo García Lozano, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Herramientas computacionales para planeación de la demanda”, 29 de Abril de 2002. Raúl de Jesús García Lozano, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Creación y desarrollo de un departamento hipotecario en una institucion financiera”, 29 de Abril de 2002. Alberto Martínez Mares, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Análisis y estudio de líneas de transmisión en C. A. Desbalanceadas”, 2 de Mayo de 2002. Ernesto Sanmiguel Garza, M.C. Ingeniería, especialidad Potencia, “Coordinación de protecciones en sistemas eléctricos en Industria del Álcali S. A. C. V.”, 7 de Mayo de 2002. Virginia Yolanda Gallegos Oviedo, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “La aplicación de los sistemas de información como herramienta que genera ventaja competitiva en la planeación estratégica y financiera de una organización del ramo cervecero”, 9 de Mayo de 2002. Rosa María Torres Luévano, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Térmica y Fluidos, “Envejecimiento artificial para el Ba O. Ti O2, utilizado como elemento dieléctrico en un capacitor”, 10 de Mayo de 2002. José Izquierdo Franco, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Estudio de flujos de potencia * Sub-Director de Postgrado de la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Guadalupe A. Castillo Rodríguez y análisis de fallas en sistemas eléctricos de distribución radial”, 13 de Mayo de 2002. Jorge de la Rosa Fernández, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia “Diseño de instalaciones eléctricas”, 24 de Mayo de 2002. María de Lourdes Espino Zúñiga, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Estudio termodinámico de la formación de dioxinas (pcdd/es) en la etapa de sinterización del proceso hy-recovery”, 23 de Mayo de 2002. Reynol Leal Vera, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Actualización del bono de productividad de una empresa metal-mecánica”, 27 de Mayo de 2002. José Candelario Gutiérrez Rodríguez, M.C. Ingeniería Manufactura, especialidad Diseños de Productos, “Análisis y solución a la problemática del ensamble mecánico del núcleo y la bobina en planta fabricante de transformadores de tipo industrial inversos en aceite”, 30 de Mayo de 2002. Roberto Carlos Garcés Rodríguez, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Evaluación de la corrosión atmosférica acero expuesto en diversas atmósferas”, 10 de Junio de 2002. Fernando Martínez Contreras, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Propiedades mecánicas en aceros de bajo carbono laminados en frío”, 13 de Junio de 2002. Edgardo Manuel Cruz Garza, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Redistribución de instalaciones en planta”, 18 de Junio de 2002. Erik Tarango Blanco, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Detección e identificación de errores topológicos mediante una técnica de estimación de estado generalizado”, 28 de Junio de 2002. Marco Antonio Ramos González, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad “Estudio para Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 aumentar la productividad y reducir el costo de material en proceso en una línea de producción aplicando técnicas y conceptos de calidad”, 13 de Julio de 2002. Adriana Guadalupe González Guerra, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Estrategias para el desarrollo exitoso de una empresa de fiestas infantiles”, 9 de Julio de 2002. Rogelio Francisco Salas Garza, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Teoría y análisis del desarrollo económico de México desde el siglo XX a inicios de un nuevo milenio”, 11 de Julio de 2002. Francisco Javier Lazalde Núñez, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Administración: función básica en las empresas”, 11 de Julio de 2002. Artemio González Ramírez, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Capacitación hacia una mejora continua en el proceso de ensamble de termostatos”, 15 de Julio de 2002. Francisco Agustín Vázquez Esquivel, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Control de velocidad de tensión en un interpretador de radiografías” 26 de Julio de 2002. Claudia García Ancira, M.C. Administración especialidad Producción y Calidad, “Manual de implementación del ISO 9000 para la división de energy jar perteneciente al grupo jar”, 30 de Julio de 2002. Jorge Manuel Quiroga Míreles, M.C Administración, especialidad Producción en Calidad, “Planeación, administración y control de los inventarios en forja Monterrey S. A. de C. V.”, 12 de Agosto de 2002. Juan Manuel Mendivil Ávila, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Diseño de controladores para una clase de sistemas no lineales, aplicación al motor a pasos de magneto permanente”, 19 de Agosto de 2002. 67 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME DR. CESAR ANTONIO JUÁREZ ALVARADO Fecha de examen: 7 de junio del 2002 Asesor: Dra. Patricia Rodríguez López. Resumen: La ingeniería civil y los materiales de construcción se han desarrollado considerablemente a partir de la segunda mitad del siglo XX. Sin embargo, los países pobres y en vías de desarrollo hacen grandes esfuerzos para desarrollar tecnologías que les permitan aprovechar sus vastos recursos naturales y generar sus propios materiales de construcción. Nació en Cd. Lerdo, Durango, el 7 de Octubre de 1968. Ingeniero Civil por la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL (1986-1991), obteniendo el título profesional con la tesis “Elaboración y análisis de las curvas I-D.Tr para el estado de Nuevo León”. Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias con Especialidad en Ingeniería Estructural en la misma Facultad, el 14 de Diciembre de 1998, defendiendo la tesis “Estudio analítico de los efectos causados por el aislamiento de las vibraciones en cimentaciones para maquinaria industrial”. Es Maestro por Asignatura en la Facultad de Ingeniería Civil impartiendo la clase de Concreto Reforzado desde 1993. Título obtenido: Doctor en Ingeniería de Materiales. Nombre de la tesis: Concretos base cemento portland reforzados con fibras naturales (Agave lechuguilla), como materiales para construcción en México. 68 La investigación desarrollada pretende dar alternativas de solución al problema de la falta de vivienda e infraestructura en las zonas ixtleras, las cuales representa el 10% del territorio nacional. Sus objetivos son: producir un material compuesto a partir de cemento portland reforzado con fibras naturales de lechuguilla, que posea resistencia, durabilidad y pueda ser usado para fabricar materiales de construcción baratos. Los principales resultados indicaron que la fibra de lechuguilla es resistente a la tensión, pero es severamente deteriorada por el medio alcalino del concreto. Sin embargo, si la fibra es protegida y la matriz es densificada con ceniza volante, el compuesto soporta aceptablemente la exposición a ambientes agresivos y a las variaciones de humedad y temperatura. Por otra parte, las fibras largas y en cantidades reducidas proporcionan incrementos en la resistencia a flexión y tensión del concreto. De esta forma resultó factible fabricar, con este material compuesto, elementos constructivos tales como: láminas acanaladas, prefabricados arquitectónicos y cimbras perdidas, que permitirán dar otra alternativa de desarrollo para las zonas más pobres de México. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Acuse de recibo Revista CIENCIAS TÉCNICAS AGROPECUARIAS Revista THE INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY Recibimos desde Cuba la revista «Ciencias Técnicas Agropecuarias», nueva epóca, editada por la Universidad Agraria de la Habana y su Centro de Mecanización Agropecuaria y coauspiciada por varias instituciones académicas cubanas, la cual aparece trimestralmente. La publicación The International Journal of Advanced Manufacturing Technology presenta de trabajos de investigación en el área de sistemas de manufactura, haciendo énfasis en la integración por computadora. Ofrece sin embargo, un contenido balanceado que cubre los diferentes aspectos de la manufactura, lo que permite mantenerse al día de los avances científicos y tecnológicos de este activo campo de la ingeniería. Esta publicación arbitrada, fundada en 1986, aborda los diferentes aspectos de las ciencias agropecuarias, dando un gran énfasis a la práctica ingenieril. Por ejemplo en el Vol. 10 No. 2 se incluyen los artículos: “Determinación del punto... de aplicación de vibraciones para el desprendimiento de frutos...”, “... diseño de sistemas híbridos eólico-fotovoltáicos para instalaciones agropecuarias...” y en el Vol. 10, No. 3 se discuten: el uso de GPS en agricultura y el efecto del tratamiento magnético del agua de riego en el ajo, entre otros artículos. Para más información y suscripciones puede contactarse a: Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, Apartado postal 18-19, San José de las Lajas, La Habana, Cuba, o por e-mail con el director de la revista a la dirección: paneque@main.isch.edu.cu (FJEG) En cada número se destina espacio para las técnicas de medición y tratamiento de datos, así como el diseño 3D para geometrías complejas.También se presentan trabajos relacionados con los sistemas de manufactura, técnicas de maquinado y sistemas inteligentes. El lector interesado en los aspectos de los materiales para la manufactura, encontrará temas tales cómo caracterización de materiales para herramienta, silicones, cerámicos, análisis de superficies, desgaste de herramientas, preparación de materiales, etc. La editorial Springer Verlag es ampliamente conocida, y es también una garantía de lectura de calidad. La revista se publica quincenalmente y su costo es de 36$ USD. Suscripciones y más información Email: orders@springer-ny.com (FELG) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 69 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Profesor investigador del Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la UANL. Obtuvo su licenciatura y su maestría en el Instituto Tecnológico de Saltillo y el doctorado en Ingeniería de Materiales en la UANL. Realizó una estancia de investigación en el Centro para Recursos Energéticos y Ambientales de la Universidad de Texas en Austin. Es miembro del SNI nivel I. Alcocer González, Juan Manuel Químico bacteriólogico y parasitólogo, egresado de la Facultad de Ciencias Biológicas. Tiene maestría en inmunobiología y doctorado en microbiología. Actualmente es profesor del Laboratorio de Inmunología y Virología de la Facultad de Ciencias Biológicas de la UANL. Sus investigaciónes recientes son sobre el desarrollo de vacunas para cáncer y enfermedades infecciosas basadas en plásmidos, adenovirus y bacterias lácticas recombinantes. Ha obtenido premios de investigación, otorgados por el Instituto Nacional de Salud Pública y la compañía farmacéutica Roche-Syntex y Glaxo-Wellcome. Bader, Rolf Nacido en 1969, es músico y musicólogo. Estudió musicología sistemática e histórica, etnología y física en Hamburgo, Alemania, donde trabaja en el Musikwissenschaftliches Institut como maestro e investigador. Es Magister Artium y su doctorado lo obtuvo en el campo de la acústica física en el 2002. Su campo de interés es la música, específicamente en los aspectos etnológicos, sociológicos, estéticos y de composición. Como guitarrista compone y hace presentaciones y está familiarizado con un amplio rango de estilos desde rock hasta jazz, desde clásico hasta improvisación. Castillo Rodríguez, Guadalupe Alan En 1989 obtuvo su título de Ingeniero Mecánico Electricista en la FIME-UANL. En 1992 obtuvo el Grado de Maestro en Ciencias de la Ingeniería de Materia- 70 les, y en 1997 obtuvo su Grado de Doctor en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Trabajó 2 años como investigador en el Instituto de Materiales Cerámicos en la TU Clausthal en Alemania. De 1997 a 1999 trabajó como investigador en el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico Peñoles. Desde 1999 es Profesor de Tiempo Completo en la FIMEUANL. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores. Actualmente es Subdirector de la División de Estudios de Postgrado de la FIME-UANL. Durán Herrera, Alejandro Ingeniero Civil y Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería Ambiental por la Facultad de Ingenieria Civil de la UANL. Doctorante en el Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. Actualmente es Profesor de Tecnología del Concreto en la FIC-UANL y labora en el Dpto. de Tecnología del Concreto del Instituto de Ingeniería Civil de la UANL. Fernández Zayas, José Luis Ingeniero Mecánico Electricista por la Facultad de Ingeniería de la UNAM, en 1970. Trabajó tres años en el diseño y construcción de equipo industrial y en 1975 obtuvo su Doctorado en Ingeniería Mecánica en la Universidad de Bristol. Ha sido profesor desde 1969 en la Facultad de Ingeniería de la UNAM. Desde 1975 es investigador del Instituto de Ingeniería. Con el apoyo de una centena de alumnos ha publicado más de cien artículos y ponencias internacionales y ha dirigido más de cincuenta tesis de licenciatura y posgrado. Actualmente se desempeña como Director General de Investigación y Desarrollo de Tecnología y Medio Ambiente de la Subsecretaría de Política Energética y Desarrollo Tecnológico en la Secretaría de Energía. Es Presidente de la Academia de Ingeniería-México. Garza Rivera, Rogelio Guillermo Ingeniero Mecánico Electricista por la FIME – UANL. Obtuvo la Maestría en la Enseñanza de las Ciencias, Ingenierías, Octubre-DIciembre 2002, Vol. V, No. 17 �Colaboradores con especialidad en Física, en la UANL. Diplomado en Didáctica de la Física. Actualmente es Director de la FIME. Guerrero Salazar, Carlos Alberto Es egresado de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL, donde también estudió la Maestría en Ciencias. Doctor en Ingeniería Química por la Ecole Politecnique de Canadá. Miembro del SNI nivel 1. Asesora a diferentes industrias de Monterrey en el área de plásticos y vidrio. Es Maestro de la FIME de la UANL. Ganador del Premio de Investigación UANL 1999 en el área de Ingeniería y Tecnología. González González, Virgilio A. Egresado de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Maestría en química orgánica y doctorado en ingeniería de materiales. Ha sido jefe del Departamento de Macromoléculas y del de Fisicoquímica en el Centro de Investigaciones en Química Aplicada de Saltillo, Coahuila. Es profesor de tiempo completo en la FIME. González Zambrano, Alfonso Ingeniero Mecánico Electricista por la FIME – UANL. Obtuvo la Maestría en Mecánica con especialidad en diseño mecánico en la UANL. Ha sido Jefe del Dpto. de Física y Coordinador de Ciencias Básicas de la FIME. Actualmente es catedrático de esta Facultad. López Cuéllar, Enrique Ingeniero Mecánico Electricista y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales por la FIME de la UANL. Doctor en Ingeniería de Materiales por el INSA de Lyon, Francia. Fue catedrático en la FIME y coordinador de proyectos de ahorro de energía en DIRAM. Martínez Alonso, Gabriel Master en Ciencias Físico Matemáticas graduado de la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2002, Vol. V, No. 17 Universidad de Moscú, en Rusia. Investigador en enseñanza de la Física, fundamentalmente en la impartición de los laboratorios docentes. Es catedrático de la FIME y profesor Titular de la Maestría en la Enseñanza de las Ciencias de la UANL. Miramontes Cárdenas, Luis Ernesto Licenciatura en Ingeniería Química, Escuela Nacional de Ciencias Químicas de la UNAM (19451949). Estudios de Posgrado en Química, Instituto de Química de la UNAM (1948-50) y (1954-1956). Curso de Economía en la Universidad de Fordham, New York, EEUU. de América (1969). Curso de Administración de la Investigación, Instituto Politécnico Nacional (1981). Tiene una amplia experiencia tanto en los ámbitos acádemicos como en los industriales. Es miembro de diferentes sociedades relacionadas con la química, ha publicado un gran número de artículos, cuenta con 26 patentes, ha asesorado un gran número de tesis y ha recibido más de 10 premios. Petrosky, Henry Es profesor de Ingeniería Civil y profesor de historia en la Universidad de DUKE desde 1980. Es también representante del Comité de Historia y valuarte de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE). Es un activo divulgador tanto en revistas como periódicos y entre sus libros se pueden mencionar: The Evolution of Useful Things, Engineers of Dreams Invention by Design,Remaking the World. Ha recibido gran número de distinciones, entre ellas medallas y premios de: ASME, ASCE, y de la Universidad de Illinois, Clarkson y Valparaiso. Villalobos Chapa, Salvador Alumno del 9° semestre de la carrera de Ingeniero Civil de la FIC-UANL. Miembro del American Concrete Institute. 71 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2002 Volumen Volumen de la revista 5 Número Número de la revista 17 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2002, Vol 5, No 17, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2002 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020780 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Aleaciones con memoria Crecimiento unidimensional Industria de esteroides Ingeniero civil Plásticos en las industrias https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20739/Ingenierias_2002_Vol_5_No_16_Julio-Septiembre.pdf 7845a0ba155fd71b1cf407f7a8b25d01 PDF Text Text ���Editorial LiderazgoS Óscar Leonel Chacón Mondragón* En cualquier proceso de cambio en el cual se ve involucrado un conjunto de personas, el despliegue de un liderazgo efectivo favorece el desarrollo del grupo y propicia oportunidades de crecimiento personal y profesional para cada uno de los elementos. El líder es el portador y artífice del liderazgo, coordina, usando su capacidad y experiencia, las acciones de los elementos de un grupo de tal manera que todos ellos coadyuven al logro del fin buscado. Así, el liderazgo se ejerce en espacio y tiempo pertinentes, conjugando lo mejor de cada uno de los integrantes, permitiéndoles innovaciones en sus actividades, alentando su disposición y elevando su autoestima. El liderazgo se comparte entre los miembros del grupo en tiempo y forma. En un contexto administrativo existe el así llamado líder o responsable formal del grupo, pero su caracterización como tal se restringe al aspecto organizacional solamente. El liderazgo en un sentido más amplio permitirá que cualquier miembro del grupo, el de mayor capacidad y experiencia, tome la posición de coordinador de actividades para una acción determinada. Un buen líder, en el contexto administrativo, compartirá la función de líder en las actividades específicas, pero no así la responsabilidad del buen funcionamiento del grupo. Un elemento importante en el ejercicio del liderazgo es el compartir la visión sobre el grupo y su actuación. Es importante que cada elemento participe en la discusión de la misión del conjunto y se genere el compromiso individual hacia éste. Es una realidad que el intento de controlar al individuo en base a * División de Postgrado en Ingeniería de Sistemas, FIME-UANL. E-mail: ochacon@uanl.mx Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 3 �LiderazgoS normas o reglas establecidas por la visión de un solo elemento produce el efecto contrario: el desorden, el caos. La generación de una visión de grupo compartida produce su propio orden y un medio donde existe gran confianza. Esta actividad se transforma en un hábito deseable para la toma de decisiones y permite que todos y cada uno de los elementos se conviertan en partes que contribuyen a un todo más grande: se pueden construir legados superiores actuando juntos. Un buen líder no sólo promueve la claridad en los objetivos y metas por alcanzar, promueve además la evaluación de las actividades realizadas y los logros obtenidos. El líder fortalece el ambiente de confianza al vigilar el cumplimiento de los objetivos y las metas establecidas en conjunto, mediante un proceso de evaluación de las actividades realizadas que incluya tanto reconocimiento de los logros como acciones correctivas, en el caso necesario. Por su desempeño, siempre un buen líder avanza en su desarrollo profesional con el reconocimiento del trabajo realizado; sin embargo, el reconocimiento debe extenderse a todos los otros miembros: la realidad es que es el trabajo del conjunto el que recibe el reconocimiento y es un buen líder aquel que logra que esto suceda. 4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Una introducción a las aleaciones con memoria de forma Parte I Enrique López Cuéllar* ABSTRACT Shape Memory Alloys (SMA) present a very different behavior from usual materials. These metallic alloys have the remarkable property for recuperate its original shape by simple heating after being «plastically» deformed. Other properties such as superelastic effect, rubber-like effect and a high damping capacity are exhibited in these alloys. For these reasons, SMAs are considered in the new generation materials, as «smart» materials. However they are not well known to the engineering public. The aim of this paper is to give to the engineering public an introduction about the mechanism related to the shape memory alloys and their different thermomechanical properties. This paper will be also the beginning of a paper series related to a study of the shape memory alloy Ti-Ni-Cu that will be published in this literary review. Keywords: memoria de forma, transformación martensítica, martensita termoelástica, variantes martensíticas, fenómeno de autoacomodamiento. INTRODUCCIÓN Las aleaciones con memoria de forma (AMF) presentan un comportamiento completamente distinto al de los materiales usuales. Por ejemplo, mientras que se considera que la gran mayoría de los metales comienzan a deformarse plásticamente a partir de un 0.2 % de elongación cuando son sometidos a un ensayo de tensión, las aleaciones con memoria de forma policristalinas pueden ser deformadas hasta un 5 % sin llegar a su plasticidad. Podemos decir que una aleación metálica posee memoria de forma si después de una deformación permanente a baja temperatura, esta recupera su forma inicial con un simple calentamiento,1 como lo indica la figura 1. El efecto de memoria de forma esta ligado a una transformación martensítica displasiva, que se produce entre una Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 Fig. 1. Esquema representativo del efecto memoria de forma en el modo de flexión. temperatura baja a la cual el material es deformado y una temperatura alta a la cual el material recupera su forma inicial. Otras de las propiedades encontradas en este tipo de aleaciones son el efecto superelástico, el efecto cauchótico y una capacidad elevada de amortiguamiento. Por estas razones las AMF están consideradas dentro de una nueva clase de materiales: los materiales inteligentes. Existe un gran número de sistemas de aleación susceptibles de presentar el efecto de memoria de forma: Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Zn-X (X = Si, Sn, Al, Ga), Cu-Al, Cu-Al-Ni, Cu-Sn, Ni-Al, Ti-Ni, Ti-Ni-X (X = Al, Fe, Cu, Pd, Zr, Hf, etc), Fe-Pt, Fe-Mn-Si, etc. Sin embargo, las más utilizadas son las de la familia TiNi y las de base Cu, siendo las de la familia Ti-Ni las que presentan mayores ventajas como mejores propiedades mecánicas, mejor resistencia a la corrosión o su biocompatibilidad. Sus aplicaciones incluyen activadores eléctricos y térmicos, aparatos médicos, motores, procesos de soldadura especiales, etc. * Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL. E-mail: enlopez_73@yahoo.com 5 �Una introducción a las aleaciones con memoria de forma. Parte I Al principio el término martensita designaba solamente al producto del temple en el acero, su nombre se debe al metalurgista Adolf Martens. Más tarde se mostrará que la martensita es el resultado de una transformación de la red cristalográfica de los átomos de hierro que tiene lugar sin difusión atómica.2 Este artículo estará concentrado en los fenómenos ligados a las aleaciones con memoria de forma, sin embargo la nomenclatura utilizada será la misma que la de los aceros, es decir, la fase a baja temperatura será llamada martensita y la de alta temperatura será llamada austenita. DEFINICIÓN En el estado sólido, los cambios de fase pueden ser de dos tipos: con o sin difusión. La transformación martensítica se produce en ausencia de difusión atómica y se caracteriza esencialmente por un cizallamiento homogéneo de la red. Esto implica que el movimiento de los átomos no se da en distancias relativamente grandes y que tanto la fase inicial como el producto de la transformación tienen la misma composición química. Las transformaciones por cizallamiento se propagan generalmente de manera independiente del tiempo, por un movimiento de la frontera que separa a ambas fases. Como en general en este tipo de transformaciones, la cantidad de la nueva fase depende solamente del nivel de la temperatura y no del tiempo en el que se mantuvo a esta temperatura, son llamadas transformaciones atérmicas. Durante la transformación martensítica, la martensita aparece en forma de plaquetas con diferentes orientaciones bien definidas en el seno de la matriz de austenita, en lugares repartidos al azar. Una muestra pulida en la fase austenítica, y que después es enfriada hasta la fase martensítica va a presentar una superficie deformada que puede ser observada a la escala del microscopio óptico. Esta deformación se debe al cizallamiento de las diferentes plaquetas de 6 martensita. La figura 2 representa esquemáticamente una plaqueta de martensita que se forma a partir de un monocristal de austenita y muestra que una raya trazada sobre la superficie en fase austenítica sufre un cizallamiento después de la aparición de la martensita.3 Durante el intervalo de temperatura de la transformación, existe la coexistencia de ambas fases. La interfase entre la plaqueta de martensita y el cristal de austenita es llamada plano de «coexistencia» y se trata de un plano bien definido cristalográficamente. El cizallamiento se produce en una dirección paralela a este plano y esta interfase o plano de «coexistencia» se mueve con facilidad. El crecimiento de las plaquetas de martensita se produce por el desplazamiento de estas interfases. Fig. 2. Aspecto macroscópico esquemático de una plaqueta de martensita en un monocristal de fase austenítica. La transformación martensítica en este trabajo será definida como «una transformación de fase sin difusión atómica, engendrada por nucleación y crecimiento, caracterizada por una deformación homogénea de la red que consiste principalmente en un cizallamiento».4 MARTENSITA TERMOELÁSTICA La diferencia entre las martensitas termoelásticas y las no-termoelásticas radica en los mecanismos de crecimiento. Las plaquetas de martensita normalmente se crean en la fase austenítica mediante un enfriamien- Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Enrique López Cuéllar to. En el caso de los aceros como en la mayoría de las aleaciones base hierro, la transformación tiene muy a menudo un carácter explosivo y se acompaña de un cambio de volumen considerable, lo que crea una deformación plástica importante en la austenita. Tan pronto una plaqueta se forma hasta un cierto tamaño después de ser enfriada, ésta deja de crecer incluso si el enfriamiento continúa, la interfase entonces se ha hecho inmóvil. La transformación inversa no se produce por un movimiento de regreso de la interfase, sino por germinación de la austenita en el seno de las plaquetas de martensita. Finalmente la fase inicial (austenita) no recupera su orientación original. Por el contrario, en el caso de la martensita termoelástica, la transformación se produce mediante un crecimiento continuo de la fase martensítica durante el enfriamiento. Si el enfriamiento se detiene, la transformación y el crecimiento de las plaquetas se interrumpe también. Si el enfriamiento continúa de nuevo, el crecimiento de las plaquetas continuará. La transformación inversa durante el calentamiento, en son el origen del efecto de memoria de forma en numerosas aleaciones no-ferrosas. Tabla I. Descripción de los puntos de transformación. Punta de transformaci ón D escri pci ón MS Te mp e ra tura d e l i ni c i o d e la tra ns fo rma c i ó n d i re c ta (austeni ta→martensi ta) Mf Te m p e r a t u r a d e l f i n d e l a transformaci ón di recta M50 Te m p e r a t u r a a 5 0 % d e l a transformaci ón di recta AS Te mp e ra tura d e l i ni c i o d e la tr a ns fo r m a c i ó n i nve r s a (martensi ta→austeni ta) Af Te m p e r a t u r a d e l f i n d e l a transformaci ón i nversa A 50 Te m p e r a t u r a a 5 0 % d e l a transformaci ón i nversa Ht Hi sté re si s té rmi ca d e la transformaci ón ASPECTOS TERMODINÁMICOS DE LA TRANSFORMACIÓN Antes de entrar en detalle a los aspectos termodinámicos, es importante definir los puntos de transformación (temperaturas) y otros parámetros importantes de la misma. Estos se muestran en la figura 3 y se describen en la tabla I. Fig. 3. Curva de transformación martensítica en función de la temperatura. este caso sí se produce por el movimiento de regreso de la interfase y por consecuencia se recupera la orientación original.2 Las transformaciones termoelásticas involucran únicamente deformaciones elásticas que Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 La figura 4 presenta la energía libre de Gibbs en función de la temperatura. La transformación martensítica se produce cuando la energía libre de la martensita (Gm) es inferior a la de la austenita (Gb), es decir para las temperaturas inferiores a la temperatura crítica T0. A T0, la diferencia de energía libre DG m-b entre las dos fases es nula y el equilibrio termodinámico se establece como: 7 �Una introducción a las aleaciones con memoria de forma. Parte I Ecuación 1: ∆Gm − β = ∆Gm − ∆Gβ = 0 a T=T0 Una primera estimación de T0 puede ser dada por la ecuación 2. Ecuación 2: T0 = (M s + Af ) 2 Sin embargo, en la práctica la transformación martensítica comienza a una temperatura Ms, que es ligeramente inferior a T0. Este sub-enfriamiento es necesario a fin de superar los efectos ligados a contribuciones no químicas. Esta energía suplementaria se debe al acomodo elástico de los cambios de forma y de volumen así como a la presencia de algunas contri- temperatura inferior a Mf, la transformación inversa comenzará a la temperatura As y terminará a la temperatura Af (ver la figura 3). En la figura 3, las diferencias de temperaturas (MsMf) o (Af-As) son principalmente debidas a la energía elástica almacenada durante la transformación. Y las diferencias entre las temperaturas de principio y fin de la transformación (As-Mf y Af-Ms) se deben a la existencia de una cierta energía disipada, siendo la responsable de la histéresis de la transformación. De esta manera, los términos elásticos y disipativos (contribución irreversible) deben de ser considerados en la condición de equilibrio (ecuación 1). Si la transformación avanza por una sucesión de estados de equilibrio metaestables, el balance de energía para una transformación termoelástica es:5 Ecuación 3: dGtot = (Gm − Gβ ) dα + dGel dGdiss dα + dα dα dα Dónde a representa la fracción de la martensita (figura 3) Gel la energía de deformación elástica Gdiss la energía disipada por el sistema La condición de equilibrio representada por la Fig. 4. Energía libre de la fase austenita (Gb) y martensita (Gm) en función de la temperatura. buciones irreversibles. Estas contribuciones están normalmente asociadas a esfuerzos de cizallamiento necesarios para desplazar las interfaces, a cambios de energía ligados a la introducción de defectos provocados por la transformación y al acomodo parcial de deformaciones plásticas. La transformación martensítica se produce durante el enfriamiento hasta la temperatura Mf. Si el calentamiento comienza a una 8 Fig. 5. Representación de variantes de martensita autoacomodadas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Enrique López Cuéllar ecuación 3 separa las tres contribuciones de energía: el calor de transformación, la energía elástica almacenada en el material y el trabajo irreversible que se utiliza principalmente en el movimiento de las interfaces. Para obtener mayor información y profundizar sobre este tema, se puede consultar la literatura de Olson y Cohen6 o bien de Ortin y Planes.7-8 FENÓMENO DE AUTOACOMODAMIENTO Las transformaciones martensíticas poseen la propiedad particular de asociar un cambio de forma al cambio de estructura cristalina. Este fenómeno es provocado por una deformación creada por el cizallamiento a lo largo del plano de coexistencia. Durante el enfriamiento de un monocristal de austenita, se produce un cierto numero de dominios de martensita, teniendo cada uno de ellos diferentes índices de planos de coexistencia y de cizallamiento. Estos dominios martensíticos son llamados variantes. Las variantes son estrictamente de la misma estructura y difieren sólo en su orientación y planos de coexistencia. Durante la transformación estas variantes son equiprobables y sus deformaciones se compensan de tal manera que el cambio de forma es nulo. A esto se le conoce como el fenómeno de autoacomodamiento (figura 5).9-10 riante V1 se convierte en dominante cuando s es aplicado. Una deformación aparentemente plástica persiste. Si esta martensita deformada es calentada por encima de Af, el estado inicial austenítico es recuperado y por consecuencia la muestra vuelve a la forma inicial. Este fenómeno es llamado efecto memoria de forma.11 · Si el esfuerzo es aplicado sobre una muestra en fase austenítica, ligeramente arriba de la temperatura M s, puede provocarse la transformación martensítica. Sin embargo durante la transformación se observa la aparición preferencial de una o de un número limitado de variantes, que son las que se encuentran mejor orientadas para acomodarse y provocar así el cambio de forma.9 Esto se explica considerando que la transformación martensítica es análoga a un cizallamiento, en donde los esfuerzos externos actúan de ésta manera para favorecer la deformación. Ahora bien, desde un punto de vista termodinámico, este esfuerzo modifica el equilibrio por la adición de la energía mecánica a la energía libre que acompaña la transformación martensítica y permite a ésta llevarse a cabo. Esto significa que el esfuerzo hace aumentar la temperatura Ms. De esta forma la transformación se manifiesta a una temperatura Ms(s)>Ms. APLICACIÓN DE UN ESFUERZO La aplicación de un esfuerzo sobre una aleación con memoria de forma tiene diferentes consecuencia si el esfuerzo es aplicado en fase martensita o austenita: · Si el esfuerzo (s) es aplicado sobre una martensita autoacomodada (figura 6), algunas variantes serán favorecidas, produciendo una deformación en el sentido del esfuerzo. Esto en perjuicio de las variantes desfavorecidas. La muestra sufrirá entonces una deformación macroscópica importante (e), como lo muestra la figura 6. En este caso la va- Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 Fig. 6. Efecto de un esfuerzo (s) aplicado sobre una martensita auto-acomodada. 9 �Una introducción a las aleaciones con memoria de forma. Parte I RECAPITULACIÓN En este artículo se definió lo que es una aleación con memoria de forma, así como la martensita termoelástica. Se analizaron además algunos aspectos termodinámicos de la transformación martensítica y se explicó el fenómeno de autoacomodación. Por último se abordó el efecto de un esfuerzo sobre una martensita termoelástica autoacomodada. En la parte II de este artículo se analizarán las propiedades termomecánicas de las aleaciones con memoria de forma. Fig. 7. Representación esquemática del diagrama de fases esfuerzo-temperatura y los dominios existenciales de la superelasticidad y el efecto memoria de forma. Este comportamiento se ilustra en la figura 7. En este caso el esfuerzo actúa como una variable termodinámica y nos lleva a una relación de tipo ley de Clausius-Clayperon,5 y 7 entre el esfuerzo (s) y la temperatura de equilibrio T0. Esta ley está dada por la ecuación 4 y en general ha sido verificada experimentalmente con una buena aproximación para casi todas las aleaciones con memoria de forma. Ecuación 4: dσ ∆H A→M ⋅ ρ = dT0 T0 ⋅ε Dónde DHA® M es la entalpía de la transformación directa, e es la deformación macroscópica asociada a la transformación directa de una transformación total mediante un esfuerzo y r es la densidad. Sin embargo, si la temperatura es muy elevada, comienza a haber una competencia entre el proceso de la transformación martensítica y el de la introducción de la deformación plástica en la fase austenítica. A esta temperatura se le conoce como Md. Por arriba de ésta, la transformación martensítica no puede llevarse acabo.12 10 REFERENCIAS 1. Norme Francaise. Alliage à mémoire de forme (AMF) – Vocabulaire et mesures. NF A 51-080, 1991, 23p. 2. Van Humbeeck J. La transformation martensitique. Patoor, E., Berveiller. Technologie des alliages à mémoire de forme. Paris : Hermès, 1994. p. 63-87 ISBN 2-86601-426-X. 3. Guenin G. Contribution à l’étude de la nucléation des transformations martensitique thermoélastiques. Cas de l’alliage ternaire Cu-ZnAl. Thèse d’Etat, INSA de Lyon , Lyon I, 1979, 164p. 4. Cristian J. W., Olson G. B., Cohen M. Classification of displacive transformations : What is a martensitic transformation ?. Lausanne – Suisse, 1995. Journal de physique IV, colloque C8, supplément au Journal de Physique III, 1995, vol 5, p. 3-10. 5. Ortin J. Thermodynamics and kinetics of martensitic transformations. In proceedings of international conference on the martensitic transformation. Monterey, California, USA, 1992. P. 305-316. 6. Olson G. B., Cohen M. Thermoelastic behavior in martensitic transformations. Scripta Mettallurgica, 1975, vol. 9, p. 1247-1254. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Enrique López Cuéllar 7. Ortin J., Planes A. Thermodynamics analysis of thermal measurements in thermoelastic martensitic transformations. Acta metall., 1988, vol. 36, N° 8, p. 1873-1889 8. Ortin J., Planes A. Thermodynamics and hysteresis behavior of thermoelastic martensitic transformations. In proceedings of the European symposium on martensitic transformation and shape memory properties. Aussois – France 1991. Journal de physique IV, colloque C4, supplément au Journal de Physique III, 1991, vol 1, n° 11, p. 13-23. 9. Van Humbeeck J. Aspect microstructuraux : relations entre la transformation martensitique et les propriétés thermomécanqiues. Patoor, E., Berveiller. Technologie des alliages à mémoire de forme. Paris : Hermès, 1994. 89-101 p. ISBN 2-86601-426-X 10. Guenin G. Martensitic transformation phenomenology and the origin of Tow-Way Memory Effect. Phase Transitions, 1989, Vol. 14, p. 165-175. 11. López-Cuellar Enrique. Fatigue par cyclage thermique sous contrainte de fils à mémoire de forme Ti-Ni-Cu après différents traitements thermomécaniques. Thèse d’Etat, INSA de Lyon , Lyon I, 2002, 180p. 12. Berveiller M., Patoor E. Comportement thermomécanique des matériaux usuels et des alliages à mémoire de forme. Patoor, E., Berveiller. Technologie des alliages à mémoire de forme. Paris : Hermès, 1994. 43-59p. ISBN 2-86601-426-X. Information: Mexican Institute of Acoustics Sergio Beristáin -President E-mail: sberista@hotmail.com Fernando J. Elizondo Garza E-mail: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 11 �Evaluación de condiciones de maquinado por medio de emisiones infrarrojas F. Eugenio López G., Miguel A. Ruiz S., Lionel S. Méndez P.* ABSTRACT Requirements of high-quality standards have become essential in manufacturing technology. Thus, the conditions of the process must be related with the surface finish achieved. One of those conditions is the thermal energy generated during the machining process. This energy can be measured in terms of temperature increments and depends of the feed, depth of cut and tool cutting speed. As a complement for the series of experiments exposed in the preceding articles this work presents the theoretical fundamentals and experiments based in the effects of tool feed on the temperature behavior during the machining process. Keywords: thermal energy, cutting speed, tool feed. Fig. 1. Medidor de emisión infrarroja acoplado en la máquina-herramienta. INTRODUCCIÓN peratura se pueden inferir los límites de uso y vida útil de la herramienta de corte. En los procesos actuales de manufactura se requiere de acabados precisos, de características superficiales específicas y de tolerancias cada vez menores para las piezas maquinadas. Son varios los factores que intervienen en estos procesos que están relacionados con las características finales de la pieza. Uno de estos factores es la temperatura generada. Como complemento de los experimentos y conclusiones presentadas en los artículos anteriores sobre la trayectoria de herramienta1 y el espesor de viruta,2 el presente trabajo se enfoca en el comportamiento de la energía térmica generada durante el fresado, proponiendo un método que relaciona el avance de la herramienta con la temperatura registrada durante la remoción de material. Es deseable conocer el comportamiento de la temperatura durante el maquinado para asociarla con las probables características de acabado superficial de la pieza, ya que las altas temperaturas ocasionan alteraciones de la superficie.1 Además, a través de la tem- 12 A lo largo del proceso de maquinado, aproximadamente el 98% de la energía utilizada se transforma en energía térmica,3, 4 el resto es absorbido por el material de trabajo en forma de deformación plástica. El conocer los niveles de energía térmica permite seleccionar adecuadamente los materiales y las herramientas para diferentes tipos de trabajos. Esta energía puede ser determinada con base a los cambios de temperatura medidos (figura 1) en un punto de referencia determinado. A continuación se exponen las bases teórica y experimental dirigidas a encontrar y justificar una relación entre el avance de la herramienta de corte y la temperatura registrada durante el maquinado, así como la metodología y resultados obtenidos. * Sistemas Integrados de Manufactura, División de Ingeniería Mecánica, FIME-UANL, México. E-mail: elopez@uanl.mx Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �F. Eugenio López G., Miguel A. Ruiz S., Lionel S. Méndez P. OBJETIVOS donde: Los objetivos que este trabajo pretende alcanzar son: P: Potencia emisiva de la superficie en W/m2. a) Establecer una relación entre la temperatura registrada en el proceso y el avance fijado para la herramienta de corte. e: Emitancia del material. b) Predecir el comportamiento de los cambios de temperatura para diferentes avances por medio de un modelo validado experimentalmente. T: Temperatura de la superficie del cuerpo en K. σ = 5 . 67010 −8 W m2K 4 (3) c) Establecer las bases para determinar posteriormente la relación entre la temperatura registrada y la calidad superficial del material así como los parámetros óptimos de maquinado. MARCO TEÓRICO A la capacidad de un cuerpo de emitir energía radiante se le conoce como emisividad. A un cuerpo con emisividad igual a uno se le conoce como cuerpo negro. A la capacidad de un cuerpo real de emitir energía respecto al cuerpo negro se le conoce como emitancia. Esta propiedad difiere en cada cuerpo y depende de la estructura y características del mismo. ε = Jr J cn (1) donde: Jr: Densidad de flujo radiante del material. Jcn: Densidad de flujo radiante del cuerpo negro. 5 La ley de Stefan-Boltzman propone el cálculo de la cantidad de radiación emitida en todas direcciones y sobre todas las longitudes de onda simplemente a partir del conocimiento de la temperatura de un cuerpo utilizando su emitancia e y la constante s denominada “constante de Stefan-Boltzman”. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 Conociendo el rango de temperaturas a las que se somete un material, es posible graficar el comportamiento de su potencia emisiva. En la figura 2 se representa este comportamiento para el caso del aluminio puro, el cual tiene una emitancia6 de 0.25. Así, despejando de (2) y con la conversión adecuada de la cantidad de radiación puede conocerse la temperatura a la cual se emite esa energía. e: Emitancia. P (T ) = εσ T 4 Fig. 2. Potencia emisiva del aluminio puro a temperaturas de emisión entre 25 y 100oC. (2) Debido a que la zona del espectro infrarrojo abarca un amplio rango de longitudes de onda de la radiación térmica (desde los 0.78mm hasta los 500mm), es de gran utilidad para el registro de energía térmica emitida en cualquier material, ya que la radiación de ondas aumenta con la temperatura. Las siguientes condiciones se consideran en la experimentación para relacionar la potencia emisiva espectral7 con la temperatura: 13 �Evaluación de condiciones de maquinado por medio de emisiones infrarrojas 1. La radiación emitida varía en forma continua con la longitud de onda. 2. En cualquier longitud de onda la magnitud de la radiación emitida aumenta con la temperatura. 3. La región espectral en la que la radiación se concentra depende de la temperatura. 4. Para temperaturas menores o iguales a 527oC, la emisión se encuentra de manera predominante en la región infrarroja del espectro y no es visible para el ojo humano. La fórmula (4) desarrollada por Cook9 puede ser utilizada para predecir el incremento de temperatura de la interfase herramienta-viruta durante el proceso de maquinado. Se deriva del análisis dimensional y de datos experimentales de torneado de diferentes materiales para establecer los valores constantes de la ecuación: h 0 .4U  ∆ T (Vc ) =  (Vc ⋅  ρc  α 0 .33 (4) donde: DT: Incremento de temperatura en la interfase en oC. Vc: Velocidad de corte en m/s. U: Energía específica de remoción de material en N- m/mm3. r: Densidad del material en gm/cm3. C: Espesor de viruta en mm. Al incremento de temperatura obtenido por esta ecuación debe sumarse la temperatura de referencia, considerada en este experimento como la temperatura ambiente a 25oC. T (Vc ) = ∆T (Vc) + TReferencia donde: T: Temperatura media del proceso. 14 Las mediciones se efectuaron en las instalaciones del Centro de Manufactura Integrada por Computadora y del Programa Doctoral de Materiales de la FIME UANL. Se utilizaron los siguientes equipos: · Centro de Maquinado EMCO VMC 300. · Termómetro de Emisiones Infrarrojas Raytek modelo Raygner MX4. Considerando las condiciones experimentales de potencia emisiva mencionadas en el marco teórico, se utilizó un espectrómetro infrarrojo para el registro de la temperatura, el cual se colocó dentro del centro de maquinado en la posición más cercana a la zona de remoción para obtener una captación completa de las ondas emitidas por el material (figura 1). Los datos registrados por el espectrómetro se almacenaron en archivos de computadora y se procesaron con software Raytek Graphic. El material usado en los ensayos fue un perfil extruído de aluminio comercial para maquinado. El análisis electroquímico identificó el material como aluminio 6063 de acuerdo a las tablas del Manual de Aluminios de la ASM. Los resultados de las pruebas de tensión revelan que el material es una aleación de aluminio 6063 con tratamiento térmico clase T6 ó T8. Calor específico en J/kg-oC. a: Difusividad térmica en m2/s. h: METODOLOGÍA EXPERIMENTAL (5) G 55 R1=12.5 T3 D3 L96 M03 S1500 F13 G53 G00 Z200 G00 X -10 Y -21 G00 Z=R1 21 G01 Z=R1-2.54 G01 X60 G53 G00 Z200 G55 G00 X300 M30 Origen del usuario Plano de referencia Cambio de herramienta Giro del husillo, velocidad y avance Movimiento en coordenadas absolutas Posición inicial Acercamiento Profundidad de corte Movimiento de corte Retiro de herramienta Movimiento de mesa Fin de programa Fig. 3.- Programa de CNC para el maquinado utilizado en la experimentación. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �F. Eugenio López G., Miguel A. Ruiz S., Lionel S. Méndez P. CONDICIONES DE MAQUINADO Se realizaron cinco ensayos a diferentes velocidades de corte, las cuales se muestran en la tabla II. Para los ensayos se maquinó la barra de aluminio con condiciones de corte fijas utilizando un programa de CNC (figura 3) en el centro de maquinado EMCO VMC 300. Tabla II. Veloci dades de corte para ensayo. E nsayos El corte se hizo a 2.54 mm ( 0.1 in). No se utilizó refrigerante. El resto de los valores de corte experimentales se muestran en la tabla I. Veloci dad de corte (mm/mi n) 1 2 3 4 5 10 50 70 90 120 Tabla I. Valores de corte uti li zados en los ensayos. Número de álabes N 2 Radi o de la herrami enta (mm) r 8 Veloci dad de gi ro (rpm) S 1500 Profundi dad de corte (mm) t 2.54 RESULTADOS OBTENIDOS Después de procesar los datos registrados y ajustarlos a curvas, se obtiene el comportamiento característico de temperatura de cada ensayo, los cuales se muestran en la figura 4. 4.c. 4.b. 4.a. 4.d. 4.e. Fig. 4.- Gráficas del comportamiento de la temperatura en los 5 ensayos realizados. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 15 �Evaluación de condiciones de maquinado por medio de emisiones infrarrojas Este ajuste corresponde a una ecuación exponencial de la forma: T (t ) = k ⋅ t n (6) donde: T: Temperatura del proceso. t: Número de muestreos. k: Coeficiente del ensayo. n: Exponente del ensayo. Ajustando a una curva conveniente los valores de temperatura en el punto terminal de cada ensayo, se obtiene una ecuación experimental (5). Esta ecuación de tipo exponencial coincide con las conclusiones obtenidas por Trigger8 en su trabajo referido al comportamiento de la temperatura. TAl 6063 (Vc ) = 107 ⋅ Vc 0.086 _____ Temperatura experimental ------- Temperatura teórica Fig. 5. Comparación de las temperaturas de acuerdo a la ecuación de Cook y la obtenida experimentalmente. (7) CONCLUSIONES La ecuación (7) es característica de la temperatura del proceso para la muestra de material Al6063. Sustituyendo en (4) y (5) las propiedades térmicas correspondientes y la densidad de la aleación Al6063 para espesor de viruta de 1mm y energía específica de: U = 0 .56 N m mm 3 (8) se obtiene el comportamiento teórico de la temperatura de la aleación Al6063 para cualquier valor de velocidad de corte. Las ecuaciones (5) y (7) pueden compararse para obtener una referencia del comportamiento teórico y experimental de la temperatura en el proceso de maquinado (figura 5). 16 La temperatura generada durante el maquinado permite evaluar condiciones determinantes del proceso. La interpretación del comportamiento implica que: 1. La temperatura tiende a alcanzar un estado de estabilidad. 2. La temperatura del proceso se incrementa al incrementarse la velocidad de corte. 3. Existe una relación del comportamiento de la temperatura entre cada ensayo. 4. Algunas variables determinantes del proceso pueden calcularse con la metodología mostrada. 5. El análisis mostrado sobre la relación temperaturavelocidad de avance es similar a trabajos publicados referidos al tema y muestra los mismos resultados. La metodología presenta la ventaja de ser fácilmente implementable en un laboratorio, pero no lo es en un tren productivo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �F. Eugenio López G., Miguel A. Ruiz S., Lionel S. Méndez P. MEJORAS A DESARROLLAR REFERENCIAS Se propone la comprobación de los valores de emitancia de los materiales involucrados. 1. López, E., Ruiz, M.A., Colás, R., “Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado 1ª Parte”, Ingenierías, Vol. IV, No. 13, pp. 40-47, Diciembre 2001. 2. López, E., Ruiz, M.A., “Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado 2ª Parte”, Ingenierías, Vol. V, No. 14, pp. 36-41, Marzo 2002. 3. Metals Handbook, 9th edition, Vol. 16 “Machining”, ASM International, 1989. 4. Groover, Mikell P., “Fundamen-tals of Modern Manufacturing”, Ed. Pretince-Hall, 1996. 5. Incropera, F., DeWitt, David P., “Fundamentos de Transferencia de Calor”, 9a. Edición, Ed. McGrawHill, 1999. 6. John E. Hatch, “Aluminum: Properties and Physical Metallurgy”, ASM, 1984. 7. Planck, M., “The Theory of Heat Radiation”, Dover Publications, Nueva York, 1959. 8. Trigger, K.J., “Progress Report No.2 on Tool-Chip Interface Temperatures”, ASME Transac-tions, Vol. 71, No. 2, pp. 163-174, Febrero1949. 9. Cook, N., “Tool Wear and Tool Life”, ASME Transactions, J. Engrg. for Industry, Vol. 95, pp. 931-938, Noviembre 1973. Se recomienda repetir la experimentación bajo otros criterios que permitan evaluar las condiciones de maquinado para diferentes materiales y/o herramientas de corte. Como complemento es deseable realizar un registro de la rugosidad superficial de la pieza en cada ensayo para buscar una relación entre la temperatura del proceso y la calidad superficial de la pieza maquinada. RECONOCIMIENTOS El presente trabajo fue realizado por los autores como parte de su proyecto de investigación en el Doctorado de Materiales FIME-UANL bajo el apoyo de PROMEP, PAICYT 2001 (contrato CA556-01) y CONACYT (clave 37668-U). Los autores agradecen la colaboración del ingeniero José Luis Castillo Ocañas y la Dra. Patricia Zambrano de la Coordinación de Automatización así como al Dr. Alan Castillo y al Dr. Juan Antonio Aguilar Garib del programa doctoral de materiales de la FIME. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 17 �Breve y parcial historia de los engranes Manuel G. Rodríguez R., Moisés Hinojosa R., Ubaldo Ortiz M. * Abstract This article briefly discusses both the historical development of gears and the role of materials engineering in the evolution of these machine elements. Historical applications of gears include the inventions of Arquimedes, clock mechanisms and modern highprecision machine elements. This brief and partial review also analyzes some of the oldest documents that register the use of devices that can be considered as gears according to arqueological findings. Keywords: gears, machine elements, history of technology. INTRODUCCIÓN Entre los mecanismos de transmisión de movimiento, uno de los más exitosos es el basado en engranes, ya que se consiguen movimientos de manera continua, semicontinua o alternada y provee una amplia gama de posibilidades de transmisión gracias a los diferentes tipos de diseños posibles. Como complemento al conocimiento técnico, es deseable conocer un poco de donde provienen estos elementos de máquinas. En este artículo se hace una revisión para estimar en qué punto de la historia se inicia el desarrollo de esta tecnología, el papel que jugó dentro del progreso de los pueblos antiguos y se remarcará el hallazgo arqueológico más antiguo encontrado, que data del 80 A.C., figura 1, que evidencia la existencia de esta tecnología en épocas antiquísimas que al paso de los siglos ha evolucionado y ha encontrado un lugar muy destacado dentro del desarrollo industrial de nuestra era. LOS ENGRANES EN LA MITOLOGÍA Nadie sabe a ciencia cierta donde se inventaron los engranajes, sin embargo han estado transmitiendo movimiento de una manera u otra por mucho tiempo. 18 Fig. 1. Elemento del «Mecanismo de Anticitera», El mecanismo de engranes más antiguo preservado (80 A.C.). Los registros más antiguos de posibles diseños de engranajes provienen de la literatura de la antigua China, Grecia y Turquía,1 en específico de la ciudad de Antioquía y de Siria, en especial de Damasco su capital, famosa por sus armas blancas. De cualquier manera, muchas de estas referencias son vagas y de poco fiar, ya que en los textos de esa época es difícil, si no imposible, identificar donde comienza el relato a ser historia y donde deja de ser mitología. La mayoría de los relatos son descripciones de batallas libradas contra el enemigo o de guerras de conquista, y por supuesto son relatos en donde los derrotados describen a sus enemigos como guerreros de fuerza extrema, capaces de cargar rocas de cien veces su peso con un solo movimiento de su mano y que podían lanzarlas tan lejos como querían. En la actualidad, y en base al conocimiento que se tiene, eso hace referencia a que utilizaron algún tipo * Doctorado en Ingeniería de Materiales FIME-UANL. E-mail: man76_2000@yahoo.com Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Manuel G. Rodríguez, Moisés Hinojosa R., Ubaldo Ortiz M. de mecanismo, sin embargo los relatos lo describen como algo mágico o sobrenatural.2 Por si fuera poco, los vencedores de la batalla relatan su historia jactándose de la superioridad ante sus enemigos, y de cuan fácil fue vencerlos con el simple movimiento de su mano. Para complicar aún más este asunto, los mecanismos citados en la literatura antigua solo contienen descripciones textuales de los dispositivos, en los cuales se puede o no utilizar engranes en su funcionamiento, ya que alternativamente pueden haberse empleado poleas o ruedas de fricción, sin embargo no se ha encontrado evidencia física de su existencia. EVOLUCIÓN DE LOS MATERIALES PARA LOS ENGRANES Juzgar mediante la historia escrita en los libros es una cosa, encontrar evidencia palpable de los engranajes es otra. El mayor problema en encontrar evidencia arqueológica de engranajes radica en que los primeros engranes fueron hechos de madera tallada (figura 2), con lo cual es más que evidente que al paso del tiempo se degradan completamente y difícilmente dejan rastros debido al tipo de material empleado. Por otro lado en los registros bíblicos antiquísimos se encuentra que los metales se trabajaban desde el 4000 A.C. y menciona a un Tubal-Caín como el artífice del hierro y del bronce.3 Así que bajo esta evidencia teórica bien pudo haber sido factible que se fabricaran engranajes de bronce o hierro, aunque es necesario recordar que el uso de dichos materiales se encontraba restringido por las limitadas cantidades que se podían obtener y que sólo eran destinadas como obsequio a reyes y faraones. Tal es el caso de una cuña de metal forjado que data del 3000 A.C., encontrada en la gran pirámide de Keops, rey de Egipto de la IV dinastía. Actualmente esta pieza arqueológica se encuentra en el museo Británico5 y es una prueba palpable de que el hierro ya se Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 Fig. 2. Prototipo de engrane de madera utilizado en la antigüedad para transmitir movimiento.4 trabajaba en esas épocas. Sin embargo dicho hallazgo también fortalece la hipótesis de que verdaderamente sólo se utilizaban para artículos religiosos u obsequios para reyes y difícilmente se utilizarían para fabricar engranes, si es que ya existían en esa época. Ya para el año 2000 A.C. cuando la civilización asiria empezaba a formarse, aún bajo la opresión de Caldea y Egipto,6 la metalurgia del hierro comenzaba a desarrollarse con mayor fuerza. Los asirios fueron quienes primero consiguieron producir a gran escala hierro y bronce,5 perfeccionando los métodos y logrando, con ayuda de esta ventaja técnica, su libertad como pueblo para el 1300 A.C. bajo el reinado de Teglatfalasar.6 Ya como pueblo en libertad hacia el 800 A.C. bajo el reinado de Salmanasar habían formado un verdadero imperio y hacia el año 730 A.C. al mando de Salmanasar V habían invadido Caldea, que para ese entonces ya se conocía como Babilonia, además del territorio Egipcio, extendiendo así su imperio desde el Mediterráneo hasta el mar Caspio, y del sur del mar Negro al Golfo Pérsico. Su grandeza: su rey Salmanasar V, su fama: el dominio del hierro y el bronce, su orgullo: el imperio formado (figura 3). 19 �Breve y parcial historia de los engranes Los mejores artesanos del hierro se formaron durante el imperio Asirio y su acentuación se dió en Damasco. Al paso de los siglos lograrían un dominio sobre el arte de la metalurgia a tal grado que las armas blancas que fabricaban extendieran su fama hasta los primeros siglos de la era cristiana.7 Hasta este punto de la historia no se ha encontrado evidencia textual y mucho menos física de la existencia de engranajes, sin embargo ya existía la materia prima necesaria para fabricarlos en bronce o en hierro. ARISTÓTELES Y LA EVIDENCIA TEXTUAL DEL ENGRANE Hacia el año 700 A.C. el imperio Asirio colindaba hacia el mar Caspio con el imperio Medo, y hacia el mediterráneo superior con el imperio Persa, en el año 612 A.C. se formó la coalición entre medos y babilonios, tomando Nínive, la ciudad capital de Asiria, mientras los Persas bajo el mando de Ciro tomaron Macedonia, y avanzaron hasta conquistar todo el imperio asirio y medo extendiéndose hasta la India, ya bajo el mando de Darío I en el año 500 A.C. Por más de cien años, los Persas se mantuvieron firmes en su intento de conquista de Grecia, sin lograrlo. Sin embargo, hacia el 595 A.C. perdieron el territorio de Macedonia a manos de Filipo quien gobernó del 400 al 356 A.C. fecha en que tomo posesión del reinado su hijo Alejandro Magno, discípulo de Aristóteles quien conocía y dominaba la tecnología y filosofía helénica. Esto le dio a su discípulo hacia el 335 A.C. la conquista de Grecia, nombrándose Generalísimo del ejercito Helénico, con quienes combatió y derrotó al imperio persa, apoderándose de Egipto, en donde en su honor fundó la ciudad de Alejandría hacia el 330 A.C.,6 su imperio se extendió hasta el Mar Caspio y Pérsico. Fig. 3.- El Imperio Asirio hacia el 700 A.C. 20 Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Manuel G. Rodríguez, Moisés Hinojosa R., Ubaldo Ortiz M. En este contexto, cabe destacar que el registro más antiguo de la posible descripción de un mecanismo de engranaje proviene de la escuela de Aristóteles de un trabajo titulado “ Problemas de Mecánica”, alrededor del 300 A.C.1 En él se describe un mecanismo de ruedas entrelazadas, nuevamente no haciendo referencia especifica a ruedas dentadas, por lo que pudieron ser ruedas de fricción con ondulación grande en su periferia. De ser así se estaría hablando del prototipo de rueda dentada, ya que se entrelazan las dos ruedas por bordes en alto y bajo relieve (figura 4) a los que nombraremos dientes del engrane, que aunque aún no poseían una dimensión determinada cumplen con el objetivo de transmitir movimiento entrelazando dos ruedas. viene del mediterráneo oriental. Remarcando que en ese tiempo Sicilia, en donde vivía Arquímedes (300 al 212 A.C), pertenecía a la Macedonia Griega.6 Para estos tiempos se sabe que ya existían los engranes, de hecho a Arquímedes se le atribuye el mecanismo de tornillo, el cual es el principio del mecanismo de corona sinfín (figura 5) y es de quien se tiene la evidencia del uso práctico de los engranes.1 También se sabe que la metalurgia de hierro y de otros metales ya era bien conocida y dominada por los distintos pueblos, desde lo que actualmente conocemos como Turquía y medio oriente hasta Europa. Fig. 5. Diseño de engrane corona y tornillo sinfín atribuido a Arquímedes. Fig. 4. Prototipo de engrane de madera con bordes en alto y bajo relieve.8 EL DISEÑO MÁS ANTIGUO Paralelamente, con la muerte de Aristóteles su escuela entró en decadencia hacia el 322 A.C.6 y el imperio macedonio se dividió entre los generales de Alejandro.6 Nuevamente centraremos la atención en el Mediterráneo, haciendo notar que la evidencia más clara y palpable del diseño más antiguo de un engrane Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 A partir de esta fecha (300 A.C) ya se encuentran escritos con evidencia clara y concisa de que los engranes ya existían y su uso era bien entendido y empleado por los habitantes de la época.1 Vitrubio reporta hacia el 25 A.C1 que en la época de Arquímedes se fabricaban relojes de agua en los que se incluían engranes y cremalleras en su maquinaria, figura 6, convirtiéndolos en instrumentos de gran precisión. Tal es el caso de un gran inventor de esa época, Ctesbios de Alejandría, quien era peluquero de oficio y cuyos inventos incluían engranajes (figura 7).1 21 �Breve y parcial historia de los engranes Fig. 6 . Dispositivo de engrane y cremallera. Fig. 8. Reconstrucción del Mecanismo de Anticitera. (“The Antikythera Mechanism”). Carta celeste para calcular la posición solar y lunar. actualmente se sabe que éste era un instrumento astronómico o carta celeste. Por su complejidad no fue sino hasta 1974 que se escribió el reporte definitivo de su uso y su diseño total.1 Fig. 7. Reloj de agua diseñado por Ctesbios de Alejandría en el que se utilizan engranes.8 Este dispositivo contiene más de 30 engranajes arreglados en un complejo tren diferencial y fue utilizado para calcular la posición solar y lunar. RASTROS ARQUEOLÓGICOS DE LOS ENGRANES El mecanismo más antiguo del que se tiene conocimiento, y que aún sobrevive en nuestra era, es el mecanismo de Anticitera, figura 8, denominado así por la zona donde fue encontrado. Es un dispositivo de precisión probablemente fabricado hacia el 80 A.C. 1 Este instrumento permaneció intacto desde hace siglos en las orillas de Anticitera, una diminuta isla del mediterráneo, en un navío naufragado cargado de mármol, estatuas de bronce y otros tesoros. Durante mucho tiempo permaneció en duda su uso, 22 ULTIMOS COMENTARIOS Aunque los arqueólogos fechen el mecanismo de anticitera hacia el 80 A.C.1 este dispositivo astronómico es más complejo que cualquier otro descrito antes en la literatura de ese periodo. Probablemente el inicio de este desarrollo date desde la época de Arquímedes, a quien también se le atribuye haber sido uno de los primeros diseñadores del reloj astronómico, o bien, pudo tener sus inicios en la escuela Aristotélica. De ser así es muy probable que el desarrollo de los engranajes para estas culturas se haya Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Manuel G. Rodríguez, Moisés Hinojosa R., Ubaldo Ortiz M. mantenido en secreto, ya que les brindaban ventaja militar sobre otras culturas, de la misma manera como lo hizo el dominio de la metalurgia del hierro en épocas anteriores. Según cuentan los relatos griegos, se sabe que en el 250 A.C. era Arquímedes quien diseñaba y construía la maquinaria de guerra que hacía la diferencia entre ganar o perder.6 Esto lo conseguían gracias a los mecanismos dispuestos en las maquinas diseñadas, o en la facilidad de mover o cargar objetos pesados en un tiempo bastante corto.2 Ya para el 60 D.C. está bien clara la existencia de los engranes, así como también se sabe que habían sido ampliamente aceptados como un medio para transmitir movimiento. Éste es el tiempo de Herón de Alejandría (Matemático y físico Egipcio).6 Él describe el uso de un tren de engranes de ejes paralelos para levantar una carga pesada aplicando una fuerza pequeña. También incorporó el mecanismo de tornillo sinfín de Arquímedes a su odómetro (dispositivo para medir distancias reales recorridas en un mapa). A partir de esta fecha hasta la actualidad la ingeniería de los engranes, así como la de los materiales, ha estado en gran desarrollo. La nueva maquinaria y las necesidad de transmitir movimiento con mayor diversidad, eficiencia, durabilidad, precisión y exactitud ha dado lugar al desarrollo de una gran diversidad de engranes que para lograr su construcción se ha empleado el ingenio de muchos. Por más que avance el desarrollo de nuevos engranes, siempre se tendrá en mente que en sus inicios esta tecnología fue desarrollada con la finalidad de transmitir movimiento de manera continua, siendo éste el mismo principio en el que se basa el diseño actual. Sin embargo, no se debe olvidar que fue para uso científico su primera aplicación, en un afán por correlacionar y coordinar movimientos y que poste- Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 riormente se hizo uso de la cualidad de transmisión de potencia. Es por todo esto que el engrane no deja de ser una joya de la ingeniería antigua y moderna.10 AGRADECIMIENTOS Los autores quieren agradecer los valiosos comentarios del Ing. Fernando J. Elizondo Garza. BIBLIOGRAFÍA 1.- Price, Derek de Solla. Gears from the Greeks: The Antikythera Mechanism, a Calendar Computer From ca. 80 B.C. Science History Publications, a div. of Neale Watson Academic Publications, Inc., New York, NY, 1974. 2.- Lionel Casson, Great Ages of Man, Ed. Time Incorporated Inc., 1965. 3.- La Biblia, Sociedad bíblicas unidas, Génesis 4.22, 1960. 4.- James Burke, Connections, Ed. Little, Brown and Co., 1978. 5.- L. W. Spring, Non-Technical Chats on Iron and Steel and their applications to modern Industry, Cap 1 (1917). 6.- J. E. Safra, J. E. Goulka, Enciclopedia Británica, 1997. 7.- L. M. Gómez, Acero, La ciencia para todos, Fondo de Cultura Económica, 1997. 8.- Siguard Strandh, A Histry of Machine, Ed. A&W Publishers, Inc. N.Y., 1979. 9.- John Baines & Jaromir Nálek, Egipto, Dioses, Templos y Faraones., Atlas Culturales del Mundo, Ed. Folio S.A., 1989. 10.- Simulation of the Antikythera Mechanism. http:/ /etl.uom.gr/mr/Antikythera/ 23 �El desarrollo de la química en México:¨ Físico-Química y áreas afines Leopoldo García-Colín Scherer* RESUMEN Se hace un análisis crítico sobre cómo la fisicoquímica y áreas afines han evolucionado en el país durante el pasado siglo XX. La conclusión más relevante de dicho análisis es que dentro del ya raquítico desarrollo nacional de la química como una ciencia pura, la físico-química está realmente en pañales. Si esta situación tiene o no una solución a mediano plazo es dudoso sobre todo por la pobre enseñanza de la materia en los ciclos básico y medio. Palabras clave: Fisico-química, química, desarrollo, educación y enseñanza, industria e investigación. INTRODUCCIÓN Este artículo tiene como principal objetivo el dar una visión, muy personal, de cual ha sido el desarrollo de la química en México durante el siglo XX, fundamentalmente en la rama de la físico-química y algunas otras afines a ésta. Debe quedar muy claro al lector que por personal se implica claramente que mis opiniones, sobre todo durante estos últimos quince años, son producto única y exclusivamente de contactos puntuales con instituciones y personas que trabajan en investigación y enseñanza alrededor de estos temas. No he dedicado el menor esfuerzo a consultar, por ejemplo, los indicadores del CONACYT para dar cifras precisas sobre número de investigadores, instituciones, áreas específicas de trabajo y otros desgloses, éstas las puede ver el lector interesado en las publicaciones correspondientes. A manera de preámbulo y con objeto de dar las bases para esta exposición, he reproducido un estudio sobre la situación de la química en México hasta 1985 para ubicar al lector dentro del contexto de las ideas que surgieron después de haber dedicado varios años a la formación de un grupo de investigación interdisciplinario en varias áreas de la química, petroquímica y físico-química, fundamentalmente. A partir de ahí es posible considerar el desarrollo posterior de estas disciplinas en el país, hasta hoy, el umbral del siglo XXI. Debo insistir ahora en que, durante el periodo 19852000, personalmente dejé de realizar tareas de investigación y desarrollo en temas conectados con la química. De ahí que mis puntos de vista pueden no coincidir con los de los otros científicos mucho más arraigados en esta disciplina, pero tengo la seguridad en que cualitativamente no habrá desacuerdos radicales. Al final del escrito expondré algunas conclusiones personales y lo que a mi juicio, debe tomarse como un objetivo para el futuro desarrollo de esta ciencia. LA QUÍMICA EN MÉXICO: 1916-1985 Es frecuente encontrarse la afirmación de que la enseñanza formal de la química en México se inició el 23 de septiembre de 19161 con la fundación de la Escuela Nacional de Química Industrial, antecesora de la Facultad de Química de la UNAM. Su contenido es, a la vez que ilustrativo, un tanto ilusorio. En efecto, la afirmación exhibe con toda claridad cómo desde entonces, la química fue concebida en México ¨ Artículo publicado en la Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 45, No. 3, Julio-Septiembre del 2001. Reproducido con autorización de la Sociedad Química de México. 24 * Departamento de Física, Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, México 09340, D. F. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Leopoldo García-Colín Scherer con un carácter utilitario y práctico, característica que, lamentablemente persiste hasta la fecha, y es ilusorio porque en muchos aspectos, la enseñanza formal de la química como una ciencia básica todavía no se ha iniciado, ni siquiera a escala apreciable, en las instituciones de educación superior del país. Así pues, hablar del desarrollo de esta ciencia en México es un proceso complejo, escabroso y un tanto controvertido.2,3 Como un breve preámbulo a esta sección, vale la pena señalar que México es la sede de la industria petrolera (nacionalizada en 1938) más importante de toda Latinoamérica, además de ser por excelencia un país agrícola y minero. Sus recursos naturales renovables y no renovables constituyen una fuente de riqueza cuya exploración y sobre todo su explotación y aprovechamiento, están estrechamente ligados al desarrollo tecnológico basado en la química moderna. Además, se cuenta en el país con importantes industrias de biocidas, fertilizantes, productos farmacéuticos, alimenticia y otras cuya operación está fuertemente apoyada en la química. Es evidente que ante este panorama, el desarrollo de esta ciencia debió jugar un papel prioritario. Sin embargo, las cifras asociadas a las inversiones extranjeras muestran que no fue así. Hasta hace unos cuantos años esta inversión era del 94% en la industria farmacéutica, 90% en la alimenticia, 80% en la del hule y aunque en la del petróleo y sus derivados se ocultan las cifras, la cantidad de miles de dólares que se pagan anualmente por conceptos de compra de tecnología, asesoramiento, regalías y otros renglones similares es una fracción importante del presupuesto del IMP, el centro de investigación y desarrollo ligado a PEMEX. La consecuencia más grave que se ha derivado de esta alta dependencia tecnológica de la industria química establecida en el país, es que la química ha proliferado en nuestro medio como un quehacer técnico al servicio de la operación, el mantenimiento, la administración y la venta de productos de las grandes empresas que aquí operan. Como ciencia, según veremos en Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 seguida, el subdesarrollo es aún más notable que en el caso de la física y las matemáticas. Existen en México un número grande de universidades y escuelas profesionales que bajo su seno amparan la existencia de otras tantas escuelas y en menor grado facultades de química e ingeniería química, y de las que prácticamente ninguna ofrece un carrera de licenciatura en química concebida como una actividad científica. De hecho, hasta donde el autor sabe, la única excepción se encuentra en el Departamento de Química de la UAM-I, y fue creada ¡en 1974! Todas las restantes generan egresados que a pesar de los varios títulos de ingeniero químico, químico industrial, metalurgista, farmaco-biólogo, etc., sólo son técnicos en química medianamente calificados para llevar a cabo los servicios analíticos y las otras tareas de rutina ya señaladas en el párrafo anterior. No es pues sorprendente saber que de las decenas de miles de estos técnicos que se han formado en los últimos treinta años, escasamente un 15% desempeña su trabajo profesional como tales, esto es, en la industria.3 Por otra parte, la proliferación de muchas actividades económico-administrativas que ha surgido de las necesidades derivadas de la optimización, organización y administración de la industria química establecida en el país, han dado lugar a varias “maestrías” en química cuyo contenido científico es prácticamente nulo, y el técnico juega un papel secundario frente al aspecto administrativo. De ahí que citar el número de químicos e ingenieros químicos con grado de maestría resultaría no sólo incierto, sino también engañoso. Un estudio reciente3 muestra que el número de personas con el grado de maestro que se ocupan de tareas científicas no llega a cien y quizás otros tantos se ocupen de labores docentes y/o pedagógicas. Es, sin embargo, a nivel del doctorado donde se pone de manifiesto la paupérrima situación de esta ciencia en un país, que en principio, tanto la necesita. El número estimado de doctores en química en México es alrededor de 200 pero el número de ellos activos en investigación pura y aplicada, ¡apenas excede 25 �El desarrollo de la química en México: Físico-Química y áreas afines a cien! Con base en el preámbulo presentado al principio de esta sección, esta cifra sólo puede calificarse de risible o de miserable. Esto quiere decir que México cuenta con un doctor en química por cada 700,000 habitantes, en tanto que en EUA hay uno por cada 6,000 habitantes.4 La conclusión obvia que podemos extraer de aquí es que como ciencia, el desarrollo de la química, si se le puede calificar como tal, ha sido casuístico. Dado lo complejo de la materia en sí, resulta en este caso mucho más sencillo describir lo poco que se hace en química que intentar un perfil ocupacional como se ha hecho en otros casos. La primera institución que se creó en México destinada a la investigación en química fue el Instituto de Química de UNAM, fundado en 1941. Ahí floreció la química orgánica particularmente enfocada al estudio de productos naturales de México, en especial algunos relacionados con la producción de hormonas. A pesar de esto, no existe prácticamente nada de investigación en el país sobre productos naturales tan importantes como el 26 azúcar, celulosa, papel, madera, hule natural, azufre, metales estratégicos, etc.3 En la actualidad dicho Instituto cuenta además con uno de los pocos (¿tres?) grupos que hacen investigación en química inorgánica y un grupo incipiente en química teórica. Al final de la década de los cuarenta y principios de los cincuenta se crearon los Laboratorios Nacionales de Fomento Industrial y el Instituto Mexicano de Investigaciones Tecnolológicas con la idea de promover la investigación tecnológica en áreas afines a la química que fueran de importancia nacional. Sin embargo, por la falta misma de una infraestructura sólida en esta ciencia, su desarrollo y alcances han sido muy limitados. La década de los sesenta contempló el nacimiento de dos grandes centros de investigación en el Distrito Federal, uno el CINVESTAV ya citado y otro, el IMP, ambos relacionados con la investigación en química. El primero junto con la UAMI, cuentan con los mejores departamentos de química que hay en el país. En ellos existen grupos de gran prestigio que realizan investigación básica y aplicada en temas de química moderna: química cuántica, electroquímica, catálisis homogénea y heterogénea, espectroscopía, complejos inorgánicos, química de superficies, química de compuestos boro-fósforo, etc. El Instituto Mexicano del Petróleo merece una crítica aparte4 que está fuera del contexto de este trabajo. Durante la primera década de su existencia (19651975) contó con uno de los mejores grupos de investigación interdisciplinaria en química, físico-química e ingeniería que se hayan integrado en una institución nacional. En áreas de la química como la cátalisis, cinética química, termodinámica, síntesis de catalizadores, espectroscopías de rayos-X, resonancia paramagnética del electrón, síntesis orgánica, se produjeron trabajos relevantes y varias patentes que aún capitaliza la institución para su prestigio y beneficio. Lamentablemente la demagogia, la política y la ignorancia pesan en este país mucho más que la razón, y en un santiamén las entonces autoridades del Instituto se encargaron de destruir este grupo que ter- Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Leopoldo García-Colín Scherer minó por emigrar a otras instituciones y en algunos casos, fuera del país. Baste mencionar que en la actualidad el IMP cuenta con una planta de más de 5000 empleados de los cuales escasamente 200 (el 4%) posee un grado mayor que la licenciatura y de ellos no llegan a una docena los que tienen un grado de doctor en química o ciencias afines. Claramente es difícil calificarlo como un centro de investigación. Esta situación debe contrastarse con el hecho de que en el país, aún hasta la fecha, todavía no se realiza investigación científica en la química del petróleo y sus derivados. Las consecuencias que esto tiene sobre la tan sobada “autosuficiencia” de nuestra industria petrolera se dejan como ejercicio al inteligente lector.5 En la década de los setenta aparecen en el panorama científico de la química el Departamento de Química de la UAM-Iztapalapa, el Centro de Investigación en Química Aplicada en Saltillo, Coahuila, y se consolida en cuanto a sus actividades de investigación, la División de Estudios Superiores de la Facultad de Química de la UNAM. En estas tres Instituciones hay grupos de excelencia en varias áreas de la química básica que son de vital importancia para el desarrollo de esta ciencia en México. Del primero ya hablamos con anterioridad, en el segundo se llevan a cabo estudios para el aprovechamiento industrial del guayule y otros productos naturales, y en la tercera hay una gama extensa de grupos entre los cuales destacan muy en particular el de fisicoquímica, teórica y experimental y el de química cuántica. Conviene insistir en que sólo en ésta institución, en la UAM-I y en el CINVESTAV existen programas de maestría y doctorado en química estrictamente concebidos desde un punto de vista científico. Por otra parte, este documento dejaría de ser útil si no es realista y para ello es necesario completar el panorama actual de esta ciencia en el país exhibiendo, si no todas por lo menos nuestras carencias más agudas. En particular debo hacer hincapié en muchas de ellas estrechamente conectadas con nuestro desarrollo industrial. Ellas son: Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 1. Química analítica (de la cual somos estrictamente usuarios) 2. Química de polímeros y macromoléculas 3. Físico química en general 4. Química Farmacéutica 5. Química y la ciencia de materiales 6. Química biomimética 7. Petroquímica y ciencias afines 8. Química de semiconductores 9. Química de procesos extractivos 10. Química de superficies Para finalizar esta sección, conviene subrayar un hecho que hasta hoy, el umbral del siglo XX, es deplorable. En los archivos nacionales a la Química se le sigue considerando como apéndice de las Ciencias Biológicas. ¿Cuánto tiempo deberá transcurrir para que se le dé su lugar como lo que es, una ciencia básica de igual jerarquía que la física y las matemáticas? ¡Los funcionarios del CONACyT, SNI y otros organismos oficiales ya podrían reconocer este hecho! LA QUÍMICA EN MÉXICO: 1985-2000 Antes de considerar algún tipo de pronóstico, dos comentarios preliminares son muy deseables. El primero toca precisamente la definición del tema: ¿qué es la físico-química? Una posible respuesta es que esta disciplina versa con el estudio de procesos químicos bajo la óptica de las leyes de la física. Pero otra respuesta más drástica todavía, afirma que es la aplicación de las leyes de la física al estudio de fenómenos químicos. Con esta última simpatizaría más P. A. M. Dirac que alguna vez afirmó que una vez establecida la mecánica cuántica, la química se convertía en una mera aplicación de las leyes de la física (cuántica, desde luego). Esto no es del todo correcto. Pero ambas posturas tienen mucho en común aunque su intersección no es el todo. Para ejemplificar, tomemos las dos revistas norteamericanas de investigación en el tema y de mayor impacto en el medio. El Journal of 27 �El desarrollo de la química en México: Físico-Química y áreas afines Chemical Physics, editado por el American Institute of Physics y el Journal of Physical Chemistry, editado por la American Chemical Society. Cada una proyecta con mucha claridad cada una de las dos posturas. Para los propósitos de este escrito, voy a tomar a la físico-química en cualquiera de sus dos acepciones; esto le dará mucho más generalidad a las opiniones sobre esta área de la química. El segundo comentario es un tanto regional. Hace aproximadamente cuarenta años cuando yo era estudiante de doctorado una buena parte del trabajo de investigación contenido en el aspecto más físico del problema (Chemical Phisycs) se llevaba a cabo en departamentos de Física en tanto que la Fisicoquímica convencional era del dominio de los departamentos de química. En los EUA hoy en día eso ha cambiado radicalmente; prácticamente todas aquellas áreas de investigación que conforman uno u otro enfoque se confinan a departamentos de química, Ingeniería Química y Ciencias de Materiales; es muy raro encontrar áreas de investigación de esta índole en departamentos de física. Esto, ciertamente, no ha ocurrido en México. Una buena parte de la investigación que yo clasificaría bajo el rubro de química-física se lleva a cabo en grupos de investigación asociados a institutos y/o departamentos de física. Aunque uno puede, en primera instancia, asociar este fenómeno en los países avanzados a la enorme demanda que existe por estos temas en la industria moderna y su clarísima relación con los grupos de investigación en química, no voy a profundizar más en las razones subyacentes. Baste simplemente mencionar en nuestro medio al tremendo divorcio que hay en la industria petrolera de México, especialmente en la controvertida área de la petroquímica y la investigación básica en esta materia, en la físico-química y en la química de polímeros. Sobre esto ya se ha hablado y escrito in extenso en el pasado no muy lejano,5 la situación no ha cambiado un ápice, a pesar de la demagogia oficial, y el lector 28 interesado encontrará toda la información en la obra arriba citada. Con esto en mente podemos ahora pasar al tema principal, ¿cómo se ha desarrollado la físico-química en México en los últimos quince años? Voy a dividir la respuesta en tres partes dependiendo de la naturaleza de la institución donde se ha llevado a cabo la investigación. La primera parte concierne a la solidez de los grupos de físico-química en escuelas o institutos de química, que salvo algunas excepciones, son los que ya existían desde hace más de veinticinco años. En el D. F. ello son los departamentos de química del CINVESTAV y la UAM-Iztapalapa a juicio del autor no sólo en físico-química sino en química, dos de los mejores con que cuenta el país. La Facultad de Química y el Instituto de Química ambos de la UNAM cuentan, la primera con excelentes grupos de investigación en las áreas de termodinámica y química cuántica muy consolidados después de tantos años y en el Instituto parece haberse roto la vieja tradición de que sólo es un químico respetable aquel que solo realiza actividades experimentales en el laboratorio, al haberse integrado grupos teóricos trabajando en diversos aspectos de la físico-química de los fluidos. Fuera del D. F. la gran excepción es la Universidad de Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Leopoldo García-Colín Scherer Guadalajara donde bajo una relación interdisciplinaria con la ingeniería Química se ha desarrollado un excelente grupo de investigación en el área de lo que hoy llamaríamos fluido complejos. En el Instituto Tecnológico de Celaya, sede de otro de los tres “grandes” en investigación en Ingeniería Química podría existir una situación similar, ciertamente tienen la infraestructura. También deben mencionarse dos departamentos de química en Puebla, uno en la Universidad de las Américas y otro en la BUAP que ya cuentan con algunos grupos de investigación en el tema, aunque desconozco las especialidades precisas. Algo similar ocurre en la Universidad de Guanajuato pero también desconozco los detalles. Posiblemente existan más en el país, de antemano pido disculpas por posibles omisiones pero al mismo tiempo sirva este pequeño esfuerzo para que los editores puedan obtener más información, el inventario resultante le sería de gran utilidad a la SQM. A estas alturas algún lector curioso se preguntará por qué entre las instituciones de investigación ubicadas en el D. F., no he mencionado el Instituto Mexicano del Petróleo que por su naturaleza, su origen y su relación con la empresa petrolera más poderosa de Latinoamérica PEMEX, debería ocupar sin discusión, el numero uno en la investigación de físicoquímica en el país. La razón es primero, que hasta 1991, a veintiséis años de su creación, el IMP fue no sólo la gran decepción, sino además el fracaso más estrepitoso como institución de investigación de las creadas por el gobierno en la década de los sesenta. La historia de este fracaso está ampliamente relatada.5 Los últimos diez años y sobre todo en las últimas dos administraciones, sus respectivos directores han hecho esfuerzos muy loables para reconstruir aquellos viejos grupos de investigación en muchas áreas de la química que tanto prestigio le dieron a la institución. No obstante hasta hoy los resultados no son muy transparentes pero habrá que esperar más tiempo antes de emitir juicios más sólidos. La segunda parte de la respuesta se refiere a la Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 investigación en físico-química que actualmente se realiza en departamentos e institutos de física en el país. Curiosamente es mucho más compleja por ser más rica en variedad y distribución regional. Esto además implica el riesgo mucho mayor que en el caso anterior, de hacer omisiones así que me limitaré a mencionar superficialmente algunas de dichas instituciones donde me consta que estas actividades se llevan a cabo pero no entrare en detalles de áreas especificas y mucho menos de nombres de investigadores. Sólo en el D. F. en el departamento de física de la UAM-Iztapalapa hay tres grupos de investigación en físico-química teórica. Otros tantos los hay en el Instituto de Física, El Instituto de Estudios Nucleares y el de Investigación en Materiales de la UNAM. El Departamento de Ciencias de la Universidad Iberoamericana tiene algunos proyectos de investigación en físico-química aplicada. En la provincia ciertamente el Instituto de Ciencias de la UASLP, el Instituto de Física de la Universidad de Guanajuato, el centro de Estudios de Materia Condensada de la UNAM en Ensenada, cuentan con grupos de investigación en temas hoy ubicados en la físico-química moderna, y no dudo que haya varios más, sería de mucha utilidad saber de su existencia. La tercera y última parte de la respuesta se refiere a la participación de la industria (no-estatal) en estos quehaceres. Para un científico del área exclusivamente académica esto no es muy fácil de evaluar. Ciertamente el grupo de desarrollo científico y tecnológico del corporativo Grupo Industrial Resistol S.A. (GIRSA), hoy ubicado en Altamira, Tamps, tiene proyectos de físico-química aplicada en la industria del hule. También los tiene el Centro de Desarrollo del Grupo COMEX en Tepexpan, Hgo., Celulosa y Derivados S. A., Industrias Vitro y otros corporativos similares algo han de tener pero es difícil de cuantificar. Es tiempo de que como corolario a este análisis sobre el desarrollo de la Química en este siglo supiéramos más sobre este componente. Este es un ejercicio para el futuro. 29 �El desarrollo de la química en México: Físico-Química y áreas afines CONCLUSIONES Hace quince años se hablaba de que como ciencia, la química era el patito feo en cuanto a su desarrollo comparativo con sus hermanas, la física y las matemáticas. Mencionamos antes que hasta 1985 había aproximadamente 200 doctores en química en el país. Dado que, como ya dijimos, existe el error ancestral de ubicar a la química dentro de las ciencias biológicas, es difícil conocer cifras concretas y precisas. Si esta población se duplicó o triplicó en 15 años hoy serían 600 doctores en química pero sobre una población de 100 millones de habitantes, lo cual daría 3/5 de doctor por cada 100,000 habitantes que es una cifra propia no para un país del tercer mundo, sino para uno de quinto mundo. Extraer de este ejercicio la fracción de químicos dedicados a la físicoquímica no solo es irrisorio, es también inútil. A pesar del incremento en bruto que hemos observado en los últimos quince años, en el número de investigadores, para las características de un país como el nuestro, la química está en el infradesarrollo. No es concebible, aunque evidentemente es posible, que un país con los recursos naturales como el nuestro, no le haya dado un impulso prioritario a esta ciencia desde hace ya cien años. La dichosa “expropiación petrolera” que 30 más ha servido de bandera político-demagógica que de detonador de una planeación científico-tecnológica, no ayudó en nada. En la actualidad, no existe una sola institución de educación superior en el país que ofrezca estudios de postgrado en petroquímica. Este es un hecho vergonzoso, es desastroso. Opaca, obscurece y aniquila la tan sobada frase de que el petróleo es nuestro. ¿De qué nos sirve si sólo sabemos venderlo? Y mejor no hablar de otros muchos recursos naturales no renovables. La pregunta es ¿qué nos ofrece el futuro? En materia tecnológica relacionada con la intervención de la química, ninguno. Mientras no se tomen medidas serias y sanas, primero, para resaltar la importancia de esta ciencia en la vida diaria de un ser humano, desde la cocina, la contaminación y hasta el uso de ella en la manufactura de productos llamados de “beneficio social” y segundo, se haga un esfuerzo notable por hacer de esta ciencia un atractor de estudiantes y no como lo es nuestro medio, un repulsor gracias a su terriblemente deficiente enseñanza, sobre todo a nivel medio, estamos condenados a ser lo que ya somos: esclavos del colonialismo tecnológico y viles exportadores de materias primas.¿Quién quiere saber o apreciar algo de la química? REFERENCIAS 1. Álvarez Luna E.; Escamilla, A.; Flores.; García Rocha, A.; Gollás, M.; Gómez, G.; Grant, J.; Márquez, T.; Ondarza, R.; Pellicer, I.; Sugiura Yamakoto, Y.; Waissbluth, M.; Ciencia y Desarrollo, CONACyT, 1982, 8, 27-83. 2. Mateos J. L. Ciencia y Desarrollo, CONACyT, 1983, 9, 27-31. 3. Contreras, R., et al.; Ciencia y Desarrollo, CONACYT,1985,11,166. 4. García-Colín, L., Rev. Mex. Fis. 1983, 29, 313. 5. García Colín, L., Realidad y Demagogia sobre la Tecnología en México; Premia eds., México D.F. 1989 (distribuido por el Colegio Nacional, México, D.F.). Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Soldadura ultrasónica¨ Fernando J. Elizondo G.* Carlos A. Lara O.,* Jorge A. Cupich G.* ABSTRACT The welding technology has obtained such advance that now its possible to join metals or plastics in a fraction of second by using ultrasonic vibrations. In this lecture the basic aspects of ultrasonic welding will be discussed, whit special emphasis to metal welding. Some industrial applications will be shown. Keywords: Welding, ultrasonic, metals. INTRODUCCIÓN Con el desarrollo de la electrónica, la que se hace presente cada vez en más productos, el número de pequeñas piezas a ser soldadas se ha incrementado notablemente y por lo tanto también la necesidad de mejores métodos de soldadura. Una de las nuevas opciones, disponible ya en el mercado de aplicaciones para la industria, es la soldadura ultrasónica, la cual resulta atractiva para unir piezas pequeñas, películas metálicas muy delgadas, cable plano flexible, metales tanto similares como diferentes e incluso plásticos. La soldadura ultrasónica no utiliza productos consumibles, se realiza rápidamente, consume poca energía, no producen gases ni olores nocivos al ambiente y puede ser controlada electrónicamente para asegurar un control de calidad en la línea de producción. SOLDADURA ULTRASÓNICA Cuando se unen materiales por medio de soldadura ultrasónica, a las partes a ser unidas se les aplican simultáneamente una fuerza estática, la cual mantiene en posición las piezas y facilita la unión, y una fuerza dinámica (vibración ultrasónica), la cual genera la fricción que produce el calor necesario para “sol¨ Adaptado de la ponencia presentada en el 8° Congreso Internacional Mexicano de Acústica realizado en la ciudad de Oaxtepec, Morelos, México, en Noviembre 2001. 14-16 Nov. 2001. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 Fig. 1. Diferencias en los procesos de soldadura ultrasónica. (a) para plásticos, (b) para metales. dar” los materiales a unir. Este procedimiento es usado en las industrias tanto para unir plásticos como para unir metales. SOLDADURA ULTRASÓNICA DE PLÁSTICOS La soldadura ultrasónica de plásticos ha sido usada por muchos años. Cuando se sueldan termoplásticos las vibraciones son introducidas verticalmente. El incremento térmico en el área de unión es producida por la absorción de las vibraciones mecánicas de alta frecuencia (20 a 70kHz), la reflexión de las vibraciones en el área de contacto y la fricción entre las superficies de las partes. En el área de contracción, se produce calor por la fricción de tal manera que el material se plastifica localmente, forjando una conexión entre ambas partes en un corto período de tiempo. El prerrequisito es que ambas piezas de trabajo tengan un punto de fusión cercano. La calidad de la unión es muy uniforme porque la transferencia de energía y el calor interno liberado permanecen constantes y se limitan al área de unión. Para obtener un óptimo resultado las áreas a unir son preparadas para hacerlas adecuadas a la unión ultrasónica. La soldadura ultra* Laboratorio de Acústica. FIME-UANL. E-mail: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx 31 �Soldadura ultrasónica a alta frecuencia (usualmente 20, 35 o 40 kHz) durante el proceso de soldado. La frecuencia de oscilación más comúnmente usada (frecuencia de trabajo) es 20 kHz. Esta frecuencia está sobre el rango audible del oído humano y permite el mejor uso posible de la energía. Para procesos de soldadura en los que se requiere sólo una pequeña cantidad de energía, puede ser usada una frecuencia de trabajo de 35 ó 40 kHz. Fig. 2. Máquina para soldar plásticos ultrasónicamente, marca STAPLA, modelo K1. sónica puede ser utilizada para unir firmemente o embeber partes de metal con o en plástico. SOLDADURA ULTRASÓNICA DE METALES 1 Mientras que en la unión ultrasónica de plásticos las vibraciones de alta frecuencia son usadas para incrementar la temperatura y así lograr la plastificación del material; la unión ultrasónica de metales es un proceso completamente diferente: las vibraciones mecánicas son introducidas horizontalmente, las partes a ser soldadas no son calentadas hasta el punto de fusión, sino que son conectadas gracias a la aplicación de presión y vibraciones mecánicas de alta frecuencia. El sonotrode y el yunque tienen superficies ásperas o tienen generalmente superficies fresadas con estrías cruzadas para apretar las piezas que se ensamblarán y prevenir deslizamientos indeseables. Se aplica presión estática perpendicularmente a la interfaz a soldar. Luego se sobrepone la fuerza cortante oscilante de alta frecuencia (ultrasonido). Las fuerzas dentro de los objetos deben mantenerse por debajo del límite de elasticidad para que las piezas no se deformen. Si las fuerzas sobrepasan un valor de umbral dado, ocurrirá una deformación local en los materiales a unir. Las piezas se compactan ligeramente en la superficie debido a la fuerza de sujeción antes de conectar Durante la soldadura ultrasónica de metales, un proceso complejo es iniciado el cual involucra fuerzas estáticas, fuerzas cortantes de oscilación y un moderado incremento de temperatura en el área a soldar. La magnitud de estos factores depende del grosor de las piezas a unir, de su estructura superficial y de sus propiedades mecánicas. Las piezas de trabajo son localizadas entre una pieza fija, esto es, el yunque, y el dispositivo generador de las vibraciones ultrasónicas denominado “Sonotrode” o “horn”, el cual oscila horizontalmente 32 Fig. 3. Esquema de un sistema típico de soldadura ultrasónica para metales. 1.- Sonotrode: transductor piezoeléctrico, fuente de la vibración ultrasónica, 2 y 3.Partes a ser unidas, 4.- Yunque: plancha de acero, 5.- área a ser soldada Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Fernando J. Elizondo G., Carlos A. Lara O., Jorge A. Cupich G. Fig. 4. La vibración mecánica ultrasónica mueve una de las piezas a soldar contra la otra fija, todo esto bajo una fuerza de presión estática. la energía ultrasónica; el intervalo durante el cual sucede esto se llama tiempo de exprimido. Después de apagar la energía ultrasónica y aflojar la fuerza de sujeción, se aplica una breve ráfaga de la primera para evitar que el ensamble soldado se pegue a la herramienta o al yunque. Las vibraciones de alta frecuencia inducen fuerzas cortantes que disminuyen la contaminación superficial de los materiales a unir y producen un enlace puro entre los metales en la interfase. La oscilación posterior hace que el área de la soldadura crezca. Al mismo tiempo lleva a cabo una difusión atómica en el área de contacto y el metal se recristaliza en una estructura de grano fino similar al que caracteriza a los metales trabajados en frío. La soldadura ultrasónica del metal es local y limitada a las fuerzas de corte y al desplazamiento de las capas intermedias. Sin embargo, una fusión no ocurre si la fuerza de presión, la amplitud y el tiempo de la soldadura son ajustados correctamente. Los análisis microscópicos usando microscopios ópticos y electrónicos hacen evidente la recristalización, la difusión y otros fenómenos metalúrgicos. Sin embargo, no proporcionan ninguna evidencia de fusión (interfaz fundida). El uso de sensores térmicos altamente sensibles en las capas intermedias muestran un aumento inicial de la temperatura con una posterior disminu- Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 Fig. 5. Máquina marca STAPLA, modelo MINI CONDOR ST3O. ción constante de la misma. La temperatura máxima obtenida depende de los ajustes que se hagan a los controles del equipo de soldadura. Un aumento en la energía ultrasónica conduce a un aumento de la máxima temperatura posible. Un aumento en la fuerza estática conduce a un aumento de la temperatura inicial, pero al mismo tiempo limita la posible temperatura máxima. Por lo tanto, el perfil de temperatura puede ser manejado, dentro de ciertos límites, haciendo los ajustes apropiados en la máquina. Fig. 6. Unidad marca STAPLA modelo UTA3000 para soldar terminales. 33 �Soldadura ultrasónica do que las uniones son sólidas, homogéneas y duraderas. Si, por ejemplo, una hoja de aluminio fina se suelda ultrasónicamente a una hoja de cobre fina, puede ser observada fácilmente que después de cierto tiempo de soldado, las partículas de cobre aparecen en la cara opuesta a la unión de la hoja de aluminio, al tiempo que las partículas de aluminio aparecen en la cara opuesta a la unión de la hoja de cobre. Esto muestra que los materiales se han penetrado uno a otro, siendo este proceso conocido como difusión. Este proceso ocurre dentro de fracciones de segundo. VENTAJAS Y LIMITACIONES A continuación en la tabla I se presentan las principales ventajas y limitaciones de la soldadura ultrasónica según T. Difinizio.2 Tabla I. Ventajas y limitaciones de la soldadura ultrasónica. Ventajas · L a s o l d a d ur a ul t r a s ó ni c a d e m e t a l e s une m uc ha s c o m b i na c i o ne s d e m e ta le s d i s ím i le s , c o m o c o b r e c o n aluminio. · Los tiempos usuales de ciclo son menores de 1 segundo. · La calidad de soldadura es alta y uniforme. Las ligas son no r m a l m e nt e m á s f ue r t e s q ue l a s j unt a s he c ha s c o n soldadura o por resistencia. · No hay efectos adversos al ambiente. · Ne ce si d a d mo d e ra d a d e ha b i li d a d y e ntre na mi e nto d e l operador para producir uniones de alta calidad uniforme. · La soldadura ultrasónica de metales no utiliza consumibles potencialmente peligrosos, como soldadura o fundente. · No hay acumulación de calentamiento ni fusión, de modo que no se provoca fragi li zaci ón ni zonas afectadas por el calor. · La conductividad eléctrica es normalmente superior que la obtenida con conexiones trenzadas o soldadas. · C a nti d a d e s mo d e ra d a s d e o xi d a c i ó n o c o nta mi na c i ó n superficial no afectan la cantidad de la conexión. Limitaciones · L a s o l d a d ur a ul t r a s ó ni c a d e m e t a l e s s e r e s t r i ng e a soldadura de solapa; no puede hacer soldaduras de cordón. · Sólo se pueden soldar piezas con espesores menores a 3mm. · Sólo puede unir superficies planas o con curvatura mínima, excepto para unir alambres. · No es adecuada para unir partes estañadas. · El costo de capi tal es usualmente mayor que para el de soldadura ordinaria. Fig. 7. Proceso de soldadura ultrasónica de metales La temperatura en la capa intermedia es, por supuesto, también una función de las características del material. La regla básica es que la temperatura obtenida es mayor en los materiales con una conductividad térmica baja, tal como el hierro, y menor para los metales con una conductividad térmica más alta, tal como el cobre y el aluminio. Las medidas de temperatura efectuadas en diversos materiales, con puntos de fusión que varían ampliamente, han mostrado que la temperatura máxima en la interfase de la soldadura no excede de un 35 a 50% de la temperatura que derrite al metal individual, cuando se han seleccionado los parámetros de la soldadora apropiadamente. La soldadura ultrasónica de metales no produce una adhesión superficial en los metales. Se ha proba- 34 Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Fernando J. Elizondo G., Carlos A. Lara O., Jorge A. Cupich G. APLICACIONES ULTRASÓNICA DE LA SOLDADURA Las aplicaciones de la soldadura ultrasónica crecen y la oferta en el mercado de máquinas adecuadas al uso industrial aumenta cada año. A manera de ejemplo presentamos a continuación una serie aplicaciones ya consolidadas a nivel industrial de la soldadura ultrasónica de metales.3 Industria: Automotriz. Cable de cobre unido a terminal de cobre. Industria: Aparatos domésticos. Disco de aluminio unido a elemento de calentamiento de aluminio. Industria: Automotriz. Cable de cobre 20 AWG unido a una terminal de latón recubierta de níquel. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 Industria: Automotriz. Cable de cobre 20 AWG unido a un cable de cinta plana. Industria: Eléctrica-comunicaciones. Cable de cobre 12 AWG unido a una placa de latón recubierta de níquel. 35 �Soldadura ultrasónica Industria: Acero/fundición. Alambre de cobre unido a un anillo de cobre. Industria: Comunicaciones. Alambres de cobre 18 AWG unidos a terminales de placas de latón recubiertas de oro. Industria: Electrónica-cableado. Alambre de cobre 10 AWG unidos a terminales de latón. Industria: Electrónica-cableado. Alambre de cobre 14 AWG unido a terminal de cobre. 36 Industria: Eléctrica. Cable trenzado de cobre unido a brazo de contacto de latón. Industria: Solar. Intercambiador de calor. Aletas de cobre unidas a tubos de cobre. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Fernando J. Elizondo G., Carlos A. Lara O., Jorge A. Cupich G. COMENTARIOS FINALES Como los sistemas de soldadura ultrasónica tienen bajas demandas de energía, no utilizan productos consumibles, no necesitan agua de enfriamiento y ocupan poco espacio, pueden ofrecer soluciones rentables y ecológicamente inocuas para aquellas aplicaciones que están dentro de sus rangos de aplicabilidad. Industria: Electrónica-capacitores. Hojas múltiples de aluminio unidas a remache de aluminio. Que la soldadura ultrasónica de metales sea apropiada para una aplicación específica depende de los materiales, la tasa de producción, el tiempo de proceso, el tamaño de las piezas, las demandas energéticas y el costo del equipo, el cual deberá descender durante los próximos años. Dado que ésta es una tecnología emergente, en el futuro veremos aparecer nuevas aplicaciones, mayores rangos de aplicación tanto en materiales como en tamaño, máquinas más portátiles, mayor facilidad de operación, más fabricantes y proveedores de equipos y costos más bajos. Industria: Eléctica. Cable de cobre 6 AWG unido a barra de latón recubierta de níquel. BIBLIOGRAFÍA 1. “Ultrasonic metal Welding: Principles and application of high-grade bonding technology”, Libro electrónico editado por STAPLA Ultrasonics Corporation. 2. Tony Difinizio. “Soldadura: Uniones ultrasónicas”, Manufactura, año 7, número 67, enero 2001, México, D.F. 3. Homepage de STAPLA Ultrasonics Corporation http://staplaultrasonics.com/company.htm 4. Homepage de SONITEK. Sonic & Thermal Technologies, Inc. http://www.sonitek.com/home.htm Industria: Refrigeración. Corte y soldado de tubos de cobre. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 5. Homepage de Branson Ultrasonic Corporation, Applied Technologies Group http://www.branson-plasticsjoin.com/bpj/ index.html 37 �Diagnóstico de fallas usando observadores no lineales: Un caso de estudio Efraín Alcorta García* ABSTRACT In this work is reported the application of fault detection methods to a hydraulic actuator. A nonlinear observer is used to generate a signal that only depends on the faults. This signal is called residual. An analysis of the generated residual has to de done in order to determinate if a fault is present. Two kinds of fault are under consideration: component faults and additive faults. In both cases simulation results of the detection are provided. Key words: fault detection, analytical redundancy, nonlinear observers, linear matrix inequalities. INTRODUCCIÓN La naturaleza física de los sistemas de control hace que estos sean vulnerables a fallas de sus componentes. Estas fallas pueden producir desde una reducción considerable del desempeño hasta cuantiosas pérdidas económicas. La posibilidad de evitar un accidente o de reducir las pérdidas relacionadas con fallas en sistemas representa una motivación para el desarrollo de sistemas de detección y corrección. En los últimos años el desarrollo de algoritmos para la detección y localización de fallas en sistemas dinámicos ha sido investigado muy intensamente 1, 2, 3, 4, 5. Los algoritmos más poderosos hacen uso explícito del modelo matemático del sistema bajo consideración. El proceso de detección se realiza en dos pasos, primero son generadas señales que contienen sólo información sobre las fallas (llamadas residuos). El segundo paso consiste en la evaluación y análisis de los residuos. Uno de los métodos más efectivos para la generación de residuos es el basado en observadores. En la literatura se dispone de diferentes resultados para la generación de residuos basada en observadores para modelos lineales de los sistemas. Una idea semejan- 38 Los observadores no lineales estan siendo usados en la aviación moderna para el diagnóstico de fallas. te, basada en observadores se puede también aplicar a sistemas con modelo no lineal, sin embargo, el problema se vuelve más complicado, pues la observación de sistemas no lineales es un problema difícil aún y cuando se conozca el modelo a perfección. En este trabajo se reporta la aplicación de un método de detección de fallas basado en observadores al modelo a un actuador hidráulico. En particular se utiliza un observador no lineal para la construcción de un generador de residuos. El observador se construye sobre la base de un modelo que cuenta con una parte lineal y una no-lineal. La construcción del observador requerido es apoyada con el método de optimización basado en desigualdades matriciales lineales. Dos tipos de fallas son estudiados: fallas de los componentes y fallas aditivas al modelo. En ambos casos los resultados de simulaciones son presentados. La planta sujeta a estudio forma parte de un sistema de control más complejo, sin embargo, sólo la detección de fallas en este componente (que a su vez * División de Estudios de Postgrado, FIME-UANL E-mail: ealcorta@ieee.org Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Efraín Alcorta García define un lazo de control) está siendo considerado. El actuador hidráulico considerado sirve como actuador de la superficie de control en un avión comercial. MODELO DEL SISTEMA La planta bajo consideración es un actuador hidráulico de la superficie de control de un avión. Este tipo de actuador puede ser utilizado donde se requiera mucha fuerza en el elemento final de control.6, 7 En esta sección revisaremos el modelo matemático del actuador. Un diagrama a bloques del sistema en lazo cerrado puede ser visto en la figura 1. x com x - C ontrol posici n del pist n Servo vÆlvula actuado r 1  0  − 6.7431  10 A= − 3.58 × 1010 0   − 1550 0   x    d v  = dt  ∆P    x   v  x     v  A  + f (v, xv , ∆P) ∆P   x   v y = C (x v ∆P xv ) T donde: Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 0 0     0  − 270.27  0 (2) y las variables de estado x es la posición del elemento final del actuador, v es la velocidad del elemento final, DP es la presión diferencial, xv es la posición de la válvula de control del actuador. La función W esta definida por W (µ ) = Enseguida se dará una descripción del actuador hidráulico utilizado como base en este trabajo. Una explicación más detallada del actuador hidráulico puede ser encontrada en 8. Una descripción esquemática del actuador hidráulico es mostrada en el diagrama de lazo cerrado de la figura 2. El correspondiente espacio de estados es: 6.87 × 10 0 −7 0     − 248.98(v v + sin g(v))   f (v, xv, ∆P) =  ∆P    10 xv W  sin g( xv ) −  1.655×10 x0  2 ×107      1550xcom   C = (1 0 0 0) Fig. 1. Sistema en lazo cerrado. Modelo matemático 0 µ |µ| |µ| Note que la matriz de observabilidad para el par (A,C) tiene rango 3. El modo no observable corresponde a la posición de la válvula de control y este es estable. Basado en este modelo, un observador será diseñado usando la teoría descrita en la siguiente sección. se rv o v Ælv u la ref l n eas h id rÆu licas S u p erficie d e co n tro l p ist n (1) A ctu ad o r M e d ici n d e la p o sici n d e l p ist n Fig. 2. Actuador hidráulico en lazo cerrado. 39 �Diagnóstico de fallas usando observadores no lineales: Un caso de estudio DIAGNÓSTICO DE FALLAS BASADO EN OBSERVADORES Una manera de realizar la generación residual es mediante el uso de observadores de la salida. En el caso del actuador, como el modelo matemático es no lineal, es requerido un observador no lineal como el que se presenta en esta sección. La idea básica está representada en la figura 3. En general el diseño de observadores no lineales no es una tarea fácil, a pesar del conocimiento que se tenga de las no linealidades involucradas. Un diseño S istem a A c tua l M o d e lo n om in al reformular el diseño de observadores como un problema de desigualdades lineales matriciales (LMI, por las iniciales en inglés) y entonces aplica métodos poderosos de optimización numérica (basados en el teorema del punto central10) para resolver éste. El software para resolver problemas de LMI puede ser encontrado en el toolbox de LMI de Matlab versión 5. La clase de sistema no lineal considerada es descrita por las siguientes ecuaciones • ε (t ) = Aε (t ) + Ψ (ε (t ), u (t )) + φ ( y (t ), u (t )) y (t ) = Cε (t ), (2) donde y (e(t), u(t)), es una no linealidad Lipschitz con una constante de Lipschitz l, es decir, Ψ (ε (t ), u (t )) − Ψ (ε (t ), u (t )) ≤ λ ε (t ) − ε (t ) (3) y el par (A, B) es detectable. El observador está dado por G e nerad o r d e residu o s • Fig. 3. Estructura de un generador de residuos basado en observadores. disponible para la clase de sistemas con una parte lineal y otra no lineal se puede encontrar en9 y es la que se utilizará en este trabajo. En este caso el actuador tiene una estructura que permite el diseño de un observador que tiene convergencia global independientemente del valor de la entrada (un problema bien conocido para sistemas no lineales en general es que pueden perder la observabilidad para valores específicos de la entrada). El diseño es basado en la parte lineal contenida en el modelo y sobre el valor de la constante de Lipschitz de la función no lineal. Diseño de los residuos En este trabajo se considera el diseño de un observador no lineal descrito en9. La idea consiste en 40 ε (t ) = Aε (t ) + Ψ (ε (t ), u (t )) + φ ( y (t ), u (t )) + + L( y − Cε ). (4) La dinámica del error de observación resulta en • ε~ (t ) = ( A − LC )ε~ (t ) + Ψ (ε (t ), u (t )), (5) donde ε~ (t ) = ε (t ) − ε (t ) . La condiciones suficientes para la convergencia del error de estimación a cero son garantizadas mediante el teorema 1. Teorema 1.9 Sí una matriz L puede ser asignada tal que ( A − LC )T P + P( A − LC ) + λ2 PP + I < 0 (6) para alguna matriz simétrica P, definida positiva, entonces la asignación de L hace al observador del sistema asintóticamente estable. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Efraín Alcorta García Observación 1. Como es mostrado en9, la desigualdad con la condición puede ser re-escrita como una desigualdad lineal matricial (LMI) de la siguiente forma  AT P − C T X T + PA − XC + 1 P   1 <0 P I  λ2  ( L = 2.08 × 10 6 1.31×10 7 (7) con P > 0, X 0 PL. La ecuación (1.27) puede ser resuelta usando técnicas de optimización convexas,2 si la desigualdad de Riccati asociada tiene una solución válida. Aplicación al actuador hidráulico Como se vio en la sub-sección anterior el diseño consiste en encontrar una matriz L que satisfaga las condiciones del teorema 1. Para esto es necesario primero conocer la constante de Lipschitz para la parte no lineal del modelo dado por la ecuación (1). El cálculo numérico de la constante de Lipschitz puede llegar a ser muy complicado si la función bajo consideración es vectorial y depende de muchas variables. La función no lineal de nuestro caso está dada por: f (v, ∆P, xv ) ∂ λ0 = max f (µ ) , µ ∂µ ∆P xv ]. Aquí λ ≤ λ0 . El cálculo 7.24 ×10 6 ) Con esta retroalimentación los polos de A - LC resultan –2.782, -2.87+157i, -2.87-157i. Evaluación de residuos Después de disponer de un generador de residuos, la evaluación de estos puede realizarse en dos pasos: primero es necesario contar con una función de evaluación de residuos, la cual debe de permitir ver con mayor facilidad el efecto de las fallas. Segundo, se requiere de un valor de umbral con el que la función del residuo tiene que ser comparada para decidir si una falla está presente. Función de evaluación En este reporte la función de evaluación usada es la suma de los cuadrados pesados del error. Una forma de obtener esta suma recursivamente es como sigue: k ε K = ∑ λk −i ri 2 i =0 La cota superior es calculada con la ayuda de la derivada parcial de f con respecto a v, xv y DP y encontrando el máximo de la norma de esta función con respecto a los posibles valores de las variables v, xv y DP, en la región de trabajo, esto es: donde µ T = [v Con este valor para la constante de Lipschitz, el cálculo del vector L se realizó utilizando desigualdades lineales. El vector L está dado por: ε K = λε k −1 + r , (8) 2 k donde rk representa la kth muestra del residuo y l es un factor de olvido (valores típicos para lambda son por ejemplo 0.9 ≤ λ < 1 ). Note que si l = 0, la función de evaluación en el paso kth llega a ser ε k = rk2 , es decir, solo depende del valor kth del residuo. Por otra parte, si l = 1, el residuo diverge, a pesar de que no se tengan fallas en el residuo. en Matlab. El resultado final fue λ0 = 1.6 . El umbral es determinado de tal manera que las perturbaciones del sistema no causen falsas alarmas. Una manera de construirlo es determinando cuando la señal obtenida de la función de evaluación del resi- Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 41 del valor de λ0 fue obtenido utilizando un programa �Diagnóstico de fallas usando observadores no lineales: Un caso de estudio duo no cambia con una pendiente mayor a alguna preestablecida. El umbral es definido como sigue: Si el tiempo es menor a 3 seg., el valor de umbral es directamente el residuo más una cantidad arbitraria y pequeña (en la experimentación se utilizó 0.02). Para seg t > 3., el umbral está dado por: c ⋅ ep1k + ep0 ε kth > ε k −1 , ε kth =  1 ε kth ≤ ε k −1  c2 ⋅ ep2 k (9) donde ep1k +1 = c1 ⋅ max(ε k − N +1 , λ1 ⋅ ep1k ) ep 2 k +1 = c2 ⋅ max(λ2 ⋅ ε k −1 , ε k − N ). (10) Los valores numéricos fueron seleccionados a prueba y error de tal forma que no se presentara ninguna falsa alarma, sin embargo, algunas fallas no pueden ser detectadas y algunos retrasos considerables en la detección están también presentes. Un diseño óptimo de los valores debe, en principio, mejorar los resultados obtenidos. Una alternativa para el procedimiento presentado puede ser encontrado en la literatura.11 dos niveles diferentes, perturbaciones del viento con amplitud de 0.1 ó de 0.3 grados, la presión de la fuente de alimentación se modificó de 209 a 160 bar (condición común en la práctica) y 3 tipos de forma de onda de la falla (sinusoidal, triangular y diente de sierra) y. Un ejemplo de la trayectoría que sigue el residuo y el umbral para este tipo de falla puede ser encontrada en la figura 4. La generación de residuos basada en observadores para el diagnóstico de fallas oscilatorias resultó ser un método eficiente, pues las fallas pueden ser detectadas. Excepto en casos donde la combinación de frecuencia y amplitud de una falla (por ejemplo 0.2Hz, y 0.5°) la detección se dificultó. En la mayoría de los casos conteniendo esta combinación la detección no fue posible o solo con un retraso considerable. La detección de fallas que tienen las características antes mencionadas es en principio posible, pero el ajuste de la función de evaluación tiene que reconsiderarse. RESULTADOS Los experimentos fueron desarrollados bajo diferentes escenarios. Se consideró un conjunto de diferentes valores de parámetros, de las condiciones externas (perturbaciones) y de los tipos de falla. Dentro de los diferentes escenarios de prueba para el algoritmo de diagnóstico se encuentra uno en el cual las fallas son tales que la posición del pistón varía de manera oscilatoria independientemente de la señal de control. Este tipo de fallas ha sido reportado en la práctica, vea por ejemplo8. Los escenarios considerados incluyen una falla con las siguientes frecuencias: 0.2, 0.5, 1, 4 y 10 Hz. La amplitud varía como sigue: 0.1 y 1 grados. Además se consideró ruido afectando con 42 Figura 4. Ejemplo de residuo y de valor de umbral en la detección de fallas oscilatorias (con las siguientes condiciones: amplitud 1 gado, frecuencia 1 Hz, 0.1 grados de la perturbación, nivel bajo de ruido, presión de la fuente 209 bar). El resultado muestra la función de evaluación. Un segundo tipo de fallas consideradas dentro de las pruebas fue un cambio de uno de los parámetros del pistón. Este cambio puede ser modelado como un termino aditivo a la ecuación (1) del sistema. Este tipo de fallas resulta relativamente fácil de detectar. Como ejemplo vea la figura 5. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Efraín Alcorta García REFERENCIAS 1. P. M. Frank. Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based redundancy - a survey. Automatica, 26:459-474, 1990. 2. J. Gertler. Model based fault diagnosis. ControlTheory and Advanced Technology, 9(1):259-285, 1993. 3. R. Isermann. Process fault detection based on modeling and estimation methods-A survey. Automatica, 20:387-404, 1984. Fig. 5. Comportamiento de los residuos con fallas de los componentes. CONCLUSIÓN El problema de detectar fallas utilizando un método basado en observadores fue considerado en este trabajo. El sistema sujeto a estudio fue un actuador hidráulico, que es utilizado frecuentemente donde se requiere mucha fuerza en el elemento final de control. Primero fue presentado el modelo del actuador. Enseguida se consideró el diseño de un observador no lineal para el modelo del actuador. El método de diagnóstico de fallas está basado en el observador no lineal. Distintos escenarios de prueba fueron considerados para verificar el algoritmo utilizado. Los resultados obtenidos permiten afirmar que los métodos basados en observadores ofrecen una alternativa interesante para el diagnóstico rápido de fallas para esta clase de sistemas. Dos cuestiones pueden ser mejoradas en el presente trabajo, la primera es relativa a la manera de seleccionar los parámetros de la función de evaluación y la segunda es la manera de determinar la función de evaluación y umbral. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 4. R. J. Patton. Robust model-based fault diagnosis: the state of the art. In Proc. IFAC Symp. SAFEPROCESS ’94, Espoo Finland, pages 1-24, June 1994. 5. A. S. Willsky. A survey of design methods for failure detection in dynamic systems. Automatica, 12:601611, 1976. 6. M. Guillon. Hydraulische Regelkreise und Servosteuerungen. Carl Hanser Verlag, München, 1968. 7. H. E. Merritt. Hydraulic Control Systems. John Wiley & Sons, Inc., New York London Sydney, 1967. 8. J. W. Edwards. Analysis of an Electrohydraulic aircraft control-surface servo and comparison with test results. NASA Technical note NASA-TN-D6928, Washington, D. C., 1972. 9. R. Rajamani and Y. Cho. Observer design for nonlinear systems: stability and convergence. In 34rd IEEE Conference on Decision and Control, volume New Orleans, LA USA, pages 93-94, 1995. 10. S. Boyd, S. Ghaoui, L. El, E. Ferron, and V. Balakrishnan. Linear matrix inequalities in system and control theory. Studies in applied mathematics, SIAM, Philadelphia, PA, 1994. 11. X. Ding and P. M. Frank. Frequency domain approach and threshold selector for robust model-based fault detection and isolation. In IFAC/IMACS Symp. SAFEPROCESS, pages 307-312, 1991. 43 �Combustión catalítica de compuestos orgánicos volátiles clorados Javier Rivera de la Rosa, Antonello A. Barresi* ABSTRACT The combustion of chlorinated volatil organic compounds (VOCs) over the perovskites LaFeO3 and La 0.9 MnO 3 catalysts were investigated by employing a monolithic reactor. The two catalysts were individuated from a preliminary screening to test the stability and the influence of nonstoichiometry; a dip coating technique for supporting powder catalyst; was developed and the prepared catalysts were tested in a monolithic reactor. It was studied the catalytic activity of different loadings of perovskite supported on the monolith and was compared the highest loadings with a commercial catalyst, the perovskites resulted efficient catalysts for combustion of aromatic and chlorinated VOCs. Keywords: chlorinated VOCs, perovskite catalysts, monolithic reactor. INTRODUCCIÓN La combustión catalítica es una tecnología de control de costos eficaz para la eliminación de1,2compuestos orgánicos volátiles y emisiones tóxicas. También contra las emisiones de compuestos clorados las ventajas de la combustión catalítica contra la incineración térmica incluyen un consumo de combustible más bajo (bajos costos de operación), menos emisiones de NOx, menos CO y productos de combustión incompleta (PCI) emisiones, y menos CO2 emitido. En todas las etapas de un ciclo de cloración de compuestos, se usan como intermediarios de los productos finales diferentes substancias, como solventes, compuestos en el procesado de plásticos y fármacos, y por ende el reciclaje y la disposición final son acompañados por emisiones al medio ambiente, principalmente compuestos orgánicos volátiles (COVs) clorados. Aún cuando los metales nobles, particularmente platino y paladio son catalizadores activos para 44 Combustor catalítico para eliminar las emisiones contaminantes de la industria que usa haluros como intermediarios. la destrucción de COVs clorados y total oxidación de 2 hidrocarburos, el tiempo de vida de los catalizadores del grupo de los metales del platino es afectado en varios modos en la destrucción de los COVs clorados; los sitios activos pueden ser envenenados, la dispersión de los metales del grupo del platino puede ser afectada por los haluros, estos pueden reaccionar con los metales del grupo3 del platino y con el soporte afectando su integridad. El interés por óxidos del tipo perovskítico como catalizadores fue empezado por Parravano quien notó un efecto catalítico de la mag-4 netita de lantano y estroncio en la oxidación de CO. Los óxidos del tipo perovskítico han sido investiga5 dos extensamente en la combustión catalítica. De hecho la estructura del tipo perovskítico es térmicamente más estable en un rango amplio de presiones parciales de oxígeno y más resistente al envenenamiento que los óxidos simples. Recientemente óxidos del tipo perovskítico han sido propuestos para la destrucción catalítica de emisiones de clorados. Los 6,8 estudios llevados a cabo por Schneider et al., Sinquin * Dipartimento di Scienze dei Materiali e Ingegneria Chimica, Politecnico di Torino, Italia. Javier Rivera: Actualmente es catedrático en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. E-mail: j.rivera@tiscali.it Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Javier Rivera de la Rosa, Antonello A. Barresi 9,12 13,14,15,16 et al. y Barresi et al, han demostrado la potencialidad de estas estructuras. Schneider et al. investigaron la total oxidación de clorometano, 1,2diclorometano sobre diferentes perovskitas (LaMnO3, LaCoO3, LaFeO3, LaCrO3 y La0.84Sr0.16Co0.3O3 fueron considerados) evidenciando que sobre la perovskita LaMnO3 pequeñas cantidades de subproductos pueden ser formadas [6, 8]. Sinquin et al. probaron varias perovskitas del tipo ABO3 (A = La, Sm, Gd; B = Co, 10 Mn, Fe, Cr.) en la destrucción de los COVs clorados. Las perovskitas del tipo ABO3 probaron ser termodinámicamente resistentes y estables ante el agua y el bióxido de carbono incluso a alta temperatura. Aparte, la amplia variedad de las combinaciones de A y B (A2+B4+O3 o A3+B3+O3) permite la formación de muchas estructuras cristalinas que pueden mostrar diversas propiedades catalíticas (e.g.: facilidad de disposi-6 ción de oxígeno). En los trabajos por Schneider et al. 10 y Sinquin et al. la siguiente sucesión de actividad es reportada; LaMnO3 > LaFeO3 >LaCrO3, pero la actividad relativa de los diferentes catalizadores depende tanto de las condiciones de preparación y del compuesto probado. Recientes investigaciones han mostrado que el LaFeO3 puede ser más activo que otras perovskitas como consecuencia de la alta superficie específica obtenida de la capa superior; de hecho, temperaturas de calcinación más bajas son requeridas. De 16 Paoli y Barresi demostraron que este catalizador ofrece una buena actividad y una estabilidad satisfactoria a largos tiempos de uso (>200 h) en la combustión de trielina y que la presencia de humedad es favorable. El objetivo del presente trabajo es el desarrollo de catalizadores perovskíticos para la destrucción de COVs clorados y no-clorados. Para este propósito se realiza una prueba de selección preliminar para probar la estabilidad y la influencia de la noestequiometría; se aplica una técnica de revestimiento por inmersión para soportar los polvos catalíticos sobre un monolito de cordierita; y se prueba el catalizador preparado en una planta semi-piloto. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 MÉTODO EXPERIMENTAL Preparación y caracterización de los catalizadores Las perovskítas que contenían hierro y manganeso fueron consideradas, sobre la base de los resulta13,14 dos anteriores. Polvos policristalinos de perovskitas fueron preparados por descomposición térmica de nitratos, usando una variante del método de los citratos. Los precursores para las perovskitas LaFeO 3 y La0.9MnO3 fueron; La(NO3)3·6H2O y Fe(NO3)3·9H2O y Mn(NO3)3·9H2O; (Fluka 99.9% de pureza). Los polvos de los nitratos se disuelven en agua destilada, y glicerol puro, actuando como agente reductor, y se añaden a la solución a punto de ebullición. Se calienta la mezcla hasta la primera aparición de los vapores de NOx de color marrón, y rápidamente se vierten en un plato de acero inoxidable grande y liso previamente calentado a 200 ºC. El plato se mantiene a 200 ºC en aire por 30 minutos; el sólido vítreo y muy frágil se pulveriza en un mortero de ágata, después es calentado a 400 º C en un plato de porcelana por 1 hora, luego calcinado por un largo tiempo (18 a 24 horas) para obtener la estructura perovskítica a 600ºC para el LaFeO3 y 800 ºC para el La0.9MnO3. Perovskitas no-estequiométricas pueden ser obtenidas alterando la relación atómica La/B; (B = Fe, Mn) en la mezcla de los precursores de nitrato. La obtención de la estructura perovskítica fue comprobada por análisis de difracción de rayos X. Más detalles de la preparación y la caracterización de los catalizadores pueden ser 13-16 encontrados en trabajos anteriores. Sistema catalítico y procedimiento para la selección de los catalizadores Un micro-reactor tubular en estado estable insertado en un horno tubular equipado con control de temperatura ha sido usado para la evaluación de la activi16 dad de los catalizadores. Una selección fue llevada a cabo considerando las perovskitas de formula general LaBO3, donde el metal de transición B puede ser Fe, Mn y Cr. También fueron probados compuestos 45 �Combustión catalítica de compuestos orgánicos volátiles clorados no-estequiométricos; La 0.9 FeO 3 , LaFe 0.9 O 3 y La0.9MnO3, los cuales en trabajos anteriores habían sido de los no-estequiométricos los más prometedores. Pruebas de envejecimiento fueron llevadas a cabo al mantener el catalizador en corriente de trielina en aire por 110 h. Se usó una mezcla de trielina en aire (500 ppm por volumen). Preparación del catalizador perovskítico soportado El catalizador fue preparado en polvo donde se tuvo control tanto de la estequiometría, como de la estructura y posteriormente los catalizadores fueron soportados sobre un monolito de cordierita. Se desarrolló una técnica por inmersión para obtener un revestimiento catalítico, fuertemente anclado sobre un monolito celular. Una suspensión de polvo catalítico y etanol se usó como mezcla de revestimiento. Se observó que partículas con 1~ 2 mm de diámetro promedio fueron depositadas y bien ancladas sobre el monolito. Se requirieron períodos de tiempo largos de contacto y algunas renovaciones de la suspensión que fue mantenida en agitación. Más detalles pueden ser encontra17 dos en la tesis de Rivera. En esta investigación el objetivo fue obtener un catalizador soportado para posteriores pruebas. La optimización del procedimiento de revestimiento será el objetivo de un trabajo futuro. Monolitos con diferentes porcentajes de catalizador se prepararon; el máximo porcentaje depositado fue de 16.79% p. Un ejemplo del revestimiento obtenido se muestra en la figura 1. Fig. 1. Imagen de MEB del recubrimiento sobre el monolito de cordierita. La carga del catalizador La0.9MnO3 es de 5.84% p. Las partículas de 1-2 mm pueden ser observadas. como representativos de COVs no-clorados y clorados respectivamente. También se realizó una comparación con un catalizador comercial (VOC-450). Los pruebas se llevaron a cabo usando un reactor catalítico tubular en una planta semi-piloto. La figura 2 muestra el esquema del aparato experimental. Se pasa un flujo de aire comprimido a través de un siste- Pruebas de los monolitos catalíticos Los monolitos preparados con el revestimiento catalítico fueron probados en la oxidación de compuestos orgánicos. El objetivo fue investigar la actividad del catalizador soportado para comprobar la estabilidad química y mecánica del revestimiento catalítico. Tres compuestos fueron seleccionados para este propósito: trielina, que fue ya usada en las pruebas de selección de catalizadores, como representativo de COV alifático clorado; benceno y clorobenceno 46 Fig. 2. Aparato experimental para las pruebas de combustión a escala semi-piloto con catalizadores soportados sobre un monolito. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Javier Rivera de la Rosa, Antonello A. Barresi ma de filtros. El regenerador que purga el gas (usando dos camas de tamiz molecular) puede quitar el CO2 y trazas de hidrocarburos que presenta el aire fluidizado, reduciendo la concentración de CO y CO2 por debajo de 5 ppm. Medidores de flujo másicos fueron necesarios para suministrar una alimentación de aire estable. El flujo total se varió en el rango de 1 - 10 l/min, pero la mayoría de las pruebas fueron llevadas a cabo a 3 l/min correspondiendo a una velocidad espacial de 27 000 h-1. El rango de temperatura fue de 100 a 600 ºC; los experimentos fueron llevados a cabo a presión ambiente. La mezcla del compuesto orgánico y aire fue variada alimentando el COV líquido a través de una jeringa dosificadora que bombea dentro de un tubo Ventury seguida por un contenedor regulador. La evaporación instantánea se lleva a cabo en la sección restringida del tubo de Ventury. La concentración de la mezcla se mide en la entrada del reactor por medio de válvulas de muestreo. El catalizador monolítico se sitúa en la zona central del reactor aislado. La sección transversal útil es de 3.8 cm2, y monolitos de diferentes longitudes pueden ser insertados. La temperatura de gas se mide antes y después del monolito por termopares tipo K. La mezcla del gas alimentada se precalienta con una resistencia eléctrica. Se diseñó un sistema de control de cascada programada, donde la temperatura del tubo precalentado es puesta como función de la temperatura deseada del gas en el reactor; la temperatura del precalentador es regulada por un controlador PID de modulación de tiempo. La composición de entrada y salida de los gases es analizada usando un cromatógrafo de gases de la serie Gas HP 6890 equipado con un detector de ionización de flama. La sensitividad del análisis es de 0.1-1 ppm. El CO2 y CO fueron medidos en línea por un fotómetro NDIR. La sensitividad de este analizador para el CO2 fue 2 ppm en el Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 rango 0 - 900 ppm, y para el CO fue de 5 ppm en el rango 0 - 2000 ppm. El cloro fue medido usando una técnica de espectrofotometría después de absorción en naranja de metilo. Las pruebas fueron llevadas a cabo usando monolitos con diferentes cargas de catalizador seleccionados usando el micro-reactor tubular; LaFeO3 (1.01, 5.55 y 16.79 % p) y La0.9MnO3 (5.84 y 16.07% p). RESULTADOS Y DISCUSIÓN Selección de los catalizadores De la prueba de selección, dos perovskitas fueron elegidas como las más prometedoras: LaFeO 3 y La0.9MnO3. Estos catalizadores fueron elegidos por su buen desempeño en la oxidación de trielina y por su estabilidad. LaFeO3 fue elegido como catalizador prueba de la serie de perovskitas estequiométricas, conteniendo Fe, Mn y Cr respectivamente. La perovskita LaFeO3 fue el catalizador más activo, como una consecuencia también de su alta área específica. El LaCrO3 fue más activo que el LaMnO3, y la diferencia fue significativa especialmente por encima de 375º C. El valor de BET para la perovskita de Cr resultó ser menor que para la perovskita de Mn como una consecuencia de la temperatura más alta de calcinación. Esto significa que la presencia de Cr en la estructura perovskítica realmente mejora el desempeño catalítico. Por consideraciones de toxicidad para compuestos que contienen Cr se sugirió descartar esta perovskita. Considerando la influencia de no estequiometría en perovskitas LaFe, el catalizador La0.9FeO3 presentó mejor desempeño que el LaFeO3 y LaFe0.9O3. Sin embargo, la comparación entre los catalizadores envejecidos mostró que el compuesto estequiométrico es el más estable. La alta actividad observada en los catalizadores perovskíticos noestequiométricos frescos es muy remarcada especialmente a bajas temperaturas, pero después 110 h de uso el catalizador no-estequiométrico fue solo ligera- 47 �Combustión catalítica de compuestos orgánicos volátiles clorados Pruebas en el reactor monolítico Las pruebas fueron llevadas a cabo usando diferentes compuestos; trielina, benceno y clorobenceno. La figura 3 muestra los resultados de la conversión como función de la temperatura en la combustión de la trielina sobre los dos catalizadores a diferentes porcentajes sobre el monolito. La curva de la combustión homogénea es mostrada para evidenciar la actividad catalítica de las perovskitas soportadas. Se observó que para 1.01 % p de LaFeO3 solo un pequeño aumento en los valores de conversión, sugiriendo que este porcentaje depositado fue demasiado bajo para dar resultados apreciables; a porcentajes más altos se observa un buen desempeño del catalizador; así como para la trielina, también se observó que la reactividad relativa de los restantes compuestos probados (benceno y clorobenceno) fue diferente para los dos catalizadores. La figura 4 muestra la influencia del porcentaje de LaFeO3 depositado sobre el monolito en la combustión de la trielina y clorobenceno para valores de conversión menores del 10%. El aumento de la conversión en la combustión de clorobenceno de 5.55% a 16.79% p es poca. Para la trielina el aumento de conversión es más significativa. La figura 5 48 100 Reacci n tØrmica 1.01 % LaFeO3 80 Conversi n, % 5.55 % LaFeO3 16.79 % LaFeO3 60 40 20 0 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Temperatura (”C) 100 Reacci n tØrmica 5.84 % La0.9MnO3 80 16.07 % La0.9MnO3 Conversi n, % mente mejor que el estequiométrico. La gran caída en la actividad observada con el tiempo por las perovskitas no-estequiométricas sugirió escoger el catalizador estequiométrico LaFeO3. Las pruebas de envejecimiento del La0.9MnO3 de otro modo evidenciaron un buen desempeño del catalizador. Se pudo observar que La 0.9 MnO 3 es un ejemplo de noestequiometría estructural; la actividad más alta puede ser explicada con la activación del oxígeno de la red en la oxidación interfacial del ciclo redox. En caso de la no-estequiometría por defectos, como en el La0.9FeO3, el aumento en la actividad catalítica se relaciona principalmente con el área de superficie más grande del material. Esto deriva de la ruta de preparación, que se llevó a cabo a temperatura relativamente más baja. 60 40 20 0 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Temperatura (”C) Fig. 3. Combustión catalítica de trielina sobre catalizadores perovskíticos a diferentes porcentajes depositados sobre el monolito (Centrada del hidrocarburo 500 ppmV). muestra el gráfico semi-logarítmico de la rapidez de reacción en la combustión de los tres compuestos sobre el La0.9MnO3 para valores de conversión menores del 10 % (h= 0.1), como una función del valor inverso de la temperatura absoluta de reacción. La pendiente de la recta de la regresión lineal para los datos para benceno y clorobenceno presentan valores muy similares, para los datos de la trielina la pendiente es más alta. La influencia en la selectividad en la formación de CO2 es mostrada en la figura 5 para trielina y clorobenceno sobre LaFeO3, La0.9MnO3 y el cataliza- Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Javier Rivera de la Rosa, Antonello Barresi 1.00E-06 Rapidez de Reacci n (kgmol/s) Trielina 1.00E-07 175 ”C 205 ”C 250 ”C 1.00E-08 0 5 10 15 % p. depositado de catalizador 20 1.00E-06 Rapidez de Reacci n (kgmol/s) Clorobenceno dor comercial. Es interesante observar que para combustión de la trielina sobre el LaFeO3 al 16.79% p mejora la conversión pero decrece la selectividad en la formación de CO2. Sin embargo, a temperaturas más altas la selectividad aumenta notablemente. Para los otros compuestos la influencia catalítica sobre la selectividad en la formación de CO2 fue muy débil. Los productos de combustión incompleta (PCI) formados en la combustión de la trielina sobre el LaFeO3 se muestran en la figura 7; diferencias significativas no son observadas en las pruebas con diferentes porcentajes de catalizador. PCI fueron observados durante la combustión del benceno y clorobenceno, pero sus 100 1.00E-07 Trielina 202 ”C 80 220 ”C 250 ”C 60 0 5 10 15 % p depositado de catalizador 20 Fig. 4. Efecto del porcentaje del catalizador LaFe0, sobre la cinética. Combustion de trielina y clorobenceno, datos para h= 0.1. 1.0E-07 % Selectividad de CO2 1.00E-08 Reacci n tØrmica 16.79 % LaFeO3 40 16.07 % La0.9MnO 3 VOC-450 20 100 0 100 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Rapidez de Reacci n (kgmol/s -gcat ) 80 60 1.0E-08 40 Clorobenceno 20 1.0E-09 Clorobenceno 0 Trielina 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Benceno Temperatura (”C) 1.0E-10 1.7 1.8 1.9 2.0 3 2.1 2.2 2.3 -1 1/T x 10 (K ) Fig. 5. Gráfico semi-logarítmico para la rapidez de reacción de la combustión de diferentes COVs sobre La0.9MnO3, datos para h= 0.1. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 Fig. 6. Selectividad de la formación de CO2 para la combustión catalítica de trielina y clorobenceno sobre los catalizadores perovskíticos LaFeO3, La0.9MnO3 y el catalizador comercial. La reacción homogénea es representada por las líneas punteadas. 49 �Combustión catalítica de compuestos orgánicos volátiles clorados 10 Trielina; Reacci n tØrmica Catal tica Clorobenceno; Reacci n tØrmica Catal tica 8 % de Selectividad de Cl2 concentraciones fueron menores que 1 ppmV. La concentración máxima de diclorometano y tetracloroetilene observados en la combustión catalítica fue similar que en el caso de la combustión térmica, pero se observó en un rango de temperaturas más bajo. Los resultados anteriores mostraron que el catalizador LaFeO3 puede favorecer la formación de 14 Cl2 . Así la concentración de Cl2 en los productos se midió y la selectividad se calculó. Los resultados para 5.55% p de catalizador son mostrados en la figura 7. 6 4 2 0 250 300 6 4 b La selectividad para la formación de cloro (sCl2) es definida como: c σCl2 = PCI (ppmV) 1 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Diclorometano 4 3 2 a b c 1 0 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Temperatura (”C) Fig. 7. Formación de PCI en la combustión de trielina sobre el catalizador monolítico LaFeO3 a diferentes porcentajes. a) Combustión térmica, b) 5.55 % LaFeO3, c) 16.79 % LaFeO3. 50 500 a 3 2 450 Fig. 8. Selectividad de la formación de cloro en la reacción catalítica usando el catalizador LaFeO3 (5.55 % p) para trielina y clorobenceno. Las líneas discontinuas son los valores medidos para la reacción térmica. Tetracloroetileno 5 350 400 Temperatura (” C) 2[Cl 2 ] vCOVRe accionado donde n es el número de átomos de cloro en la fórmula química del COV. Los resultados son vistos en la figura 8; la selectividad es baja sobre el catalizador en el rango de temperatura más baja y ligeramente afectada por la temperatura. La formación de PCI en la combustión de la trielina sobre La0.9MnO3 (figura 9) presenta una conducta similar a aquella observada para el catalizador anterior; para el caso del benceno y clorobenceno sus concentraciones fueron debajo de 1 ppmV como sobre LaFeO3. El desempeño de los catalizadores preparados se comparó con un catalizador comercial disponible. La figura 10 compara la conversión de trielina y clorobenceno usando 16.79 % de LaFeO3, 16.07% de La0.9MnO3 y el catalizador comercial VOC-450. El LaFeO3 mostró un mejor desempeño. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Javier Rivera de la Rosa, Antonello A. Barresi 8 100 Reacci n tØrmica 16.79 % LaFeO3 16.07 % La0.9MnO3 VOC-450 Tetracloroetileno 80 6 60 4 a 80 8 150 200 250 300 350 400 450 500 Diclorometano 6 Conversi n, % c 2 PCI (ppmV) Trielina 40 b 20 100 0 100 150 200 250 300 350 400 450 500 250 300 350 400 Temperatura (” C) 450 500 80 60 Clorobenceno 4 40 c 2 b a 20 0 0 150 200 250 300 350 400 450 500 Temperatura (”C) Fig. 9. Formación de PCI para la combustión de la trielina sobre el catalizador monolítico La0.9MnO3 a diferentes porcentajes. a) Combustión térmica, b) 5.84% La MnO3, 0.9 c)16.07% La MnO 0.9 3 CONCLUSIONES Los catalizadores del tipo perovskítico estequiométricos y no-estequiométricos fueron probados en la destrucción de COVs clorados. La técnica de inmersión fue desarrollada para obtener un revestimiento catalítico, fuertemente anclado sobre un monolito celular de cordierita. Este método permitió el control de los polvos catalíticos preparados. Las perovskitas LaFeO 3 y La 0.9 MnO 3 resultaron ser Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 150 200 Fig. 10. Combustión catalítica de trielina y clorobenceno sobre los catalizadores perovskíticos LaFeO3, La0.9MnO3 y el catalizador comercial. La reacción homogénea se representa por las líneas punteadas. catalizadores eficaces para la combustión de COVs clorados. En la formación de PCI, que solo fue significativa para la combustión de la trielina; los resultados fueron comparables al caso de combustión térmica. El desempeño de los catalizadores perovskíticos fue comparable y aún mejor que un catalizador comercial probado. Se discutió la influencia de diferente porcentajes de catalizadores perovskíticos sobre un monolito. 51 �Combustión catalítica de compuestos orgánicos volátiles clorados AGRADECIMIENTOS El soporte financiero del CNR del gobierno italiano y CONACYT de México se agradecen grandemente. REFERENCIAS 1. Freidel M. I., Frost A. C., Herbert K. J., Meyer F. J. 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Politecnico di Torino, February 2002. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �La simetría izquierda-derecha en la naturaleza¨ J. Rubén Morones Ibarra* “La belleza y la verdad son afines”. James Joyce. “Es posible que la leche del mundo del espejo no sea buena para beber”. Lewis Carroll ABSTRACT Symmetry plays a very important role in the human being life. We find symmetry in nature, architecture, art and science. The importance of symmetry in physics, originates from its very close relation with fundamental concepts in physics and their conservation laws. The symmetries that we expect be satisfied by a theory are an excellent guide for the mathematical formulation of the own theory. LeftRight symmetry of the physical laws is taken by guarantee in Classical Physics. Nevertheless, this reflection symmetry is violated in modern physics by one of the fundamental forces of nature, the weak interaction. This amazing result was obtained in a famous experiment, which is known in the physics history as “the overthrow of parity”. Keywords: Parity, symmetry, chirality. Fig. 1. El rectángulo es simétrico respecto a la línea que lo divide en dos partes iguales. bros de texto elementales es la simetría especular. Si tomamos por ejemplo un cuadrado y trazamos una línea recta como la que se muestra en la figura 1, observamos que a ambos lados de la línea y a la misma distancia de ella, encontramos partes correspondientes del cuadrado. Esta línea se dice que es una línea o eje de simetría del cuadrado. Pensando en esta línea como el borde de un espejo plano que se coloca perpendicularmente al plano de la figura, veremos que la imagen en el espejo junto con la parte de la figura frente al espejo, completarán la figura original. De aquí viene el nombre de simetría especular. Toda figura que tenga por lo menos un eje de simetría, es idéntica a su imagen en el sentido de que puede superponerse punto a punto a su imagen en el espejo. La simetría es un concepto asociado con la belleza y la perfección. La más evidente de las simetrías está relacionada con simetrías geométricas o formas geométricas de figuras y cuerpos. Cuando la gente escucha la palabra simetría, le asocia usualmente un significado geométrico, de hecho, la simetría más simple que podemos imaginar y que es enseñada en li- Podemos extender la idea de simetría especular a objetos tridimensionales, introduciendo el concepto de plano de simetría. Cualquier figura tridimensional que pueda ser cortada por un plano de tal forma que a uno y otro lado del plano tengamos partes equivalentes de la figura, en el sentido de que podemos superponer una a la otra, se dice que posee simetría especular. Este plano que biseca a la figura se conoce como plano de simetría de la misma. Diremos que un objeto que posee simetría especular es simétrico o que posee simetría bilateral. ¨ * INTRODUCCIÓN Publicado en la revista CiENCiAUANL, Vol. V. No. 2, Abril-Junio 2002. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, UANL. E-mail: rmorones@fcfm.uanl.mx 53 �La simetría izquierda-derecha en la naturaleza DEL ARTE A LA CIENCIA La forma más primitiva del concepto de belleza que tiene el ser humano está relacionado con la simetría. La belleza de una iglesia o una catedral cuando se contempla de frente desde lejos, proviene del diseño simétrico que esta tiene. Este criterio inconsciente que usamos para juzgar la belleza de una construcción o edificio está basado en la simetría que hemos mencionado. Todas las construcciones antiguas y casi todas las modernas (ya que el arte moderno ha sufrido modificaciones respecto al arte clásico) satisfacen criterios de simetría. Prácticamente todos los objetos de uso común como platos, vasos, aparatos electrodomésticos, etc. poseen simetría bilateral, no tan solo por razones prácticas sino también estéticas. El concepto de simetría ha atraído la atención del ser humano desde siempre. Los antiguos griegos consideraron al círculo y a la esfera como los objetos más perfectos en dos y tres dimensiones, respectivamente. Esto se debe a que el círculo es simétrico respecto a cualquier línea recta que pase por su centro y la esfera lo es respecto a cualquier plano que la corte pasando por su centro. La concepción divina del universo hizo suponer que los cuerpos celestes eran perfectos, teniendo forma esférica y girando en círculos alrededor de la tierra. Esta noción de perfección y simetría continúa presente en la física, con una extensión del concepto de simetría tal que permite incorporar ideas más abstractas que las simples concepciones geométricas. En general, en física se dice que un sistema físico o una teoría posee una determinada simetría si las ecuaciones que describen al sistema o que constituyen la teoría, no cambian al efectuar ciertas transformaciones en sus variables. Esta generalización del concepto de simetría sigue estando asociado a la belleza para quienes entienden las relaciones matemáticas. El distinguido físico teórico británico P.A.M. Dirac señalaba que si una ecuación que se obtenía para representar una ley de la naturaleza, era bella, debería de ser correcta.1 En la actualidad una guía para quie- 54 nes desarrollan modelos matemáticos que representen leyes de la naturaleza es buscar siempre la simetría, lo cual, como ya dijimos, es sinónimo de belleza. La existencia de las simetrías ha permitido que la naturaleza aparezca más simple de lo que aparenta. La importancia de la simetría en la física proviene de sus consecuencias, las cuales están establecidas en un poderoso teorema de la física teórica conocido como Teorema de Noether. Emmy Noether fue una matemática alemana que encontró una relación entre las propiedades de invariancia (simetrías) de una teoría y las cantidades físicas que se conservan en todos los procesos. En la física moderna la simetría está asociada con ciertas operaciones matemáticas las cuales pueden tener un grado elevado de abstracción. Como un ejemplo relativamente sencillo consideremos la ecuación y = x 2 , la cual es simétrica (invariante) ante la transformación x → − x . Esta característica revela muchas propiedades de la función y = x 2 . Y si, por ejemplo, esta relación aparece en la descripción de un sistema físico entonces podemos predecir, sin necesidad de ningún cálculo, algunas características del sistema. Este hecho es de gran importancia en física, cuando se desconoce la forma funcional de las interacciones pero se sabe que deben satisfacerse ciertas simetrías, es entonces cuando estas son una excelente guía para aproximar o proponer modelos para la teoría que describa estas interacciones. SIMETRÍA I-D En este artículo nos ocuparemos de la simetría izquierda-derecha (simetría I-D), también conocida como simetría especular o simetría bilateral. Decimos que una teoría posee simetría I-D cuando las ecuaciones que aparecen en ella son invariantes ante la transformación de coordenadas: x → − x, y → − y , z → − z . Esta transformación es conocida como reflexión de coordenadas o transfor- Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �J. Rubén Morones Ibarra mación de paridad. Desde los inicios del desarrollo sistemático de la física, con Galileo y Newton, ha sido tomada como una hipótesis de trabajo que en la naturaleza no hay distinción entre la derecha y la izquierda. Esto significa que el mundo visto directamente no puede distinguirse experimentalmente del mundo visto a través de un espejo. En el famoso libro de Lewis Carrol “A Través del Espejo”, cuando Alicia atraviesa el espejo y se encuentra en un cuarto donde la disposición de los objetos ha sido invertida respecto a la relación derecha-izquierda, ella reconoce este cambio por su experiencia visual del cuarto del mundo real. Sin embargo, si la colocamos en un cuarto para ella desconocido, no podrá distinguir mediante ningún experimento de física si el mundo donde se encuentra es el real o es el reflejado en el espejo. Una manera formal de decir esto es que las leyes de la naturaleza son invariantes ante una transformación de paridad, o más simplemente, ante reflexiones especulares. En el mundo macroscópico, la simetría I-D asociada a la existencia de un plano de simetría aparentemente no se cumple, como en el caso de Alicia que reconoce la diferencia entre el mundo del espejo porque su cuarto aparece invertido, o en el caso de la imagen en un espejo de una persona que conocemos, si esta tiene un lunar en la mejilla del lado derecho, en el espejo aparecerá el lunar del lado izquierdo, lo cual nos permitirá distinguir la imagen del objeto real. Sin embargo este no es el caso en los fenómenos físicos ya que no existe ningún experimento que nos permita determinar si es el fenómeno real o su imagen especular lo que estamos viendo. Convendremos en establecer que existe simetría I-D en un sistema físico u objeto si al ser observado a través de un espejo es idéntico al sistema u objeto observado directamente. En una forma un poco más abstracta decimos que una teoría posee simetría I-D si las ecuaciones que constituyen la teoría no se alteran en su forma al efectuar una reflexión de las coordenadas. Para darnos una mejor idea de lo que significa la Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 simetría izquierda-derecha pensemos por el momento en el choque de bolas de billar. Para describir estos choques usamos las leyes de la mecánica. Si observamos el fenómeno de los choques no directamente, sino a través de un espejo, la descripción matemática del movimiento de las bolas de billar sería idéntica a aquella hecha en la observación directa. Decimos entonces que ambas observaciones son indistinguibles desde el punto de vista de la física, o que las leyes de la mecánica tienen simetría especular. De hecho, una de las suposiciones de la física clásica es que la izquierda y la derecha son totalmente equivalentes y que el universo no tiene preferencia ni por una ni por la otra. Esta situación que permite usar sin restricciones sistemas de coordenadas izquierdos o derechos, se conoce como La Simetría Izquierda-Derecha del Universo o de la Naturaleza. No obstante la aparente falta de distinción de la naturaleza entre la izquierda y la derecha, existen objetos que son distintos a su imagen especular en el sentido de que el objeto y su imagen no son superponibles. Este tipo de cuerpos se conoce como enantiomorfos y su existencia ha causado desconcierto entre no pocos filósofos. Manuel Kant en su libro «Prolegómenos a toda metafísica del porvenir», muestra su asombro ante esto con las siguientes palabras: “¿qué puede ser más semejante a mi mano o a mi oreja y más igual en todas sus partes que su imagen en el espejo?. Y, sin embargo, yo no puedo colocar la mano que se ve en el espejo en el lugar de la original”.2 Planteamos entonces la pregunta ¿es posible que existan otro tipo de objetos o cosas que sean exactamente iguales en todos sus aspectos y sin embargo ser de alguna manera diferentes? La respuesta es sí. Tenemos el caso de las partículas y las antipartículas o la materia y la antimateria,3 la diferencia se funda en que existen ciertas propiedades, expresadas mediante números cuánticos, que son de valores opuestos en las partículas y las antipartículas. En el caso de la reflexión especular, la diferencia se establece argumen- 55 �La simetría izquierda-derecha en la naturaleza tando que el objeto es de una “mano” (mano izquierda o mano derecha) y su imagen es de la otra “mano”. Objetos enantiomorfos familiares son las manos (ver figura 2), los pies, las orejas, los tornillos, cualquier objeto que posea estructura de hélice, etc. Los compuestos químicos cuyas moléculas no son superponibles a su imagen especular, es decir, aquellas en que no hay manera de que rotando o cambiando de orientación una de ellas podamos superponerla a la otra, reciben el nombre de compuestos enantioméricos. Un par de enantiómeros tienen las mismas propiedades físicas excepto en su comportamiento respecto a la luz polarizada. Decimos que los enantiómeros son ópticamente activos ya que tienen la propiedad de girar el plano de polarización de la luz polarizada. Los compuestos que rotan el plano de luz polarizada hacia la derecha (a favor de las manecillas del reloj) cuando se le mira de frente, hacia la fuente luminosa, se denominan dextrorrotatorios, dextrorsos o dextrógiros (d) o derechos, y los que lo giran en sentido opuesto levorrotatorios o levógiros (l) o izquierdos.4 Las moléculas que existen como enantiómeros se dice que son moléculas quirales (quiral significa mano en griego). Todos los aminoácidos que entran en la composición de las proteínas son invariablemente izquierdos. Los enantiómeros son moléculas asimétricas (no superponibles a su imagen especular) y aunque tienen la misma fórmula molecular, no son la misma molécula. Los seres vivos tienen la capacidad de distin- Fig. 2. La mano izquierda no puede superponerse a la derecha haciendo que coincidan ambas en todos sus puntos. 56 guir un par de enantiómeros, los cuales pueden tener propiedades químicas muy diferentes, siendo detectadas por el olfato o el gusto o metabolizadas de diferente manera, uno puede ser dulce y el otro amargo o uno puede tener propiedades curativas y el otro ser venenoso. H. Weyl, un notable matemático alemán describe en forma dramática la diferencia de propiedades entre un par de enantiómeros. “En el ser humano todos los aminoácidos tienen la misma torsión hacia la izquierda en todos los individuos, lo que se comprueba de manera bastante horripilante por el hecho de que el hombre contrae una enfermedad metabólica llamada fenilcetonuria, que produce amnesia cuando el individuo ingiere alimentos con fenilanina levógira, mientras que la forma dextrógira no tiene estos desastrosos efectos”.5 Otro ejemplo trágico, famoso en la historia de la farmacología, es el de la talidomida, un medicamento ampliamente usado como sedante en la década de 1950. Se observó que contenía moléculas levógiras y dextrógiras, siendo las levógiras causantes de malformaciones fetales en mujeres embarazadas, mientras que las moléculas dextrógiras no eran dañinas.6 Por otra parte, y esta es una buena noticia para quienes se preocupan por el control del peso, los azúcares naturales monosacáridos son dextrorsos, pero se han sintetizado algunos azúcares levógiros que tienen un poder endulzante semejante a los naturales pero con la ventaja de que no son metabolizables y por lo tanto no producen calorías.7 La razón por la que estos azúcares no son digeribles es que nuestras enzimas solo metabolizan compuestos enantiómeros derechos. Sobra decir que en la actualidad hay un gran interés en la producción y comercialización de estos azúcares no nutritivos. En la física siempre se supuso la conservación de la paridad (veremos más adelante que existe un tipo de fenómenos físicos donde no se conserva la paridad), sin embargo, en los fenómenos o procesos biológicos no ocurre lo mismo. Sabemos, por ejemplo, de la asimetría de la posición de algunos órganos como el corazón en los seres humanos, que siempre está al lado izquierdo y el apéndice o el hígado que se en- Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �J. Rubén Morones Ibarra cuentran al lado derecho, pero esto no es mas que un accidente en la evolución de los seres vivos. En todos los casos de producción sintética de moléculas que presentan asimetría especular (enantiómeros), las moléculas de tipo izquierdo y derecho se presentan en proporción de 50% cada una. Esto se debe a la simetría I-D de las fuerzas gravitatoria y electromagnética, (principalmente esta última) que son las que intervienen en el proceso de formación de las moléculas. Puesto que no hay preferencia en I o D, el proceso no favorece la formación de ningún tipo especial de ellas. Pero algo muy diferente ocurre con las moléculas o cadenas de moléculas como los azúcares o proteínas que son formadas a partir de procesos desarrollados en los seres vivos. En todos estos casos se presenta un tipo de asimetría bien definido, sea izquierdo o derecho y por otra parte, en el caso de los aminoácidos, estos siempre son del tipo izquierdo. Esta asimetría fundamental en todos los seres vivos, de preferencia por la mano izquierda, es todavía un misterio, aunque algunos científicos suponen que no es un problema fundamental y es más bien un accidente, como el caso de la disposición de algunos órganos de los seres humanos mencionado arriba, esto evidentemente no es el resultado de que la naturaleza muestre preferencia por una “mano” sino que es el resultado de factores evolutivos de los seres vivos. No existe una razón biológica para pensar que una persona no puede sobrevivir si nace con el corazón del lado derecho. Como veremos más adelante, existe una violación de la simetría I-D por parte de las interacciones débiles y algunos científicos suponen que esta es la causa de la asimetría de los compuestos orgánicos. Se ha reportado que debido a la no-conservación de la paridad de las interacciones débiles los aminoácidos izquierdos son más estables que los derechos, siendo esta la causa de la asimetría.6 Pasando ahora a la aplicación del concepto de simetría I-D en el mundo de los átomos o de las partículas elementales, el concepto que se maneja como equi- Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 valente a la simetría I-D es el de paridad. La paridad es una propiedad estrictamente matemática de los sistemas físicos que se relaciona con el comportamiento de la función matemática que los describe, ante la transformación de coordenadas, x → − x, y → − y , z → − z , la cual puede ser visualizada esquemáticamente como una reflexión del sistema en un espejo. Decimos que la paridad se conserva cuando existe simetría I-D. Habrá conservación de la paridad en un proceso físico si la imagen en el espejo de este proceso se observa en la naturaleza con la misma frecuencia o probabilidad que el fenómeno observado directamente. Podemos poner un ejemplo familiar de esto: si en nuestra casa encontramos un zapato del pie derecho, estamos seguros que en alguna parte debe estar el zapato del pie izquierdo, el cual es la imagen especular del zapato del pie derecho. De una manera semejante, si observamos un fenómeno físico, la conservación de la paridad nos dirá que el fenómeno correspondiente a la imagen en el espejo también debe observarse en la naturaleza. La simetría I-D de todos los procesos fundamentales de la naturaleza era tomada por un hecho hasta antes del año 1956. En este año, los físicos T.D. Lee y T.D. Lee (Izq.) y C.N.Yang físicos chino-norteamericanos ganadores del Premio Nobel en 1957 por sus investigaciones sobre la paridad. 57 �La simetría izquierda-derecha en la naturaleza Ning Yang empezaron a desconfiar de la aplicación del principio de conservación de la paridad en ciertos fenómenos de decaimiento radiactivo. La sospecha de que la paridad era violada se originó en un problema de la física de partículas conocido como enigma TetaTau.8 Este enigma apareció a principios de los años cincuenta y está relacionado con el decaimiento radiactivo beta. Dos partículas conocidas como teta y tau (es costumbre en la física de partículas elementales designar a las partículas con nombres de letras griegas) eran semejantes en todo, podríamos decir que idénticas, solo que una se desintegraba emitiendo dos piones y la otra tres. Aplicando la ley de conservación de la paridad a este fenómeno de desintegración nos lleva a la conclusión de que las partículas teta y tau son diferentes, pues si no lo fueran, el hecho de que decaigan de estas dos maneras implica que la paridad no se conserva. Lee y Yang, dos físicos chinos nacionalizados norteamericanos propusieron la audaz hipótesis de que ambas partículas, teta y tau eran en realidad la misma y que en las interacciones débiles la paridad no se conservaba. Esta alternativa revolucionaria fue confirmada experimentalmente en 1957, en un experimento sugerido por los mismos Lee y Yang, por C. S. Wu, física de origen chino que trabajaba en EUA. EL EXPERIMENTO Cuando se anunció la planeación del experimento para someter a prueba la ley de la conservación de la paridad en las interacciones débiles, uno de los más distinguidos físicos teóricos, Wolfang Pauli, quien tenía la firme convicción de que la naturaleza respetaba la simetría I-D, afirmaba que no era necesario realizar el experimento, pues era evidente que esta ley se cumplía y que estaba dispuesto a apostar a que “El Señor no era zurdo”. Cuando se enteró del resultado del experimento que derrocaba la ley de conservación de la paridad, exclamó: “Dios cometió un error”.10 ¡La naturaleza distingue la derecha de la izquierda!. 58 C.S. Wu Investigadora chino-norteamericana que probó experimentalmente la no-conservación de la paridad en las interacciones débiles. El experimento llevado a cabo por Wu tiene una interpretación muy sencilla. Se colocó una muestra de Cobalto-60, el mismo átomo que se usa en medicina en las bombas de cobalto, en un intenso campo magnético externo con el fin de alinear los espines de los núcleos atómicos y después se enfrió la muestra a la temperatura de 0.01 K. A esta temperatura, un alto porcentaje de los núcleos de 60C0 se encuentran orientados en la dirección del campo magnético externo. El 60C0 es radiactivo y decae mediante la interacción débil por emisión de electrones. Si la paridad se conserva, los electrones serían emitidos en igual proporción tanto en la dirección de la orientación de los espines como en la dirección opuesta, de tal modo que el fenómeno y su imagen especular serían indistinguibles. Sin embargo, el resultado del experimento revela que la mayoría de los electrones son emitidos en la dirección opuesta a la del espín nu9 clear (hacia arriba, como se muestran gráficamente mediante las flechas en la figura 3 (a)). La dirección de rotación de las esferas se ilustra con las flechas que aparecen en el ecuador de ellas. La regla de la mano derecha establece que si con los dedos de la Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �J. Rubén Morones Ibarra mano derecha apuntamos en la dirección de la flecha en el ecuador, entonces el pulgar indicará la dirección del espín. En (a) el espín apunta hacia abajo y en (b) hacia arriba. Este resultado evidentemente destruye la simetría I-D porque cuando se mira la imagen en el espejo de este fenómeno la dirección del espín se invierte, como se muestra en la figura, mientras que la dirección de emisión de los electrones se mantiene igual, resultando en la imagen una mayor proporción de electrones emitidos ahora en la dirección del espín, lo que nunca ocurre cuando se realiza el experimento. recibió una carta de un amigo que trabajaba en el famoso Instituto de Estudios Avanzados de Princeton donde le decía “aquí en Princeton no se habla de otra cosa, dicen que el derrumbamiento de la paridad es el resultado más importante desde el experimento de Michelson y Moreley”. El mismo Frisch en una conferencia en la Universidad de Cambridge comentó: “La extraña frase la paridad no se conserva dio la vuelta al mundo como un nuevo evangelio” 12 El resultado contundente del experimento y la trascendencia del mismo, le valieron a T.D. Lee y Chen Ning Yang el otorgamiento del Premio Nobel de Físi- Un criterio muy sui generis para juzgar una teoría física es su elegancia y su belleza, pero por supuesto que la decisión definitiva proviene del experimento. Sin embargo los físicos piensan que el aspecto estético de una teoría es una buena guía para tomarla en serio debido a que el universo tiene una estructura simétrica, lo cual se identifica con la belleza. Por otra parte, los resultados obtenidos en experimentos sobre fenómenos del micromundo (partículas elementales), indican que nuestro mundo no es tan simétrico como creíamos. El derrocamiento de la paridad y otras simetrías, nos hacen pensar en una ligera falta de simetría total en el universo. Sin embargo los físicos continúan buscando la elegancia y la belleza en sus teorías debido a que esta actitud ha sido muy fructífera en el pasado, permitiendo grandes logros en el conocimiento de la naturaleza. La isotropía y homogeneidad del espacio, así como la homogeneidad del tiempo fueron suposiciones que condujeron a importantes conclusiones sobre el comportamiento de la naturaleza. Teorías abstractas usaron estas hipótesis y permitieron encontrar las leyes de la naturaleza, y describirla con un grado de exactitud impresionante. (a) (b) Fig. 3. En (a) la flecha inferior indica la dirección del espín y las flechas superiores la dirección en la que salen los electrones producto del decaimiento. En (b), que es la imagen especular de (a), la flecha superior indica la dirección del espín y las otras flechas la dirección de los electrones. El proceso (b) no se observa en la naturaleza. ca el mismo año en el que se dio a conocer el resultado. C.S. Wu murió en 1997 y fue considerada una injusticia que no haya recibido el premio Nobel. Con esto se lograba explicar el célebre “enigma teta-tau” y quedaba confirmada la violación de la conservación de la paridad. A este famoso resultado experimental se le conoce como “el derrumbamiento de la paridad”. Fue tan espectacular este resultado que Otto R. Frisch, el físico alemán que junto con Lisa Meitner descubrió la fisión nuclear, relata en su libro Atomic Physics Today que el 16 de enero de 1957 Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 COMENTARIOS FINALES Como Pauli lo hizo notar en su exclamación de que “Dios cometió un error”, la desviación de la naturaleza de la exacta simetría entre I-D, es un misterio para los físicos. Richard Feynman, uno de los físicos más notables del siglo XX, lo describe de la siguiente manera en sus famosas lecciones de física: “Hay una 59 �La simetría izquierda-derecha en la naturaleza puerta en Japón, en Neiko, que los japoneses llaman algunas veces la puerta más hermosa de todo Japón; se construyó en una época en que había una gran influencia del arte chino. Esta puerta es muy ornamentada, con muchos tímpanos y hermosas estatuas y columnas y cabezas de dragones y príncipes esculpidos en los pilares, etc. Pero cuando se mira de cerca se ve que en el dibujo elaborado y complejo de uno de los pilares, uno de los pequeños elementos de diseño está esculpido cabeza abajo; por lo demás, todo es completamente simétrico. Si se pregunta por qué es así, la historia es que se esculpió cabeza abajo para que los dioses no estuviesen celosos de la perfección humana”. Feynman, con la agudeza de pensamiento que lo caracterizó, remata con la siguiente observación, refiriéndose a la violación de la paridad en las interacciones débiles: “Nos gustaría invertir la idea y pensar que la casi simetría de la naturaleza es ésta: ¡ Dios hizo las leyes solamente casi simétricas para que así nosotros no estuviésemos celosos de Su perfección !”.14 Sorprendidos por este comportamiento de las interacciones débiles, los físicos buscaron restaurar la ley de la simetría I-D y propusieron que la forma correcta de la ley de conservación de la paridad debe incluir en la transformación, no solo la reflexión en el espejo de las partículas, sino también la transformación de partículas en antipartículas. Proponían que lo que debía entenderse por reflexión especular era en realidad una doble transformación en un espejo abstracto, al que llamaron CP, que producía la imagen especular ordinaria más un cambio de partícula a antipartícula. Esto pareció resolver el problema pero pronto se encontró una violación a esta nueva forma de expresar la ley de conservación. En el presente se ha incluido una nueva transformación, la inversión del tiempo, designada por T, la cual consiste en tomar el tiempo en reversa. Descriptivamente entendemos a T como la proyección hacia atrás de una película. La inclusión de la transformación T ha logrado que hasta el momento actual no se haya encontrado violación a 60 la combinación sucesiva de transformaciones CPT. El teorema CPT, que establece la invariancia de las leyes de la física ante este conjunto de transformaciones, es uno de los más importantes principios de la física teórica.14 Si entendemos la simetría I-D como el conjunto de transformaciones CPT, entonces el universo no distingue entre izquierda y derecha. REFERENCIAS 1. Davies, P., Superfuerza. Biblioteca Científica Salvat, 1985 2. Kant, Manuel, Prolegómenos a Toda Metafísica del Porvenir, Colección “ Sepan Cuántos” # 246 (1973), Editorial Porrúa, S.A. 3. Morones, R. y Elizondo, N., CIENCIAUANL, III.4, Oct-Dic/2000, P 436 4. Ebbing, D., General Chemistry, Houghton Mifflin, 1990 5. Weyl, H., Symmetry, Princeton University Press, 1952. 6. Jacques, J., The Molecule and its Double, McGrawHill, 1993 7. Badui, S., Química de los Alimentos, Pearson Educación, 1999 8. Griffiths, D., Introduction to Elementary Particles, John Wiley and Sons, 1987 9. http://physics.nist.gov/GenInt/Parity/expt.html 10. Gardner, M., El Universo Ambidiestro, Biblioteca de Divulgación Científica, 1993 11. Kaku, M., Beyond Einstein, Anchor Books, 1995 12. Novick, R., Thirty Years Since Parity Nonconservation, Birkhauser Boston, 1988 13. Feynman, R., Física Vol. I, Fondo Educativo Interamericano, S.A., 1971 14. Perkins, D.H., Introduction to High Energy Physics, Addison-Wesley, 1987 Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Enredándose Legislación nacional: leyes, reglamentos y normas Fernando J. Elizondo Garza* http://www.gobernacion.gob.mx La ciencia, la tecnología y la ingeniería conforman nuestra forma de vivir. Nos permiten mejorar nuestra calidad de vida, pero también pueden producir problemas e incluso pueden devenir en peligros, a veces no tan evidentes. Por lo anterior las leyes y sus correspondientes reglamentos y normas se relacionan cada vez más con los aspectos científico-tecnológicos y por lo tanto se han vuelto parte del quehacer ingenieril. Para acceder a la legislación nacional a través de Internet una opción es, si se dispone de presupuesto, consultar algúno de los bancos de información sobre legislación mexicana como el que ofrece Terra en su página: y luego utilizando el enlace a “Diario Oficial”. En el caso de los estados y municipios el grado de avance en hacer disponible la información en Internet varía mucho y debe buscarse en las páginas de los gobiernos locales. Por ejemplo en el caso del estado de Nuevo León se puede consultar la página: http://www.nl.gob.mx http://www.terra.com.mx dentro de sus “Servicios” en la sección “Diario Oficial” La otra opción es navegar las páginas del gobierno, las cuales cada vez en mayor cantidad nos ofrecen gratuitamente, a texto completo, desde leyes hasta normas técnicas. A continuación se presentan algunas páginas de Internet donde pueden encontrarse, en versión electrónica, diferentes documentos de la legislación mexicana. y luego ir a “Información del gobierno” y en esta subpágina seleccionar la opción “Buscador de Leyes” LEYES A nivel de leyes, la fuente de información principal es la página en Internet de la Cámara de Diputados del H. Congreso de la Unión, la cual se puede encontrar en la dirección: http://www.cddhcu.gob.mx EL DIARIO OFICIAL DE LA FEDERACIÓN La fuente primaria de información sobre la legislación mexicana son el Diario Oficial de la Federación (DOF) y los periódicos y gacetas a nivel estatal. En el caso del Diario Oficial de la Federación la Secretaría de Gobernación ofrece en versión PDF en extenso el DOF desde el ejemplar del día 1 de octubre de 2001, en la dirección Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 En esta página puede encontrar el texto vigente de la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos y sus reformas, así como textos actualizados de * Director de la Revista Ingenierías FIME-UANL. E-mail: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx 61 �Enredándose. Legislación: Leyes, reglamentos y normas todas las leyes federales. También encontrará accesos a: la Gaceta Parlamentaria, iniciativas, diarios de debates, directorios, etc. Así mismo enlaces a las páginas de los congresos estatales y a otros organismos del gobierno federal. NORMAS Las normas mexicanas en vigor pueden ser obtenidas desde la página de la Dirección General de Normas, cuya dirección electrónica es: http://www.secofi-snci.gob.mx REGLAMENTOS De las leyes se desprenden reglamentos y otros documentos, los cuales por desgracia no se les puede encontrar en forma gratuita juntos: Éstos se encuentran, cada vez en mayor número, en las páginas de las secretarías que promovieron las leyes de las que se derivan y, por lo tanto, deben ser encontrados mediante el uso de un buscador. Por ejemplo, la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales reúne la legislación de su pertinencia en la página: http://www.semarnat.gob.mx/ legislacion_ambiental Desde esta página puede tenerse acceso a través de “Catálogo de Normas”, tanto a las Normas Oficiales Mexicanas (NOM) como a las Normas Mexicanas (NMX), estas últimas de carácter no obligatorio. Además, en su página, la DGN ofrece un listado con enlaces a las organizaciones de normalización de diferentes países así como a las de carácter internacional como ISO (Organización internacional para la normalización) También la DGN ofrece información sobre metrología, normalización, certificación, trámites, etc. 62 Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Discurso de toma de protesta del M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera ¨ como Director de la FIME-UANL Rogelio Guillermo Garza Rivera* La historia de la FIME está ligada a la de nuestro Estado, porque siempre hemos participado activamente en el desarrollo de nuestra industria. Ésta ha sido una de nuestras principales fortalezas; por una parte, adecuarnos a nuestro entorno económico y social y por la otra preparar profesionistas e investigadores que contribuyan en la transformación del mismo, proponiendo mejoras continuas en materia de tecnología e investigación. Dentro de los últimos logros de la FIME, destaca la implementación de la cultura de calidad en la gestión académica y administrativa que nos pone en el Instante en que el M.E.C. Rogelio Garza protesta como director de la FIME-UNAL. camino hacia el mejoramiento del nivel educativo, acorde a los criterios del Plan Nacional de Educación, presentado el año pasado por el Secretario de Educación Dr. Reyes Tamez Guerra, amigo y compañero universitario. Asimismo, la certificación bajo la norma internacional ISO 9000 y la acreditación de 5 de nuestros Programas de Licenciatura por el Consejo de Acreditación CACEI, han sido posibles gracias a la participación y convicción de maestros, alumnos y personal administrativo, y por supuesto por el liderazgo del Ing. Cástulo Vela Villarreal; para él también, mi más sincero reconocimiento. El M.E.C. Rogelio Garza Rivera dando lectura a su discurso de toma de protesta en la ceremonia donde se le confiere el honor y la responsabilidad de dirigir a la FIME-UANL. ¨ El día 19 de abril de 2002 se efectuó la ceremonia de toma de protesta como Director de la FIME-UANL, por el período 2002-2005, al M.E.C. Rogelio Garza Rivera. El acto se llevó a cabo ante los miembros de la junta de gobierno de la Universidad Autónoma de Nuevo León, con la presencia del Rector Dr. Luis Galán Wong y el Secretario General M.C. José Antonio González Treviño. La ceremonia se realizó en las instalaciones de la FIME y asistieron maestros y alumnos de la misma, así como invitados de otras instituciones educativas y de empresas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 El talento, conocimiento, experiencia, creatividad y esfuerzo de todos los que laboramos en la FIME, es nuestro impulso y nuestra mística de desarrollo para seguir en el camino de la mejora continua. Nuestra meta es consolidarnos a la vanguardia de una educación de clase mundial en los programas de licenciatura y posgrado. Por esta razón una de las primeras acciones específicas, es la implementación de un Programa de Efectividad Institucional. Este programa está enfocado a medir el cumplimiento de los objetivos y metas planteados en la misión de la FIME, mediante la determinación y el diagnóstico de los parámetros de desem* Director de la FIME-UANL. 63 �Discurso de toma de protesta del M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera como Director de la FIME-UANL peño académico para el mejoramiento de la calidad educativa, atendiendo los criterios del Programa Integral de Fortalecimiento Institucional y de organismos nacionales e internacionales. La mejora continua requiere de la participación y compromiso del personal docente por lo que es fundamental el reforzamiento académico y científico. En este sentido daremos un apoyo especial al Programa de Actualización y Formación de Profesores, para el desarrollo académico y de habilidades docentes; además impulsaremos a los Cuerpos Académicos para lograr su consolidación. Así mismo apoyaremos e impulsaremos a nuestros profesores en la obtención de estudios de posgrado a nivel maestría y doctorado tanto en universidades nacionales como del extranjero, acorde a la Visión 2006 y al Plan Nacional de Educación. En lo que respecta al desarrollo social, nuestro esfuerzo y dedicación están encaminados a formar profesionistas que desarrollen las cualidades necesarias para aprender a ser, conocer, hacer y servir. Por esta razón y de acuerdo al Modelo de Educación para la Vida, crearemos de manera inmediata, el Centro de Desarrollo Estudiantil. El objetivo de este Centro es dar un mejor servicio y atención a los estudiantes para desarrollar en ellos habilidades múltiples y una formación integral para que sean verdaderos agentes de cambio. Nuestro programa de posgrado se distingue por su nivel académico y desarrollo de la investigación aplicada. Sin embargo, debemos aumentar esfuerzos y adecuarnos a los nuevos criterios del sistema SEP, CONACYT en sus Programas del Fortalecimiento al Posgrado Nacional. Por lo anterior pondré a consideración de la H. Junta Directiva de la FIME un nuevo Modelo de la División de Estudios de Posgrado. Asimismo, para promover el desarrollo tecnológico y reforzar la investigación y la vinculación con el sector productivo, se creará el Centro de Innovación y Transferencia de Tecnología (CITT). Este Centro estará sustentado en las actividades de investigación aplicada desarrolladas en la FIME, en los proyectos de investigación y de servicio con la industria nacional y mantendrá una estrecha coordinación con el Centro de Transferencia de Tecnología de la Universidad. Estos programas y acciones concretas son una respuesta a los compromisos establecidos en el Plan de Trabajo presentado ante la Comunidad de la FIME y las autoridades Universitarias. El M.C. Cástulo E. Vela Villarreal, exdirector de la FIME, el Dr. Luis Galán Wong, Rector de la UANL y el M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Director de la FIME antes de la toma de protesta. 64 Para alcanzar nuestros objetivos es fundamental la participación y compromiso de toda la comunidad de la FIME; nadie puede abstraerse de las tareas de superación académica. Somos congruentes con los objetivos de la Visión UANL 2006 y con los del Programa de Educación para la Vida. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Rogelio G. Garza Rivera COMPAÑEROS UNIVERSITARIOS Estoy convencido de que el éxito se alcanza con la participación en equipo y que esto requiere de entusiasmo y compromiso, de compartir una visión y una meta. Nuestra meta es la excelencia académica. Unidos podemos lograrlo. La comunicación y el intercambio de experiencias reafirman la unidad. La unidad fortalece el ánimo, y cuando éste tiene un objetivo, es seguro que se alcance. Nuestro objetivo es que la FIME sea la Facultad de Ingeniería del país que ofrezca la mejor calidad educativa en su área y que tenga una proyección y reconocimiento internacional. Estamos juntos en este proyecto. Sé que cuento con el apoyo de todos ustedes y de un extraordinario equipo de trabajo. Ante mi familia, aquí presente, me comprometo a dar el mejor de mis esfuerzos para enfrentar con éxito este compromiso; porque ellos conocen mi amor por la Facultad y por mi alma mater, El Dr. Luis Galan Wong, Rector de la UANL coloca la medalla «Venera» al M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 sé que también cuento, como siempre, con su apoyo incondicional. Duplicaremos esfuerzos, pero sé que la prisa obstruye la razón. Que valorar las acciones en el tiempo engrandecen la cultura del ser humano, de las sociedades y de los pueblos. Veintinueve años de labor académica me han permitido conocer, aprender y actuar durante la evolución y crecimiento en su segunda mitad de existencia de la FIME. La experiencia adquirida me permite valorar los sucesos que año con año han transformado a nuestra Facultad. Unidad y Calidad es mi compromiso. La Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, necesita que desde ahora sea también su compromiso, nuestro compromiso. Muchas gracias. Autoridades universitarias en el presidium durante la ceremonia de toma de protesta de nuevo director de la FIMEUANL. 65 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Noviembre 2001-Marzo 2002 Guadalupe A. Castillo Rodríguez* Anand Eleazar Sánchez Orta, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Estimación y control para procesos de fermentación aeróbicos” 23 de Noviembre del 2001. Oswaldo Gustavo Cruz Garza, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Sincronización de operaciones como estrategia para incrementar la productividad” 26 de Noviembre del 2001. Norma Edith Marín Martínez, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “ Identificación de habilidades requeridas para la educación de los profesionales de sistemas de información” 26 de Noviembre del 2001. Zarel Valdez Nava, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Influencia de la alúmina como absorbedor de microondas en la relación de formación de espinel alúmina-magnesio” 5 de Diciembre del 2001. Irma Guadalupe Uicab Luna, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “El impacto de la omisión de métricas de calidad en el desarrollo del software” 7 de Diciembre del 2001. Ángel Carrillo Chavira , M.C. Administración, especialidad Relaciones industriales, “Formación emprendedora en el desarrollo personal y profesional del universitario” 11 de Diciembre del 2001. María Guadalupe Salazar Navarro, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Implantación del Sistema de Calidad en Alambres y Aceros Navarro” 13 de Diciembre del 2001. Pedro Venancio Peña Zamarrón, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Modelo estratégico de competitividad” 13 de Diciembre del 2001. César Guerra Torres, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “ Diseño de controladores y de observadores discretos para sistemas no-lineales” 14 de Diciembre del 2001. 66 Jorge Luis Arizpe Islas, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, ” Estudio de fluctuaciones de tensión en una red eléctrica industrial por operación de cargas de gran tamaño y de las alternativas para controlarlas” 18 de Diciembre del 2001. Luis Felipe Alemán Espinoza, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Modelo del horno de arco eléctrico utilizando cadenas ocultas de Markou” 18 de Diciembre del 2001. María del Carmen Rodríguez Meléndez, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Aplicación del desarrollo sustentable en una empresa de productos de gráfico” 19 de Diciembre del 2001. Leopoldo Flores Yáñez, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Implementación de un programa de capacitación, adiestramiento y seguridad industrial para una pequeña empresa que trabaja en condiciones críticas” 19 de Diciembre del 2001. Rosa María Ortiz Dávila, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Diagnóstico del clima organizacional para la optimización del recurso humano”, 21 de Enero del 2002. Adriana Lombardo Coronado, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Perfil del Ingeniero Administrador de Sistemas de la F.I.M.E.U.A.N.L., para ser más competitiva.” 31 de Enero del 2002. Adolfo López Escamilla, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Protección de equipo sensible contra sobretensiones”, 6 de Febrero del 2002. Ruby Ángela María Martínez Ochoa, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Implementación de un programa de desarrollo organizacional en una imprenta de la Universidad Autónoma de Nuevo León”, 11 de Febrero del 2002. * Sub-Director de Postgrado de la FIME-UANL. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Guadalupe A. Castillo Rodríguez Arturo Daniel Manzano Muñoz, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Implementación de un programa de desarrollo organizacional en una imprenta de la Universidad Autónoma de Nuevo León”, 11 de Febrero del 2002. Juan Veloz Lozano, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Recuperación de carbón para uso térmico para la generación de la C.F.E. a partir de las pilas de desperdicio en Carbonífera de San Pedro, S.A. de C.V.”, 27 de Febrero del 2002. Edgar Iván Morales Balboa, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Fractografía autoafín 3D en una aleación Al-Si” 11 de Febrero del 2002. José C. Ramos González, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Optimización de operaciones en la línea de producción para incrementar la productividad y disminuir el desperdicio”, 8 de Marzo del 2002. Gabriela Hernández Pallares, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Calidad en el servicio telefónico”, 13 de Febrero del 2002. Alvaro Reyes Martínez, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Texto de apoyo para la materia de sistemas de información III, de la Lic. en ciencias computacionales de la FCFMUANL”, 13 de Febrero del 2002. Karina Ivett Flores González, M.C. Administración, especialidad Producción y calidad, “Implementación de reducción de scrap en la empresa D&O electronics”, 18 de Febrero del 2002. Vivián Gándara García, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Implementación de kaizen y 5‘secretario en áreas de trabajo”, 22 de Febrero del 2002. César Arturo Luna Ruiz, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Sistemas justo a tiempo: administrando la diferencia”, 22 de Febrero del 2002. Brenda Erika Blanco Guajardo, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Registro de un módulo de utilidad en México ante el instituto mexicano de la propiedad industrial”, 25 de Febrero del 2002. Gabriela Meléndez Ibarra, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Como Implementar en DCT-3 productos de una planta manufacturera la administración total de calidad con enfoque en la reducción de desperdicios”, 26 de Febrero del 2002. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 Fidel García Ochoa, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “La enseñanza de la programación de computadoras en el Instituto Tecnológico de Nuevo León al inicio del segundo milenio”, 8 de Marzo del 2002. Francisco Humberto Florenzano Lara, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Diseño de algoritmos para sistemas multimáquina”,15 de Marzo del 2002. Francisco Humberto González González, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Diseño de material didáctico para el curso del control digital y sistemas de adquisición de datos basados en computadoras y estrategias básicas de control”, 15 de Marzo del 2002. Marco Antonio Méndez Cavazos, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Análisis de los comportamientos de los principales indicadores”, 19 de Marzo del 2002. César Chávez Bravo, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Protección de estructuras, edificaciones y zonas abiertas mediante pararrayos con dispositivo cerrado”, 20 de Marzo del 2002. Juan Carlos Flores García, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Telecomunicaciones, “Transformación y modernización de la infraestructura educativa en el área de telecomunicaciones en la U.A.N.L.”, 22 de Marzo del 2002. 67 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME DRA. ANA MARÍA ARATO TOVAR Título obtenido: Doctor en Ingeniería de Materiales. Nombre de la tesis: Obtención de la espinela aluminato de magnesio sinterizada a baja temperatura. Fecha de examen: 18 de Febrero de 2002. Asesor: Dr. Ubaldo Ortiz Méndez. Nacida en la ciudad de Valle Hermoso, Tamaulipas, el 14 de Enero de 1954. Egresó de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL donde obtuvo el grado de Ingeniero Químico 1975. Posteriormente en 1985 la Maestría en Administración, especialidad en Administración General. Obtuvo la Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales en la FIMEUANL en 1995. Ganadora del Premio a la Tesis de Maestría de Excelencia en Ciencias e Ingeniería de Materiales 1996, otorgado por la Academia Mexicana de Ciencias de Materiales, A.C., por su investigación titulada “Obtención de Circonia estabilizada con MgO”. De 1975-1998 profesor de tiempo completo de la Universidad Autónoma de Tamaulipas. Actualmente es profesora-investigadora de la Universidad Tecnológica Santa Catarina y Catedrática de la FIME-UANL. 68 Resumen: Los altos costos energéticos, aunados a la contaminación del medio ambiente por los productos que contienen cromo han motivado a los fabricantes de refractarios para recubrimientos de hornos a buscar alternativas de reemplazo para los materiales que representan un riesgo para la salud. La espínela de aluminato de magnesio es una alternativa para sustituir a los productos de cromo en los hornos para la producción de cemento. Este trabajo reporta el efecto de la adición de carbonato de calcio en la obtención de espinela de aluminato de magnesio sinterizada a baja temperatura. Se estudiaron muestras 1:1 molar de carbonato de magnesio y alúmina con diferentes concentraciones de mineralizador. Las pruebas se efectuaron en un horno eléctrico a 1400° C. Se determinaron las fases mediante difractometría óptica, análisis de imágenes y microscopía óptica, análisis de imágenes y miscroscopía electrónica de barrido. Los resultados demostraron que el material consiste principalmente de espinela de aluminato de magnesio y un pequeño porcentaje de aluminato de calcio. Se logró obtener espinela sinterizada con una densidad de 3.19 g/cm3 con un tiempo de calentamiento de 5 horas a 1400° C. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Reconocimientos I. JUBILADOS Durante Junio 2001- Mayo 2002 se jubilaron los siguientes maestros de FIME: Ing. José Luis Barrios Alonso Ing. Juan Arnulfo Barrios Alonso Lic. Francisco Alejo Castañeda Eguía M.C. Jesús Luis de la Torre Saldaña Ing. Sergio Héctor Martínez Elizondo Ing. Francisco Rivera Martínez Ing. Reynold Rodríguez Garza M.C. Adrián Salazar Vargas Ing. Blas Villalonga Roche Ing. Juan Gregorio Zamora Villarreal II. CUMPLIERON 30 AÑOS COMO MAESTROS Dr. Victoriano Francisco Alatorre González M.C. Luis Arciniega Hernández M.C. Delia María Armendáriz Guerrero M.C. Esteban Báez Villarreal Ing. Jose Luis Barrios Alonso Ing. Juan Alberto Barrios Alonso M.C. Arturo Borjas Roacho Ing. José Eleuterio Briones Torres Ing. Rolando Francisco Campos Rodríguez Lic. Francisco Alejo Castañeda Eguía M.C. José Encarnación Castillo Barrera M.C. Jesús Díaz Ayala M.C. Francisco Javier Esparza Ramírez M.C. Juan De Dios Esparza Rentería Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 Ing. Homero Estrada Cortinas M.C. Fernando Estrada Salazar Ing. Francisco Figueroa Martínez M.C. María Elena Garza González Ing. Homero Gómez Zepeda M.C. Arturo Rodolfo González Escamilla M.C. Evelio P. González Flores Ing. María Elena Guerra Torres Ing. Carlos Hernández Tovar M.C. Juan Antonio Herrera Almaguer Ing. Mario Hotema Wong M.C. Antonio Ibarra García M.C. Mario Alberto Martínez Romo M.C. Sergio Javier Pérez Guerra M.C. Humberto Reyes de los Santos Ing. Alberto Ríos Martínez M.C. Rogelio Ramón Rodríguez Alanís M.C. Francisco Roel Rodríguez Herrera M.C. Eulalio Rodríguez Ibarra M.C. Heriberto Ruiz Caballero M.C. José Fernando Salazar Valdez Ing. Luis Eloy Santos Garza M.C. José Saucedo Valdez Ing. José Luis Tijerina Guerra M.C. Rogelio Treviño Garza M.C. José Eloy Vargas Rocha M.C. Cástulo E. Vela Villarreal 69 �Reconocimientos III. “MAESTRO EMPRENDEDOR” El pasado 1° de febrero de 2002, en la Ciudad de Puebla, se entregó el reconocimiento de «Maestro Emprendedor» al Ing. Ricardo Garza Castaño, Director General del Programa Emprendedor en nuestra Universidad y catedrático de la FIME. El Ing. Leonardo Chávez y el Dr. Moisés Hinojosa obtuvieron el primer lugar en el área de Desarrollo Industrial en simposium organizado por el CONACYT. Ing. Ricardo Garza Castaño, obtúvo el reconocimiento de «Maestro Emprendedor» por parte de la organización DESEM. La entrega de dicho reconocimiento se llevó a cabo durante el 1er. Foro Nacional de Presidentes y Consejeros, organizado por el Desarrollo Empresarial Mexicano (DESEM) del 31 de enero al 2 de febrero. El reconocimiento le fue otorgado de manos del Secretario de Educación Pública, el Dr. Reyes S. Tamez Guerra y por las autoridades de DESEM. IV. PREMIO EN EL VII SIMPOSIO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA 2002. Durante los días 16 y 17 de mayo de 2002 se llevó a cabo el VII Simposio de Ciencia y Tecnología organizado por el CONACYT en la biblioteca Raúl Rangel Frías. En este simposio participó la FIME, en el área de Desarrollo Industrial con ocho trabajos de investigación de un total de 18, que se realizaron en las instalaciones de dicha facultad. Entre los autores de los trabajos que pertenecen a FIME se encuentran: Eugenio López, Lionel Méndez, Miguel Ruiz, Raúl 70 Cavazos, Mario Delgado, Moisés Hinojosa, Jonathan Sánchez, Carlos Guerrero, Leonardo Chávez, Jesús Infante, Virgilio González, Laura Ortiz, Yanet Morales, Roger Ríos, Edgar Morales y Naser Mohamed. El premio en esta categoría lo obtuvo el trabajo “Aplicación de la Geometría Fractal a las Superficies del Vidrio Sodocálcico y Opalino” cuyos autores el Ing. Leonardo Chávez Guerrero y el Dr. Moisés Hinojosa Rivera trabajan en el Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales (PDIM) de la FIME. Además participaron otras facultades de la U.A.N.L. como Ciencias Biológicas, Ciencias Químicas y el ITESM campus Monterrey. V. EVALUADORES ACREDITADOS. Catedráticos de la FIME-UANL seleccionados para formar parte del Registro CONACYT de Evaluadores Acreditados (RCEA): Aguilar Garib Juan Antonio Colás Ortíz Rafael Chacón Mondragon Óscar Leonel De la O Serna José Antonio De León Morales Jesús Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Reconocimientos González González Virgilio Ángel Guerrero Salazar Carlos Alberto Ortiz Méndez Ubaldo Ríos Mercado Roger Zirahuen Rodríguez López Patricia VI. MÉRITO ACADÉMICO AGO 2001- ENE 2002 Juan Carlos Don Juan López Luis David Martínez Alanis Alma Rosa Obregón Zamudio Belinda del R. González Delgado Daniela González Martínez Carlos Augusto Gandara Cavazos Nelly Deyanira Tamez Castillo Rogelio Antonio Torres Pacheco IEC IEC ICC IAS IAS IAS IAS IAS 95.19 96.36 91.11 95.36 95.27 94.01 93.57 93.52 En ceremonia realizada el 31 de Junio de 2002 se entregaron Reconocimientos al Mérito Académico a los alumnos que a continuación se listan. Se indica también la carrera y su calificación promedio. Flor Oreida Cantú de la Garza IMA David Ramírez Joya IEC Karina Jazmín Guerrero Cavazos IAS Plinio de León Canton ICC Jorge Alberto Gutiérrez espinosa IME Raúl Becerra Favro IM 98.36 96.48 95.47 95.31 92.86 92.42 VIII. PREMIO A LA EXCELENCIA DEL SERVICIO SOCIAL VII. MENCIONES HONORÍFICAS AGO 2001ENE 2002 El día 12 de junio, en el auditorio de la Biblioteca Universitaria «Lic. Raúl Rangel Frías», se efectuó la ceremonia de premiación a los más destacados estudiantes que prestaron su servicio social en el período Agosto 2001 a Febrero 2002. Por parte de la FIME recibió el «Premio a la Excelencia en el Cumplimiento del Servicio Social» el alumno Lionel Sergio Méndez Portillo, quien realizó un trabajo de desarrolló tecnológico dirigido por el M.C. Eugenio López Guerrero. Por su desempeño académico, también el 31 de mayo del 2002, recibieron una Mención honorífica los siguientes alumnos: Selen Jennifer Cantú de la Garza IMA 97.89 Hugo Enrique Ávila Rodríguez IMA 94.52 Sergio Adrián Garza Duarte IMA 93.14 Nancy Margarita Saenz Garza IEC 96.22 Marco Vinicio Trimegisto Sandoval Bolio IEC 95.45 Sarai Carrera Trejo IEC 95.37 Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 El joven Lionel S. Méndez P. ganador del premio a la «Excelencia del Servicio Social» junto a su asesor el M.C. Eugenio López G. 71 �Acuse de recibo Revista SOCIEDAD QUIMICA DE MEXICO Revista SCIENTIFIC AMERICAN La revista que la SQM edita trimestralmente con una gran pulcritud presenta contribuciones originales de investigación en todas las ramas de la teoría y práctica de la química y también publica revisiones, artículos especiales, notas técnicas y comentarios sobre los avances recientes en las áreas activas de la investigación química. La aparición de la revista Scientific American Latinoamérica permite conocer los últimos resultados científicos y los avances de la tecnología en español. Esta publicación no es la simple traducción de la edición en inglés, es un proyecto editorial que busca dar a conocer el punto de vista latinoamericano de la ciencia y la tecnología en nuestro idioma y desde nuestros países. El consejo editorial de esta revista ha sido integrado con prestigiados científicos latinoamericanos. La Rev. Soc. Quim. Mex. es una publicación indizada internacionalmente cuyos artículos son sujetos a un proceso de arbitraje como condición para su publicación. Es de reconocerse lo sucinto de los artículos sin que con ello se pierda información ni calidad. En algunas ocasiones presenta números monográficos, por ejemplo el número 3 del volumen 45 se centra en “El desarrollo de la química en México en el siglo XX”, y vienen una serie de artículos de divulgación de la historia científicotecnológica de nuestro país. La dirección de la Sociedad Química de México es: Barranca del Muerto 26 (esquina Hércules), Col. Crédito Constructor, Delegación Benito Juárez, C.P. 03940. México, D.F. y los teléfonos son: 5662-6823 y 5662-6837. (FJEG) 72 Sin menoscabo de la calidad que caracteriza a Scientific American, la edición Latinoamericana es una nueva opción para que los latinoamericanos comuniquen sus logros. En este primer número, Lisbeth Fog nos presenta el estado de la Ciencia y la Tecnología en Colombia, Eli Yablonovitch (creador del concepto de banda prohibida fotónica) hace una recordatoria del desarrollo de los cristales fotónicos o semiconductores de luz, finalmente Steven K. Feiner presenta sus más recientes resultados sobre cómo mejorar la percepción del mundo a través de sistemas de realidad aumentada. Bienvenida sea Scientific American Latinoamérica. Más información y suscripciones en el teléfono, desde México, 01800 6271167, o vía e-mail en la dirección: sciamla@panorama.com.mx (UOM) Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Colaboradores Alcorta García, Efraín Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones (1989) y Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control Automático y Robótica (1992), ambas en la FIME-UANL. El Doctorado lo realizó en el Instituto de Medición y Control de la Universidad Gerhard Mercator –GH- de Duisburgo en Alemania concluyendo en 1999. Ha participado en varios proyectos industriales tanto en México como en Alemania. Barresi, Antonello A. Ingeniero Químico egresado del Politécnico de Turín, Doctorado en Ingeniería Química por el Politécnico de Turín, Italia. Actualmente es Profesor en el Politécnico de Turín, y desarrolla proyectos sobre combustión catalítica. Castillo Rodríguez, Guadalupe Alan En 1989 obtuvo su título de Ingeniero Mecánico Electricista en la FIME-UANL. En 1992 obtuvo el Grado de Maestro en Ciencias de la Ingeniería de Materiales, y en 1997 obtuvo su Grado de Doctor en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Trabajó 2 años como investigador en el Instituto de Materiales Cerámicos en la TU Clausthal en Alemania. De 1997 a 1999 trabajó como investigador en el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico Peñoles. Desde 1999 es Profesor de Tiempo Completo en nuestra Facultad. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores. Actualmente es Subdirector de la División de Estudios de Postgrado de la FIME-UANL. Chacón Mondragón, Óscar Leonel Ingeniero Químico por la UANL. Obtuvo su Maestría en Ciencias en la Universidad de Houston. Doctorado en la Universidad de Texas en Austin. Actualmente es Profesor Investigador en el Doctorado en Ingeniería de Sistemas de la FIME. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, del IEEE y de INFORMS. Sus áreas de investigación Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 son la optimización e inteligencia artificial aplicadas a sistemas eléctricos de potencia. Cupich Guerrero, Jorge A. Estudiante de la carrera de Ingeniero Mecánico Administrador en la FIME-UANL. Ha colaborado en el Laboratorio de Acústica de la FIME desde 1999. Ha participado como coponente en tres congresos internacionales. Elizondo Garza, Fernando Javier Ingeniero Mecánico Electricista egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Diplomado en Administración de Tecnología en el CINVESTAV del IPN. Maestría en Ingeniería Ambiental en la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. Es catedrático y consultor de la FIME y director de la revista Ingenierías. García-Colín Scherer, Leopoldo Es ingeniero químico por la Universidad Nacional Autónoma de México (1953), donde también estudió la licenciatura en física (1954). Realizó el doctorado en física en la Universidad de Maryland (1959). Desde 1974 es profesor-investigador de la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. La especialidad del doctor García-Colín es la mecánica estadística. Ha escrito decenas de artículos para revistas especializadas en todo el mundo, así como libros. Ha recibido, entre otros reconocimientos, el Premio de Ciencias de la Academia de la Investigación Científica (1965) y en 1988 el Gobierno de la República Mexicana le otorgó el Premio Nacional de Ciencias y Artes, en el área de Ciencias Físico-Matemáticas. Garza Rivera, Rogelio Guillermo Ingeniero Mecánico Electricista por la FIMEUANL, obtuvo la Maestría en la Enseñanza de las Ciencias, con especialidad en Física, en la UANL. Diplomado en Didáctica de la Física. Actualmente es Director de la FIME. 73 �Colaboradores Hinojosa Rivera, Moisés Morones Ibarra, J. Rubén Egresado de la FIME-UANL, obtuvo maestría y doctorado en Ingeniería de Materiales en la misma institución. Postdoctorado en el Instituto de Estudios e Investigaciones Aeroespaciales de Francia. Ganador del Premio de Investigación UANL 1996. Es investigador de tiempo completo en la FIME desde 1998. Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la UANL. Obtuvo su doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es maestro de la Facultad de Ciencias Físico-Matemátias de la UANL. Lara Ochoa, Carlos Amador Egresado de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencia de Materiales en la Universidad Claude Bernard de Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, y miembro del SNI nivel 1. Recientemente obtuvo el Reconocimiento al Mérito Tecnológico TECNOS 2000. Ingeniero Mecánico Electricista por la FIME-UANL (1995-2000), actualmente es maestro y consultor industrial de la FIME-UANL. Ha presentado dos ponencias en congresos internacionales. López Cuéllar, Enrique Ingeniero Mecánico Electricista y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales por la FIME de la UANL. Doctor en Ingeniería de Materiales por el INSA de Lyon, Francia. Fue catedrático en la FIME y coordinador de proyectos de ahorro de energía en DIRAM. López Guerrero, Fco. Eugenio Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero en Control y Computación por la UANL. Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas por la UANL, Maestro en la FIME-UANL. Actualmente desarrolla su tesis doctoral en MáquinasHerramientas en el Programa Doctoral de Materiales de la FIME en conjunto con la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Méndez Portillo, Lionel Sergio Estudiante de noveno semestre de la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista. Miembro del grupo Talentos de estudiantes de la UANL. Ganador del premio a la excelencia en el servicio social. Actualmente colabora en la División de Ingeniería Mecánica de la FIME-UANL. 74 Ortiz Méndez, Ubaldo Rivera de la Rosa, Javier Ingeniero Químico egresado de la Facultad de Ciencias Químicas, Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIMEUANL. Doctorado en Ingeniería Química en el Politécnico de Turín, Italia. Actualmente profesor investigador en ciencias químicas en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Rodríguez Rodríguez, Manuel G. Maestro en ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales egresado de la facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL donde actualmente cursa el doctorado de Ingeniería de Materiales. Ruiz Silva, Miguel Ángel Estudiante de la carrera de Ingeniero Mecánico Administrador en la FIME-UANL. Actualmente desarrolla su tesis de licenciatura en Máquinas-Herramienta en la empresa BOSCH GmBH, en Stuttgart, Alemania. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 �Información para colaboradores Se invita a profesores e investigadores de las diferentes áreas de la ingeniería a colaborar en la Revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes de eventos, convocatorias, etc. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras. Deberán incluirse un máximo de 5 palabras clave tanto en español como inglés. Las referencias irán numeradas en el orden que fueron citadas en el texto. Las colaboraciones deberán estar escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. No deberá ser en primera persona. Las fichas bibliográficas incluirán los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Solamente se aceptarán trabajos en inglés de personas cuyo primer idioma no sea el español. Deben incluirse al menos 3 imágenes o gráficas, originales. Todos los artículos recibidos serán sujetos a arbitraje tipo doble anónimo siendo inapelable el veredicto de los revisores. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4020 Fax: 8332-0904 E-mail: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar, para su consideración editorial, un original y copia del artículo, así como un disquete de 3 ½” con el archivo del mismo en formato .doc de Word, originales de material gráfico, y fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras. Los artículos deben remitirse a: Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, A. P. 076 “F”, Cd. Universitaria, San Nicolás, C.P. 66450, N.L., México. El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por artículo es cuatro. La extensión de los artículos no deberá exceder de 7 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16 75 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2002 Volumen Volumen de la revista 5 Número Número de la revista 16 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2002, Vol 5, No 16, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2002 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020779 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Catalizador perovskítico soportado Emisiones infrarrojas Rogelio G. Garza Rivera Soldadura ultrasónica Titulados FIME https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20738/Ingenierias_2002_Vol_5_No_15_Abril-Junio.pdf e26def59b32b8104d0d73940e881da2c PDF Text Text ���Editorial Nuevos incentivos para el desarrollo tecnológico de las empresas Raúl G. Quintero Flores* De acuerdo a estándares internacionales de medición, se considera que un país tiene un grado de desarrollo medio cuando invierte en investigación y desarrollo tecnológico más del 1% de su producto interno bruto, y un desarrollo avanzado cuando tal inversión sobrepasa el 2%. México durante las décadas pasadas ha invertido cifras que fueron avanzando lentamente hasta llegar al valor de 0.4% durante el año 2001, lo que nos coloca aún en categoría de país de bajo desarrollo. El gobierno del pasado sexenio propuso en su plan nacional de desarrollo que se elevase la cifra de 0.30 a 0.70%, con inversión principal de las empresas privadas, pero sólo se logró llegar al 0.40%. La razón es muy sencilla, no se dio ningún incentivo a las empresas para invertir en este rubro y los recursos gubernamentales solamente pudieron incrementarse ligeramente durante todo el sexenio. Diversos organismos e instituciones, entre los cuales destaca de manera importante la ADIAT (Asociación Mexicana de Directivos de la Investigación Aplicada y el Desarrollo Tecnológico, A. C.) lucharon por modificar la legislación existente para que se crearan incentivos fiscales, créditos blandos y otros mecanismos que dieran al empresario un incentivo para invertir en su propio desarrollo tecnológico.1 Esto debido a la urgente necesidad de hacer a las empresas más eficientes y competitivas ante el peligro de sucumbir dada la competencia internacional que trajo consigo la firma de los tratados de libre comercio con diversos países. Los resultados obtenidos fueron muy pobres, logrando sólo que se modificara la ley para otorgar incentivos fiscales a las empresas para el incremento en gasto e inversión en desarrollo tecnológico con respecto a lo que hubieran hecho los 3 años anteriores. Gracias a eso sólo se logró en el último año pasar del 0.35 al 0.4% la inversión en este concepto. * Director General de la División Tecnología de HYLSAMEX. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 3 �Nuevos incentivos para el desarrollo tecnológico de las empresas No fue sino hasta el presente sexenio, a fines del año pasado, cuando gracias al empuje de CONACYT, secundado por los esfuerzos de ADIAT y otras organizaciones profesionales, se lleva a cabo la aprobación de una nueva legislación2,3 relacionada con ciencia y tecnología en la que se establecen, ahora sí, incentivos importantes al desarrollo tecnológico de las empresas. Creemos firmemente que con estos apoyos lograremos llegar al 1% del producto interno bruto el año 2006, como ha sido declarado en el nuevo plan de desarrollo. La nueva ley establece un crédito fiscal a las empresas por un 30% de su gasto e inversión en desarrollo tecnológico. Asimismo, se establecen mecanismos de apoyo directo para llevar a cabo proyectos de desarrollo tecnológico encaminados a mejorar su nivel de competitividad para luchar en mejores circunstancias en el mundo globalizado en el que ahora nos desenvolvemos. 4 Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Raúl G. Quintero Flores Exhortamos a las empresas a aprovechar estos nuevos incentivos para modernizarse y eficientarse tecnológicamente. Mis felicitaciones a CONACYT por liderar estas propuestas. Mis felicitaciones también a las Cámaras de Diputados y de Senadores, quienes aprobaron la nueva legislación, y al Gobierno Federal en general por su propósito de mejorar las condiciones para que la planta productiva compita con mejores armas en este nuevo milenio, y así México pueda alcanzar el nivel de desarrollo y la calidad de vida que deseamos los mexicanos. REFERENCIAS 1. Ley para el fomento de la investigación científica y tecnologíca. Publicada en el Diario Oficial de la Federación del 21 de mayo 1999. 2. Decreto por el que se adiciona el artículo 163 a la Ley del Impuesto sobre la Renta. Publicado en el Diario Oficial de la Federación del 13 de diciembre de 2001. 3. Reglas generales para la aplicación del estímulo fiscal a la investigación y desarrollo de tecnología y creación y funcionamiento del Comité Interinstitucional. Publicado en el Diario Oficial de la Federación del 21 de diciembre de 2001. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 5 �La energía nuclear, una solución al problema de los energéticos Rubén Morones I., Ayax Santos, Claudio D. Gutiérrez* “Cuando uno puede medir aquello de lo que está hablando y expresarlo en números, sabe algo acerca de ello; pero cuando no puede expresarlo en números, su conocimiento es escaso e insatisfactorio; podrá ser un principio de conocimiento pero escasamente habrá avanzado este conocimiento a la etapa de una ciencia.” Lord Kelvin Abstract Modern civilization is borne out on the use of energy. Fossil fuels like coal, oil and natural gas are the most common energy sources nowadays. But oil and natural gas will last only for about 40 or 50 years, and even though the coal resources can supply energy during more than 600 years, burning coal causes serious damage to the environment. Nuclear energy is a real option to supply clean energy on enough amounts. Nuclear reactors can satisfy the needs for energy for about ten thousand years. Unfortunately there are political groups that are against the use of nuclear fuels adducing very simple arguments making some people follow them. It is important to inform to society with reasonable arguments in order to create a technological culture that allow people to realize that if we do not find new technologies or new fuels in a short period of time, the humankind can suffer a big retrocession in comfort and well being. Keywords: Nuclear energy, fission, nuclear reactor. INTRODUCCIÓN La importancia de la energía en el mundo moderno es indiscutible y el desarrollo tecnológico de la civilización actual no puede ser concebido sin el uso de fuentes de energía. El consumo de los energéticos ha ido aumentando de manera continua desde que el hombre descubrió el fuego. El incremento en la po- 6 Fig. 1. Vista parcial de la planta nuclear del Cañón del Diablo, en San Luis Obispo, California, E.U.A. blación mundial, la utilización cada vez mayor de productos tecnológicos y el crecimiento económico demandan un aumento constante en el suministro de energía. Se plantea entonces para el futuro inmediato el problema de satisfacer esta demanda. Dado que las fuentes principales de energía en el presente son los hidrocarburos y el carbón, que se estima que las reservas de hidrocarburos se agotarán en un plazo de entre 40 o 50 años1 y que el carbón es altamente contaminante, se pone de manifiesto la urgente necesidad de encontrar fuentes alternativas de energía. Antes de plantear el uso de la energía nuclear en la generación de energía eléctrica es conveniente hacer algunas observaciones acerca del carbón y los hidrocarburos como combustibles. Al quemar carbón o hidrocarburos se desprende bióxido de carbono, el cual, al ser agregado al que ya existe en la atmósfera trae como consecuencia un aumento en la temperatura promedio de la tierra; esto es lo que se conoce como efecto invernadero. En caso de ocurrir este aumento de temperatura, provocaría catástrofes ecológicas en todo el planeta, parte del hielo polar se derretiría ocasionando un aumento en el nivel del mar inundando muchas * Doctorado en Ingeniería Física Industrial, Facultad Ciencias Físico-Matemáticas UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Rubén Morones, Ayax Santos, Claudio D. Gutiérrez ciudades costeras, además de provocar cambios climáticos considerables. Otro de los efectos serios sobre el medio ambiente causados por la combustión de hidrocarburos y principalmente del carbón, es el de la lluvia ácida. Esta es ocasionada por la presencia en la atmósfera de dióxido de azufre y óxido de nitrógeno, productos de la combustión tanto de los hidrocarburos como del carbón, que al combinarse con el vapor de agua en las nubes forman ácido sulfúrico y ácido nítrico. Disueltos estos ácidos en gotas de agua caerán en forma de lluvia; esto es lo que se conoce como lluvia ácida. Debido a esta lluvia ácida, las aguas en muchos ríos y lagos han aumentado su acidez, dañando la vida acuática, la agricultura, la vegetación y los bosques. Es sabido que en cientos de lagos de Estados Unidos no hay peces debido a la excesiva acidez del agua y algo similar ocurre en otras partes del mundo, lo cual es ocasionado por la lluvia ácida.2 ligros como veremos posteriormente. En realidad ninguna de las fuentes de energía, incluyendo la solar y la hidráulica, está exenta de riesgos. Tabla 1. Comparación de la cantidad de desechos entre diversos combustibles (toneladas). Contaminante Bióxido de carbono Gas natural Carbón Derivados del Nuclear petróleo 13,000,000 5,000,000 5,500,000 Oxidos de azufre 140,000 14 53,000 0 Oxidos de nitrógeno 20,800 12,200 21,800 0 Monóxido de Carbono 522 0 9 0 Hidrocarburos 209 0 667 0 Para generar 1000 MW, durante un año se requieren las cantidades de los combustibles que se indican: Gas natural 1,900,000,000 m3 SITUACIÓN ACTUAL Carbón 3,600,000 ton Una central térmica de carbón quema en un año un millón de toneladas de carbón y los productos de esta combustión se arrojan a la atmósfera; polvo, azufre, centenares de compuestos químicos a veces perniciosos y hasta débilmente radioactivos, se dispersan en la atmósfera disolviéndose en las gotas de lluvia y de niebla que caerán después como lluvia ácida o serán respirados por millones de personas. Como las reservas de carbón en el mundo son enormes (se calcula que alcanzaría para 600 años atendiendo la demanda de electricidad al ritmo creciente actual),3 el problema de los energéticos en el presente se relaciona más bien con problemas ambientales y de salud y no propiamente de escasez. Derivados del petróleo 2,000,000 ton En la tabla I se ilustran las cantidades de algunas substancias altamente contaminantes que se producen con cada uno de los combustibles indicados. Se ha incluido a manera de comparación los combustibles nucleares que, como se observa, no presentan este tipo de riesgos, pero que presentan otros pe- Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 0 Nuclear 155 ton Y son arrojadas al ambiente anualmente las cantidades de contaminantes (en toneladas), según cada tipo de central 4 indicadas en la tabla I. El problema actual de la disyuntiva entre la contaminación ambiental y la necesidad de aumentar la producción de energía tiene una solución real si consideramos la opción de la energía nuclear. Una planta nucleoeléctrica permite generar energía eléctrica en grandes cantidades y la tecnología de la que se dispone en la actualidad está bastante desarrollada. LA ENERGÍA NUCLEAR La energía nuclear, como su nombre lo indica, es la energía obtenida o liberada en las reacciones nucleares. Existen tres tipos de reacciones nucleares que liberan energía, estas son: a) la desintegración 7 �La energía nuclear, una solución al problema de los energéticos radiactiva, b) la fisión nuclear y c) la fusión nuclear. La desintegración nuclear o decaimiento radiactivo es el proceso mediante el cual un núcleo atómico emite partículas espontáneamente. Este proceso ocurre debido a la tendencia de todos los sistemas de la naturaleza hacia la mayor estabilidad, es decir, hacia estados de menor energía. En el fenómeno de la desintegración radiactiva, los núcleos liberan energía y pasan a estados más estables. La fisión nuclear es un fenómeno que ocurre cuando un núcleo captura un neutrón y pasa a un estado inestable donde se produce la escisión del núcleo (fisión) en dos fragmentos (muy raramente en tres). En el laboratorio, en los reactores nucleares y en la bomba atómica la fisión nuclear (figura 2) se consigue al bombardear núcleos pesados, como el U-235 o el Plutonio-239 con neutrones. Si un núcleo captura uno de estos neutrones el núcleo se vuelve inestable, rompiéndose o fisionándose, en dos núcleos más ligeros y algunos neutrones. Si sumamos las masas de los núcleos y las partículas productos de la fisión, obtendremos que ésta es menor que la masa del núcleo original. La masa faltante se ha convertido en energía de acuerdo con la famosa fórmula de Einstein E = mc2. Fig. 2. Esquema de la fisión del uranio. 8 Fig. 3. Albert Einstein. Su famosa fórmula E=mc2 explica la liberación de energía en las reacciones nucleares. En el proceso de fisión del U-235 se libera una cantidad de energía del orden de 200 MeV (megaelectronvolt, 1MeV = 4.45×10 -20 kilowatthora, kWh) por cada núcleo fisionado. Comparado con la energía liberada por átomo en la combustión química que es del orden de 4 eV nos damos cuenta de la enorme cantidad de energía almacenada en el núcleo, la que resulta ser millones de veces mayor que la energía química de combustibles como el petróleo o carbón. La fisión nuclear es una reacción que en la actualidad puede controlarse. Genera una cantidad de calor tan grande que es capaz de evaporar en poco tiempo considerables volúmenes de agua, y es precisamente este vapor el que activa inmensos dínamos generadores de electricidad. Esto ha solucionado el problema de energía en países no agraciados con recursos naturales, entre los que destaca Francia, en el cual la energía nuclear representa el 70 por ciento de la producción energética total del país. En 1986 se estimó que la energía nuclear genera el 15 por ciento de la producción mundial.5 Se han construido en todo el mun- Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Rubén Morones, Ayax Santos, Claudio D. Gutiérrez Fig. 4. El físico italiano Enrico Fermi, logró la primera reacción de fisión nuclear autosostenida. do reactores nucleares capaces de producir hasta 1,200 megawatts de potencia, como el que está ubicado en Creys Malville, cerca de Grenoble en Francia. En cuanto a la reacción de fusión nuclear, este es el tipo de reacciones que ocurren en el sol y las estrellas, cuya energía liberada se expulsa al espacio en forma de calor y radiación. La fusión nuclear ha sido utilizada por el hombre en forma no controlada en la bomba de hidrógeno o bomba H, pero no ha sido posible utilizarla en forma controlada. Actualmente se trabaja intensamente en muchas partes del mundo, para lograr un reactor de fusión nuclear. Si esto se logra, la humanidad dispondría de una fuente de energía prácticamente inagotable que le permitiría asegurar en el futuro el mejoramiento del nivel de vida de la sociedad humana. LOS RIESGOS Y EL POTENCIAL Aun cuando la tecnología nuclear está en la actualidad suficientemente desarrollada, existen en el presente problemas sociales y políticos que han obstacu- Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 lizado su uso en la generación de energía eléctrica. La falta de información acerca de los riesgos y beneficios de la energía nuclear ha dado origen a la formación de grupos que, preocupados por la preservación del medio ambiente, se oponen al uso pacífico de la energía nuclear. Los temores que en el presente existen sobre el uso de plantas nucleares para generar electricidad, son realmente exagerados. La tecnología nuclear es hoy por hoy una de las tecnologías más seguras, sin embargo, como cualquiera otra de las tecnologías existen riesgos al utilizarla, pero estos resultan minúsculos al compararlos con la amenaza que representa para el medio ambiente el uso de otras fuentes de energía como la del petróleo o la del carbón. La generación de energía eléctrica mediante plantas nucleares es uno de los procesos más limpios y eficientes que se conocen y usan en la actualidad. Es importante que se proporcione al público información veraz, objetiva y fundamentada y no una información manipulada, que desoriente o cree temores infundados ni tampoco que se promuevan conductas irresponsables respecto a la tecnología nuclear. Es necesario sensibilizar a la población y crear conciencia en ella sobre la importancia que tiene para el desarrollo industrial y el progreso social, contar con fuentes de energía limpias, seguras y en cantidades adecuadas. La escasez de energéticos no deja, por el momento, ninguna otra opción viable mas que la energía nuclear. Esta permitirá satisfacer la demanda creciente de energéticos por varios miles de años. Una de las causas por las cuales la energía nuclear es tan temida por la población general es porque se le asocia con la bomba atómica. La sociedad tuvo la primera información sobre la energía atómica a través de las horribles explosiones de las bombas atómicas al final de la segunda guerra mundial. Este hecho marcó negativamente el desarrollo de la energía nuclear. La población identifica radiación nuclear con muerte, sin embargo la aplicación pacífica de la radiación ha salvado y prolongado la vida a millones de 9 �La energía nuclear, una solución al problema de los energéticos personas. Las aplicaciones pacíficas de la tecnología nuclear han producido bienestar y mejoramiento en la calidad de vida del ser humano. Por otra parte, el hombre y todos los seres vivos, estamos expuestos permanentemente a la radiación natural. La radiación natural en la tierra se debe parcialmente a la radiación cósmica, que consiste de partículas de muy alta energía, principalmente protones que provienen del espacio exterior, en su mayor parte del sol, y de los núcleos radiactivos que están presentes en casi todas las substancias de la tierra, incluyendo el aire que respiramos y los alimentos que consumimos. La unidad de radiación que toma en cuenta sus efectos biológicos es el rem (roentgen equivalent in man). Un milirem se abrevia mrem. Para tener una idea comparativa de la exposición a la radiación en diferentes situaciones se citan los siguientes ejemplos: la radiactividad natural es de 200 mrem por año. Cuando una persona se toma una radiografía de tórax recibe una dosis de radiación de 40 mrem y en una radiografía dental recibe 20 mrem.6 Debido a que la atmósfera absorbe los rayos cósmicos, a mayor altura tendremos mayor radiación cósmica y en un vuelo de 10 horas en jet se reciben 5 mrem de este tipo de radiación.7 Las normas internacionales establecidas por la Comisión Internacional de Protección Radiológica especifican como límite máximo de dosis absorbida de radiación 0.5 rem por año para el público en general y de 5 rem para personas que trabajan con radiaciones ionizantes,8 para el caso de una persona que se encuentre junto a un reactor, el límite es de 5 mrem anuales.6 Estas cantidades dan una idea de los controles de seguridad y las condiciones de operación de los reactores nucleares. En cuanto a los riesgos del uso de la energía nuclear, el accidente más impresionante que ha ocurrido en la industria nuclear ha sido el del reactor de Chernobyl, en Ucrania en la madrugada del 26 de abril de 1986. Las causas del accidente fueron debidas a una sucesión de errores humanos y al hecho de que 10 Fig. 5. Fachada de una planta nucleoeléctrica en Japón. este reactor no contaba con un contenedor primario, el cual es una barrera de concreto reforzado. El peor desastre que puede ocurrir en un reactor nuclear es el derretimiento de su recipiente. En este caso la temperatura del reactor sale fuera de control derritiendo su recipiente o contenedor y expulsando hacia el exterior el combustible nuclear. Esta explosión, que no es una explosión nuclear sino una liberación de gases debido a que el recipiente que los contiene se ha fundido, se conoce como “el desastre final”. En el caso de Chernobyl, donde se produjo un accidente de este tipo, al no tener el reactor un contenedor primario, estos gases escaparon a la atmósfera causando un desastre de proporciones mundiales. Este accidente no debe minimizarse, pero debemos estar conscientes que la tecnología de ese reactor era ya obsoleta y debió haberse cancelado su funcionamiento desde mucho antes del accidente. Tampoco debemos caer en el miedo irracional hacia lo nuclear, ni en el manejo irresponsable de la información y de los riesgos. Francia cuenta actualmente con cuarenta centrales nucleares y jamás ha tenido un accidente. Para hablar en forma sensata de los riesgos del uso de la energía nuclear necesitamos cuantificarlos y compararlos con los de otras fuentes de energía. Al hacer una evaluación objetiva y cuantitativa de la probabi- Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Rubén Morones, Ayax Santos, Claudio D. Gutiérrez lidad y la magnitud de los accidentes, la utilización del carbón o el petróleo resultan mucho más perjudiciales para la salud y el medio ambiente que los combustibles nucleares. Comparativamente la energía nuclear resultaría una fuente de energía limpia y muy eficiente. Los desastres ecológicos ocasionados por derrames de petróleo han causado más daño al medio ambiente que el peor desastre en plantas nucleares, como el de Chernobyl. En cuanto al carbón, los accidentes ocurridos en su extracción suman varios cientos anualmente, pero lo peor ocurre a la salud de los mineros, que los hace susceptibles para contraer enfermedades pulmonares mortales. Se ha mencionado ya la contaminación ocasionada por las plantas carboeléctricas que ocasionan serios problemas ambientales y que ya han puesto en peligro los bosques de Alemania y los efectos del isótopo radiactivo del carbono que, ese sí, es expulsado directamente a la atmósfera en la combustión del carbón. Se ha calculado que usando reactores de fisión con la eficiencia de los actuales, y considerando un incremento en la demanda de energía similar al del presente, las reservas de uranio natural en el mundo, durarían aproximadamente para cien años.9 Pero usando reactores regeneradores, que usan el U-239 que se produce cuando un núcleo de U-238 captura un neutrón, ocurre que este núcleo es un combustible mejor, que libera cien veces más energía que el U-235 y para el cual ya existe la tecnología para utilizar su energía. Tendremos así que la energía disponible para usarla en reactores de fisión es suficiente para diez mil años, lo cual representa la solución al problema de los energéticos. La tecnología nuclear ha logrado desarrollar un tipo de reactores nucleares de fisión llamados reactores regenerativos o reproductores, o de cría, los cuales están diseñados para producir más material fisionable que el que ellos consumen. Esta propiedad impresionante, de que un reactor nuclear no tan solo genere electricidad sino que también produzca su propio com- Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 bustible de plutonio, debería ser suficiente para incrementar el interés por el uso de la energía nuclear. Es esta característica de los reactores nucleares regeneradores la que permite garantizar el abasto de combustible nuclear para satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad por varios miles de años. EL CASO MÉXICO En México el desarrollo industrial y el crecimiento de la población, están demandando cantidades de energía que aumentan a un ritmo muy acelerado. Las fuentes de energía apoyadas en combustibles fósiles no durarán por mucho tiempo y debe iniciarse un programa para la generación de energía con fuentes alternativas. De acuerdo con los especialistas,10 no es probable que dentro de los próximos cincuenta años se encuentre una fuente alternativa de energía que satisfaga la creciente demanda mundial. Quedará solo como la única, verdadera opción, la energía nuclear. Si no se recurre a ella, una de las consecuencias será el abatimiento en el nivel de vida de la población. La instalación de plantas núcleoeléctricas es una de las opciones reales para enfrentar el problema de escasez de energía en el futuro. No debemos descuidar, por lo tanto, la formación de recursos humanos en las áreas de física e ingeniería nuclear. Una parte de los recursos que el sector energético destinará en los próximos años del sexenio debe invertirse en formación de recursos humanos en las áreas de física nuclear, teórica y experimental, y en ingeniería nuclear. Paralelamente a la formación de recursos humanos en física nuclear, el gobierno debe iniciar una campaña de información hacia la población para crear una especie de cultura nuclear y generar confianza y aceptación de esta tecnología. Dado que las reservas de petróleo en México se calcula que durarán menos de cincuenta años, a la tasa actual de consumo, deberemos estar utilizando otras fuentes de energía a gran escala dentro de un periodo menor a los 20 años, a lo sumo, si queremos mantener los niveles de produc- 11 �La energía nuclear, una solución al problema de los energéticos ción y de vida actuales. En otro orden de ideas, el uso del petróleo como combustible constituye realmente un enorme desperdicio de un recurso no renovable que tiene un elevado valor como materia prima en la petroquímica. Si agotamos los hidrocarburos, no solo tendremos problemas con la escasez de fuentes de energía sino que toda la industria de los plásticos y fibras sintéticas se acabará. Esto significa que no se dispondrá de la materia prima para fabricar aviones, automóviles, computadoras, aparatos electrodomésticos, productos textiles, y una cantidad enorme de artículos de uso cotidiano. En realidad las consecuencias serían desastrosas. Es un hecho conocido que el consumo de energía per cápita de un país está relacionado directamente con la calidad de vida de la población y que a mayor consumo, más elevados son los estándares de bienestar y comodidad de sus habitantes. Es realmente un grave riesgo que grupos politizados se opongan al desarrollo y progreso de la humanidad presentando argumentos simplistas y tendenciosos para descartar el uso de la energía nuclear en la generación de electricidad. Debemos crear una conciencia tecnológica en la sociedad, que esté fundamentada en una educación científica para hacer frente a manipuladores políticos que quieren desorientar y sembrar el terror en la sociedad para conseguir objetivos personales. La ciencia y la tecnología son de las creaciones más grandiosas del ser humano, le han permitido elevar su promedio de vida en más de 25 años en el siglo XX y han mejorado notablemente las condiciones de vida. La electrificación en el mundo ha llevado el progreso a todas partes y aun cuando todavía hay mucho por ha- 12 cer, no cerremos los ojos y neguemos los avances que ha tenido la humanidad. Si los energéticos empiezan a escasear o se sigue contaminando al planeta como se ha hecho hasta ahora, la humanidad sufrirá un grave retroceso o causará desastres ambientales de grandes proporciones. REFERENCIAS 1. Aboites, Vicente, Fusión Nuclear por Medio del Láser, FCE, (1993). 2. Cohen, Bernard L., La Energía Nuclear, Siglo XXI editores, (1993). 3. Britannica Encyclopedia 2001, Deluxe Edition 4. Comisión Nacional de Energía Atómica, República Argentina http://cab.cnea.gov.ar/difusion/ Rey.htm. 5. Rubbia, Carlo, El Dilema Nuclear, Grijalbo (1987). 6. 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The tests were conducted at 1200°C and it was confirmed that temperature measurements were reliable in order to accept that processes conducted both conventionally and under a microwave field were at the same temperature. Tests at 2000°C were also carried out for calculating the activation energy and give kinetic parameters. The results showed that there are differences in the reaction rates between the processes, yet they are far from the commonly reported increments. Palabras clave: Catalytic, effects, spinel, kinetic, microwave. INTRODUCCIÓN Desde hace algunos años se han reportado «efectos catalíticos» de las microondas durante el procesado de materiales utilizando este método como medio para suministrar energía. Existen muchos reportes que muestran evidencia de mejora de materiales sinterizados, e incluso se menciona una reducción en 1,2 la temperatura de sinterización, incremento en la 3-8 rapidez de reacción y reducción de la energía de 1, 3-5 activación. Por ejemplo, para el caso de alúmina, los investigadores de Oak Ridge National Laboratory realizaron una serie de experimentos comparativos entre las 3 maneras de suministrar energía. Las energías de activación que ellos reportan son de 160 KJmol-1 para el caso del sinterizado mediante microondas y 575 KJmol-1 para el caso convencional. Por otra parte para el crecimiento de cristales reportan 480 KJmol-1 y 590 KJ mol-1 para los casos de microondas y convencional respectivamente. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 El conjunto que se observa en esta imagen consiste en un crisol rodeado de material aislante que se encuentra dentro de un horno de microondas. La parte más brillante, localizada al centro, corresponde a la parte del crisol que alcanzó más de 1200ºC. 8 En otro ejemplo, Boch sugiere que las microondas reducen la temperatura de procesamiento de la mulita y del titanato de aluminio en hasta 100°C comparado con el proceso convencional. En la FIME se han desarrollado diversos trabajos relacionados con la obtención de espinel MgAl2O4 9 mediante microondas y se desea conocer si en este caso las microondas además de proporcionar la energía al proceso también tiene la capacidad de favorecer la reacción. Dado lo anterior, el objetivo de este trabajo fue evaluar si las microondas tienen «efecto catalítico» en la formación de espinel MgAl2O4 a partir de MgO y Al2O3, tratando de igualar las condiciones de temperatura entre los procesos convencional y por microondas para llevar a cabo una comparación realista. * Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales FIME-UANL. 13 �Efecto catalítico de las microondas en la producción de MgAl204 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Mezclas equimolares de MgO y Al2O3 (20 gr) fueron colocadas en un crisol de alúmina para llevar a cabo la siguiente reacción a 1200°C: MgO + Al2O3 → MgAl2O4 Se realizaron dos tipos de prueba, la primera de ellas consistió en calentamiento convencional en un horno de resistencia eléctrica, la temperatura fue tomada directamente con un termopar tipo K insertado dentro de la mezcla. En este caso el crisol se colocó simplemente dentro del horno a una temperatura predeterminada. En el segundo tipo, la mezcla se calentó dentro de una cavidad multimodo con microondas a 2.45GHz y una potencia nominal de 800Watts. Aquí también se utilizó un termopar de la misma clase siguiendo las9 recomendaciones surgidas de la experiencia previa. Una diferencia entre los dos tipos de pruebas, además de la obvia, es que en el caso de las microondas se utilizó un lecho de grafito como auxiliar térmico para llevar los reactivos desde la temperatura ambiente hasta 500°C, que es la temperatura a la que son capa10 ces de absorber energía. entre el suministro de energía y las pérdidas del propio sistema crisol-mezcla. El tiempo de exposición fue variado con la finalidad de poder construir curvas cinéticas. Se tomó una porción del material obtenido de una zona localizada dentro de un centímetro alrededor del termopar y se caracterizaron mediante difracción de rayos X. Se llevó a cabo una calibración cuidadosa de manera que se pudo determinar la cantidad de espinel presente. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Confiabilidad de los termopares La figura 1 muestra el registro de temperatura de las pruebas, ya que es necesario para llevar a cabo una comparación realista entre los métodos de calentamiento. Una manera de estar seguros de las mediciones de temperatura cuando se utilizan microondas es observando las curvas de calentamiento en los momentos en los que el control de temperatura enciende o apaga. En el recuadro de la figura 1 se aprecia la conti- También para este caso el crisol estaba aislado con fibra cerámica para disminuir las pérdidas de calor y propiciar la uniformidad térmica dentro de la mezcla. El control de temperatura se llevó a cabo mediante un sistema de encendido/apagado que se retroalimentaba de la señal del termopar. Dado el tipo de control utilizado y la complejidad con la que el sistema responde a las microondas, se hicieron coincidir, al menos en el intervalo de temperatura en que las reacciones pueden tener lugar, (arriba de 600°C), las temperaturas de las pruebas convencionales y mediante microondas. Adicionalmente se llevaron a cabo pruebas con microondas que alcanzaron los 2000°C, en este caso la temperatura se autocontroló debido al balance 14 Fig.1. Curvas de calentamiento mediante microondas y convencional en un horno de resistencias. Esta prueba de microondas duró 30 minutos a partir de que se llegó a la temperatura de 1200°C. El recuadro es una ampliación de la curva de calentamiento mediante microondas. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Juan A. Aguilar Garib, Zarel Valdez Nava nuidad (sin sobresaltos) que hay en la curva de calentamiento durante los ciclos de encendido y apagado del controlador. Este comportamiento pone en evidencia que el termopar es capaz de registrar la temperatura del medio en contacto con él. Dado que la alúmina no absorbe energía de manera significativa a temperaturas por debajo de los 600°C10, resulta difícil tener un control real por debajo de esta temperatura. La cinética de reacción Una vez que se ha confirmado que la medición de temperatura es confiable se procede a observar el aspecto cinético. Aceptando que el proceso es de naturaleza difusional11 y que sigue la expresión: R2 = 2kt (1) En donde R es la fracción molar de espinel MgAl2O4 formado, k es la constante de reacción y t es el tiempo. Entonces se puede graficar R2 contra el tiempo nominal de prueba, como lo muestran las figuras 2 y 3. Fig.3. Ampliación de la Figura 2 sobre las pruebas llevadas a cabo a 1200°C. Fracción molar de espinel formado al cuadrado contra tiempo. El valor de la pendiente representa 2k, en la Tabla I se presenta el valor de k y tal como se espera, la ordenada al origen no puede ser nula porque el tiempo de prueba se empieza a contar a partir del momento en que la mezcla alcanza los 1200°C y puede haberse presentado formación de espinel al llegar a este punto. Se puede observar que los valores de k son prácticamente los mismos para ambos procesos a 1200°C Tabla I. Constantes de reacción en las diferentes condiciones. Fig. 2. Resultados experimentales y regresiones parabólicas para las diferentes pruebas. Fracción molar de espinel formado al cuadrado contra tiempo. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Prueba K(seg-1) Ordenada Convencional (1200ºC) 4.0763 x 10-6 0.00640114 Microondas (1200ºC) 4.41935 x 10-6 0.01198263 Microondas (2000ºC) 1.23855 x 10-4 0 15 �Efecto catalítico de las microondas en la producción de MgAl204 lo cual sugiere que las microondas no tienen influencia en el proceso, a reserva de la ordenada al origen, que puede estar relacionada con el hecho de que la mezcla calentada con microondas permaneció a mayor temperatura que el caso convencional antes de haber alcanzado el punto en que se empataran las curvas, tal como se mostró en la figura 1. De cualquier manera la diferencia se encuentra muy alejada de los incrementos en la rapidez de reacción de por lo menos tres veces que comúnmente se reportan. espinel que se tendría a 600°C en 20 horas es de 0.03, lo cual es inferior al límite de detección práctica de la técnica de difracción de rayos X y por lo tanto está de acuerdo con el caso en el que no se observó formación de espinel en ese tiempo. No se esperaba que se presentara alguna diferencia que se pudiera atribuir a las historias térmicas por debajo de los 600°C, ya que se habían realizado pruebas a esta temperatura por 20 horas sin detectar formación de espinel. De hecho, al analizar los resultados en los que se estimó la energía de activación del proceso se corroboró la validez de esta consideración. La figura 4 muestra este cálculo, el tiempo cero está dado al inicio de la prueba y el aspecto interesante es que los valores de k calculados a partir de las pruebas mediante microondas permiten seguir perfectamente la reacción que se llevó a cabo de modo convencional a 1200°C (curva 1). Con los valores encontrados se construye una curva de grado de reacción formación del espinel contra tiempo que incluye la reacción que pudo ocurrir antes de llegar a la temperatura de 1200°C considerando toda la historia térmica. En la tabla I se observa además la k de reacción para el caso de procesamiento mediante microondas a 2000°C. La prueba se llevó a cabo sin control de temperatura y la rapidez de calentamiento fue de tres a cuatro veces mayor, por lo que el tiempo de prueba tiene mejor correspondencia. Esto se aprecia en el hecho de que de modo natural la regresión va al origen. La temperatura se estimó basándose en que la muestra exhibió fusión incipiente, lo que demuestra que en esos lugares la temperatura fue de al menos 2135°C, que corresponde al punto de fusión de este espinel. Con esta prueba ya es posible calcular k como función de la temperatura siguiendo la expresión de Arrhenius: k=Ae-Q/RT (2) En donde T es la temperatura absoluta y utilizando los valores de k para las pruebas de microondas en la tabla I, el valor de Q/R es: -13949.64006 mientras que el de A es 0.0573092144 seg-1. Estos valores permiten decir que la fracción de 16 Fig.4. Gráfica de fracción molar de espinel formado al cuadrado contra tiempo de prueba. La curva 1 corresponde al cálculo del grado de reacción considerando toda la historia térmica y los valores de A y Q/R estimados en este trabajo. La curva 2 corresponde al mismo cálculo pero suponiendo que existe un sobre-calentamiento del 6.4%. Los círculos son las pruebas con microondas y los triángulos son las pruebas convencionales. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Juan A. Aguilar Garib, Zarel Valdez Nava Esta figura es muy interesante porque a pesar de la sugerencia de que las microondas no favorecen la cinética de reacción, en esta gráfica se observa que los puntos obtenidos mediante microondas y sin considerar la gran dispersión de los datos, se encuentran arriba de los convencionales. Esto puede hacer pensar que se debió haber forzado la regresión al origen (y de paso forzando a que las cinéticas sean diferentes), esto obligaría a tener constantes de reacción diferentes, a saber 6.5095 x 10-6 seg-1 para el caso convencional y 8.7025 x 10-6 seg-1 para el caso de las microondas. Lo cual resuelve el asunto del que se ha llamado la atención en la figura 4. Sin embargo, al hacer esto no se está aceptando que al iniciar la prueba ya hay una fracción de la mezcla reaccionada, de manera que la curva de reacción obtenida no satisface ninguna de las pruebas en ninguna de las condiciones, por lo que se puede asegurar que ésta no es la respuesta. el pirómetro óptico solo puede dar lecturas sobre lo que puede ver, el termopar solo lo puede hacer sobre lo que esté tocando directamente. Se debe considerar además que el espinel es un buen absorbedor de microondas y que mejora considerablemente 12 esta capacidad cuando se le calienta a más de 500°C. Debido a la cantidad de variables involucradas en el calentamiento mediante microondas, tales como el acomodo de los polvos, ubicación relativa del termopar, al patrón de formación del espinel y las diferentes cantidades presentes de éste en cada prueba, se tiene un proceso complejo en el que no se puede predecir el perfil térmico como se hace en el método convencional por simple transferencia de calor siguiendo la ley de Fourier. Sin embargo, si las microondas tuvieran un «efecto catalítico» para este caso sería mucho más evidente y todas estas condiciones no impedirían que se manifestara sin lugar a dudas. Dado que los puntos con microondas siguen invitando a pensar que éstas en efecto favorecen la cinética y se sabe que el proceso en cuestión es térmicamente activado se decidió suponer que aunque el termopar es confiable era posible que hubiera un gran gradiente térmico dentro de la muestra que hiciera que la zona analizada hubiera estado sobre-calentada, se hizo un análisis y se encontró que un sobre-calentamiento del 6.4% era capaz de desplazar la cinética calculada hasta la curva 2 en la figura 4. Lo que es importante aquí es que tanto la curva 1 como la curva 2 están construidas con las mismas constantes (Q/R=-13949.64006 y A=0.0573092144 seg-1) la única diferencia es que para la curva 2 se da un sobre-calentamiento de 95 K (95°C) cuando se ha llegado a los 1473 K (1200°C). El 6.4% fue utilizado a lo largo de la evolución térmica de las pruebas mediante microondas. CONCLUSIÓN Entonces es posible que cuando se dice que las microondas tienen «efectos catalíticos» en realidad estén involucrados factores térmicos. Esta situación no desacredita la actuación de los termopares, así como Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Considerando el objetivo de este trabajo que busca evaluar el posible “efecto catalítico” que pudieran tener las microondas en la reacción para obtención de espinel MgAl2O4 a partir de MgO y Al2O3, se encuentra que suministrar la energía convencionalmente o por microondas es esencialmente lo mismo y que las variaciones que se observan no son de la magnitud que se reportan y pueden ser explicadas fácilmente a través de la consideración de aspectos térmicos. El único argumento que puede justificar un cambio de la energía de activación es un cambio del mecanismo gobernante del proceso. Tal cambio no es evidente en las condiciones en las que se desarrolló este trabajo. Se pone nuevamente en evidencia la importancia crucial que tiene el conocimiento de la temperatura o la consideración de la variación de ésta cuando se hacen análisis cinéticos. Lo que si resultó claro es que el calentamiento mediante microondas permite sobrepasar los límites que la conducción dada por la ley de Fourier impone. 17 �Efecto catalítico de las microondas en la producción MgAl204 REFERENCIAS 1. M. Janney, H. Kimrey, «Ceramic Powder Science II», American Ceramics Society, Westerville OH, 1988, p.919. 2. M. Janney, C. Calhoun, H. Kimrey; «Microwave Theory and Applications in Materials Processing», Ceramics Transactions 21, American Ceramics Society, Westerville OH, 1991, p.311. 3. M. Janney, H. Kimrey, «Microwave Processing of Materials II», Materials Research Society, Proceedings, Vol. 189, 1991, p.215. 4. M. Janney, H. Kimrey, M. Schmidt, O. Kiggans; Journal of the American Society, 74 (1991), 1675, p.215. 5. D. Lewis, «Microwave Processing of Materials III», Materials Research Society Proceedings, Vol. 269, 1992, p.21. 6. J. Katz, R. Blake, H. Kimrey; V. Kenkre; «Microwave Theory and Applications in Materials Proceedings», Ceramics Transactions 21, American Ceramics Society, Westerville OH, 1991, p. 95. 7. M. Willert-Porada, T. Krummel, B. Rohde, D. Moormann «Microwave Processing of Materials III», Materials Research Society Proceedings, Vol. 269, 1992, p. 199. 8. M. Boch, N. Lequeoux, P. Piluso «Microwave 18 Processing of Materials III», Materials Research Society Proceedings, Vol. 269, 1992, p. 211. 9. Z. Valdez, J. Aguilar «Influence of the Al2O3 in the production of spinel MgAl2O4 at 1200°C with microwaves», Proceedings of the 35th International Microwave Power Institute Meeting, Montreal, Canadá, 2000, p. 72. 10. J. Aguilar, J. Pearce; Aguilar «Study of the thermal behavior of materials exposed to microwaves achieving temperatures over 650°C», 33rd Inter. Microwave Power Institute Meeting, Chicago, IL, 1998, p. 47. 11. A. West; «Chemistry of solid state and applications», John Wiley, 1985, p. 5-17. 12. W. Wesphal: Tables of dielectric materials. Vol. IX, Laboratory of Insulation Research, MIT, Cambridge, MA, 1975. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y al Programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, por el financiamiento de este trabajo. También se desea reconocer el apoyo del Instituto Tecnológico de Saltillo a través del Dr. Miguel Ángel Cisneros Guerrero y el Dr. Eduardo Valdés Covarrubias. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Influencia del hierro en la morfología de cristales de espinela MgAl2O4 Oxana Vasilievna Kharissova*, Ubaldo Ortiz Méndez** Abstract EXPERIMENTACIÓN The nature of impurities has a complex influence on crystal morphology and thus it cannot be treated according to a single approach. In this work impurities of iron in sintered spinel were characterized by x-ray diffraction, Scanning Electron. Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) Se realizó una serie de experimentos en los que se utilizó un horno convencional. Una serie de mezclas con diferentes composiciones en el sistema MgOAl2O3-Fe2O3 fueron preparados a partir de los precursores MgO, Al2O3 y Fe2O3. Keywords: Spinel, crystal morphology, atomic force microscopy. INTRODUCCIÓN Las formas de crecimiento de los cristales son muy variadas. Es una consecuencia evidente del gran número de factores externos que influyen en las formas de crecimiento. Los factores más importantes son: • Impurezas. • Temperatura de cristalización. • Sobresaturación de soluciones o vapores. • Sobre-enfriamiento de fases fundidas. • Movimiento de solución o fase fundida cerca de la Las mezclas de 7g fueron calentadas por 15 horas a 1400°C en el horno convencional. Para determinar las fases presentes en las muestras se utilizó difracción de rayos-X. Para estudiar la estructura de la superficie de la espinela obtenida, de la cual depende la cinética superficial de cristalización (mecanismo de crecimiento), se utilizó microscopía electrónica de barrido (MEB) y microscopía de fuerza atómica (MFA). Las imágenes de MFA fueron hechas en el modo de contacto a temperatura y atmósfera ambiente usando diferentes tamaños de barrido, variando la frecuencia, ganancia y fuerza. superficie del cristal en crecimiento. El estudio de las formas de crecimiento de los cristales es muy importante para reconocer las condiciones de aparición de los mismos. Se acepta que las impurezas son, después de la estructura interna, el factor principal que determina la forma del cristal.1 La influencia del medio ambiente es otro factor importante en la forma del cristal2, así como en su uniformidad, y en la formación de la estructura de las superficies. En trabajos anteriores se ha mostrado como la presencia de hierro influye en la sinterización3 y el parámetro de la celda de la espinela.4 Pero es útil e interesante saber como el Fe influye en la morfología del crecimiento de la espinela. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Imagen de microscopía electrónica de barrido de cristales de espinela. * Facultad Ciencias Físico Matemáticas, UANL. E-mail: ovkharissova@yahoo.com oxanavkh@fcfm.uanl.mx **FIME-UANL. E-mail: uortiz@ccr.dsi.uanl.mx 19 �Influencia del hierro en la morfología de cristales de espinela MgAl204 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para estudiar la estructura de la superficie de la espinela obtenida, de la cual depende la cinética superficial de cristalización (mecanismo de crecimiento), se hizo uso de la microscopía electrónica de barrido (MEB) y la microscopía de fuerza atómica (MFA). Los estudios están de acuerdo con la teoría cuantitativa de las formas de equilibrio de los cristales del Gibbs y Wulf. Como se sabe, el cristal debe tener la forma que corresponde al mínimo de la suma de la energía superficial a volumen constante. Para la liberación de la energía superficial del cristal no es necesario en principio superar la barrera energética, para que en adelante el proceso pueda seguir solo utilizando Fe2O3. (a) Utilizando MFA y MEB se encontró una estructura celular (resultado del sobreenfriamento que se provoca por la acumulación de impurezas cerca de la superficie). Como se puede ver en la imagen obtenida por microscopía de fuerza atómica, figura 1, el cristal crece mediante pasos repetidos caracterizados por la energía de la unión del escalón ϕ que puede dividirse en tres partes, ϕ´, ϕ´´, ϕ´´´. Así, para un escalón de la superficie figura 2 ϕ = ϕ´ + ϕ´´ + ϕ´´´ (1) Las energías ϕ´ y ϕ´´ están en el plano que es perpendicular a la dirección del crecimiento. La energía ϕ´´´ tiene un ángulo de 90 o con respecto a la superficie dada. Cuando un solo ión empieza a acumularse en la superficie aparece una energía ϕ´´´. Cuando se forma una nueva serie de partículas, ubicada cerca de la serie ya terminada, se produce ϕ´´´ + ϕ´´. 20 Fig.1. Imagen de la MFA con 5%mol de hematita (a) y 15%mol (b). Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Oxana Vasilievna Kharissova, Ubaldo Ortiz Méndez son considerablemente más cortos que en el crecimiento del plano (100). Después de la reunión del primer átomo con la superficie de la capa atómica, ésta sigue creciendo hasta quedar completamente conformada. Los resultados mostraron que solamente los planos del cubo (100) tienen la superficie completamente lisa. Los planos del rombododecaedro (110) y octaedro (111) consisten en superficies con microescalones y pirámides trigonales, cuyos planos se representan por los planos del cubo. Fig. 2. Tres componentes de la energía del escalón. Para comprender cuales planos van a crecer en la espinela dada se calcularon las energías de la unión (Tabla I). Tabla I. Energía de unión calculadas para la espinela. energía plano ϕ1 ϕ2 ϕ3 ϕ´´´´ 100 1 4 4 ϕ´´´´ 110 2 5 2 ϕ´´´´ 111 3 3 4 En el proceso de crecimiento de la espinela los iones se añaden de preferencia en los vértices del cubo, luego en las aristas y solamente en casos excepcionales a la mitad del plano (100). Esto significa que el crecimiento de los planos del octaedro y rombododecaedro no se relaciona con la formación de los núcleos, a diferencia de los planos del cubo. Los planos del rombododecaedro crecen por la adición de capas. Los planos del octaedro crecen por la adición de iones separados. Las fuerzas de unión disminuyen al aumentar la distancia de separación entre los centros de los átomos. Si la distancia con respecto a los vecinos cercanos es r1, y con respecto a los vecinos más distintos es r2, y así sucesivamente, entonces α = ϕ2 / ϕ1 = r16 / r26 = 1/8 β = ϕ3 / ϕ1 = r36 / r26 = 1/27, (2) (3) donde α, β son las razones de las fuerzas de los enlaces. El trabajo total es, ϕ = (n1 + αn2 + βn3), (4) El inicio del crecimiento de la nueva capa de la espinela para los planos (100) y (110) es debido ϕ´´´. donde n1 es número de los vecinos más cercanos, n2 los segundos más cercanos y n3 los terceros. Ya que ϕ´´´ (100) = 1 / 4 / 4, y ϕ´´´( 110) =2 / 5 / 2, la reunión de los átomos en el plano (110) es más fácil que en el plano (100). Los descansos entre los períodos de crecimiento rápido tangencial al plano (110) Calculando para los planos de la espinela el trabajo para la separación de los átomos desde el plano del cristal por el método de Cossel se encuentra, que es más fuerte la unión en el plano (111) y más débil en el Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 21 �Influencia del hierro en la morfología de cristales de espinela MgAl204 plano (100). Utilizando el teorema del Wulf podemos calcular el trabajo para la separación a partir de la energía superficial. σhkl = ϕhkl / 2Fhkl , (5) donde ϕhkl - es el trabajo para la separación de una Utilizando microscopía de fuerza atómica y electrónica de barrido se midieron los tamaños de los granos (figura 3). Se puede observar en la figura que el tamaño de los granos se incrementa al aumentar la cantidad de hematita en la muestra. partícula o una serie de partículas, Fhkl en nuestro caso es el parámetro de la celda elemental. Si los condiciones son que ϕ1> 0; ϕ2,ϕ3 = 0, obtenemos que, σ100= 1/2 . ϕ1/ a2 σ110= 2/ 2 √2 . ϕ1/ a2 σ111 = 3/ 2 √3 . ϕ1/ a2 σ100 : σ110 : σ111 = 1 : √2 : √3 h100 : h110 : h111 = 1 : √2 : √3 Por lo que la forma de equilibrio va a ser el cubo. Los planos del rombo dodecaedro solamente tocan la arista del cubo, los planos del octaedro tocan sus vértices. Si las condiciones son que ϕ1> 0; ϕ2>0,ϕ3 = 0, obtenemos ϕ100 = (1+4α)ϕ1 = 3/4 ϕ1 ϕ110 = (2+ 5α)ϕ1 = 21/8 ϕ1 ϕ111= (3+3α)ϕ1 = 27/8 ϕ1 σ100= 3/4 . ϕ1/ a2 σ110= 21√2 /32 . ϕ1/ a2 σ111 = 9 √3/ 16 . ϕ1/ a2 σ100 : σ110 : σ111 = 1 : 7√2 /8 : 9√3/16 h100 : h110 : h111 = 1 : 7√2 /8 : 9√3/16 Entonces, la forma de equilibrio de la espinela sin hierro en las condiciones dadas es el cubo con el rombo dodecaedro que corta las aristas del cubo en la distancia 7/8 y el octaedro que corta los vértices del cubo en la distancia 9/16 desde el centro del cristal. 22 Fig. 3. Los tamaños y forma de los granos en las muestras con: (a) 5% mol; (b) 10%mol de hematita. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Oxana Vasilievna Kharissova, Ubaldo Ortiz Méndez Observando mediante MFA las superficies de las espinelas obtenidas con 5%mol, 10 %mol, 15 %mol y 20 %mol de Fe2O3 se encontró que con 5% y hasta 10%mol de Fe2O3 la mayoría de los planos son como los de la imagen de la figura 1(a). Al aumentar la cantidad de Fe2O3 la forma de los planos cambia como se puede observar en la figura 1(b). Como se explicó antes, los planos que tienen facilidad de crecimiento son los (111) y (110). El plano (110) en su superficie tiene los cationes que están en los sitios octaédricos y el plano (111) en su superficie tiene los cationes que están en sitios tetraédricos y en los sitios octaédricos. Por la cual podemos decir que el hierro ocupa ambos sitios. El análisis de la superficie mediante espectroscopía de rayos-X en dispersión de energía en las fronteras de granos arrojó una concentración mayor de hierro (Tabla II) que varía según el tipo de plano (Tabla III). Esto explica por que el crecimiento de los planos en su período de formación no es el mismo porque las condiciones externas cambian. En realidad se ve que la frontera entre los planos en la muestra con 10%mol de Fe2O3 es ondulada como se muestra la figura 1.(a). Existen dos tipos diferentes de ondulación de la frontera (figura4). En nuestro caso tenemos la situación que se muestra en la figura 4(a). Tabla II. Análisis de los cristales Mg(Al,Fe)2O4 sinterizados en un horno convencional. Mg%Atómico Fe% atómico 5 6.78 5.96 5.75 5.66 2.27 2.64 2.87 3.79 10 6.73 5.34 6.19 6.27 2.48 2.60 4.11 4.55 15 4.94 4.42 4.43 4.55 9.09 11.85 13.01 15.69 20 4.14 4.63 4.90 4.47 9.08 15.93 17.13 22.12 Fe2O3%mol Tabla III. Análisis de los planos de los cristales Mg(Al,Fe)2O4 sinterizados en un horno convencional con 20%mol de hematita. % Atómi co del Fe en el plano (110) % Atómi co del Fe en el plano (111) 22.54 34.14 25.09 36.27 22.36 35.73 Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Fig.4. (a) Estructura del cristal con el crecimiento frenándose constantemente en el plano b y absorbiendo intensivamente las impurezas; (b) estructura del cristal con el crecimiento acelerándose constantemente en el plano b, absorbiendo las impurezas. Esto puede tener lugar debido a causas geométricas. Por ejemplo, veamos dos planos cercanos: AB y BC (figura 5) después de un tiempo los planos van a estar en una posición A´O y OC´. Cerca de los puntos B´ y C´ se agrupan todas las impurezas de hierro que están en los intervalos CC´ y BB´. Cerca del punto D´ hay menos impurezas de hierro que están en los intervalos CC´ y BB´. Cerca del punto D´ hay menos impurezas, ya que DD´< BB´. De esta manera, en las zonas que están más cerca de la arista la concentración de hierro es menor que en el plano. 23 �Influencia del hierro en la morfología de cristales de espinela MgAl204 Debido a la simetría de extracción del calor, donde el calor se transmite en la dirección perpendicular al frente de crecimiento, se lleva a cabo un desplazamiento de impurezas de su volumen interior a la periferia. La acumulación de impurezas de hierro cerca de la superficie de las fronteras lleva al sobreenfriamiento que, a su vez, contribuye a la formación de la estructura celular. Durante el crecimiento de los planos, el período de formación no es el mismo y las condiciones externas cambian. Fig. 5. Captura de impurezas al crecer el plano Fig. 1. Imagen de la MFA con 5%mol. de hematita (a) y 15%mol (b). Las impurezas influyen en la velocidad de crecimiento de los planos. El hierro ocupa los sitios tetraédricos y octaédricos e influye en la morfología del cristal durante su crecimiento. El intervalo OB´ tiene menos obstáculos para crecer y por lo tanto va a rebasar el plano. AGRADECIMIENTO Por otra parte, la distribución de las impurezas en los cristales también depende del gradiente de temperatura. En nuestro caso el calor sale del centro hacia el exterior, en direcciones perpendiculares a los frentes de crecimiento. Es por eso que las impurezas se desplazan del centro hacia la periferia. Eso explica también el alto contenido del hierro en las fronteras. Los autores agradecen al PAICYT (Universidad Autónoma de Nuevo León) por el apoyo económico recibido para la realización de este estudio. REFERENCIAS CONCLUSIONES 1. West Anthony R., Solid State Chemistry and its Applications, John Wiley & Sons,1984, p.12. La estructura de la superficie de la espinela se determina por los procesos de cristalización los cuales se caracterizan por una parte, por la naturaleza del fenómeno que tienen lugar en la cristalización (mecanismo del crecimiento), y por otra, por las peculiaridades del equipo (estabilización del régimen de calor). 2. Igor Levin, David Brandon, Metastable Alumina Polymorphs:Cristales and Transition Sequences, J.Am.Ceram.Soc., 1998, 81[8], p.1995-2012. 3. Kharissova O.V., Aguilar J.A., Ortiz U., Effect of Fe on Sintering of Al2O3-MgO-Fe2O3 Spinel , MRS Sym. Proc.,2000, vol.580, p.105 –110. La estructura de la superficie de la espinela es una estructura celular con escalones de crecimiento que indican el grado de desviación del equilibrio químico y termodinámico. 4. Ortiz U.,Aguilar J.,Kharissova O., Effect of iron over the magnesia-alumina spinel lattice, Advances in Technology of Materials and Materials Processing Journal, 2001, vol.2, no.2, p.107-116. 24 Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Business leadership and new structures of consciousness♦ Lorin Loverde* Abstract The proper scope of business includes a higher purpose for the corporate mission. Pursuing a beneficial transcendent purpose is becoming necessary to be competitive among world-class companies. New structures of consciousness can emerge in the new paradigm companies. Indirectly, these new structures of consciousness change what we expect and appreciate as we become more open and creative. Keywords: business ethics, spiritual evolution, organizational development, transformational leadership, structures of consciousness. Max Weber INTRODUCTION This article is written for business people who believe in Capitalism but who also assume that they do not have to make ethical choices about the structures of consciousness required by a successful business. A transcendent purpose was one of the foundations of early Capitalism. Now we need a new transcendent purpose through which business leaders will also have the opportunity to lead the social culture. The preferred performance option will support decentralized organizations that empower distributed leadership for creative and flexible response to dynamic markets. The key to this change is new structures of consciousness, which include personal identity and higher consciousness. It is the new structures of consciousness that will change what people appreciate and indirectly shape standards of art and beauty. Pursuing competitive advantage, we can benefit from such new structures of consciousness. ♦ Extracto del capítulo 9 del Vol. I libro «New planetary culture», en preparación. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 BUSINESS LEADERSHIP AND SPIRITUAL EVOLUTION In addition to John Clancy’s three basic purposes,1 a fourth, transcendent, purpose for business must be articulated and understood. Where does this strange purpose begin? We will look to Max Weber for an early insight into the idea that transcendent religious purpose can support the spanning of a profound contradiction that had blocked the emergence of capitalism as a system. Also in a previous article, I argued that the origin of this transcendent purpose was in the evolutionary developments of capitalism: capitalism in civilization (like the personality level in individual growth) is a mixed blessing. On one hand, positive capitalism pulls together the resources of the society for profit-making purposes and has thereby given the world vast increases in wealth, goods and services. On the other hand, negative capitalism can seek only profit rather narrowly to the detriment of ∗ Business Consultant, Director, Express English Language and Express Business, e-mails: lorinloverde@att.net.mx, and lorinloverde@hotmail.com 25 �Business leadership and new structures of consciousness the quality of life, ecological stability, and equitable distribution of wealth. In a word, capitalism also has a great potential for extreme selfishness on the planet. are three candidates for this higher purpose,3 higher needs of individuals, the common good, and the highest good. Transcendent Purpose Is spiritual evolution a relevant purpose of business? When business was conceptualized as being only an economic function, the business of business was business. Now, we recognize that business is inevitably also a psychological, social, cultural, environmental and moral function. Thereby, business organizations already have cultural impacts and shape the individuals in them. The only question now is what kind of cultural leadership will business exert and toward what purpose. This tacitly spiritual directionality already has been taken. The function of the NPC is to make those megatrends intelligible so transformational leaders can more readily support that transcendent purpose and benefit from it. So, capitalism as a system, (and each particular business leader who implements the system), has to pursue the larger purposes or risk the destructive side, such as ecological collapse, terrorism, or even political revolutions that will prevent it from functioning. Is setting a transcendent purpose for business an irrelevant concept? While business skeptics may reject such a transcendent motive out of hand, they would do well to study again the celebrated work of the sociologist, Max Weber. In his book The Protestant Ethic and the Spirit of Capitalism,2 Weber shows that early capitalism developed in Protestant settings: the religious underpinning was the spanning of a contradiction (gaining wealth but also saving it to have it available for capital reinvestment in business growth). The spanning of the contradiction was achieved by a transcendent purpose: we demonstrated on earth by our economic success that we were predestined to go to heaven after death; thus, our success was a sign of goodness, but we still had to avoid being extremely selfish with extravagant spending and conspicuous consumption so typical of non-Protestant cultures. For millennia societies struggled to establish greater wealth, but their “thisworldly” or material purposes simply did not have the same kind of power to span that vast contradiction of making money but not spending it on yourself. It took a transcendent purpose to achieve the combination of production of capital profit and preservation of capital for future investment. In addition to the three purposes of wealth generation, satisfaction of material needs, and enduring corporate institutions, we can refer the fourth and new transcendent purpose for business as the purpose to lead the culture in spiritual evolution. There 26 New Structures of Consciousness To change structures of consciousness requires (1) balancing the inclusive mode with the exclusive mode, (2) understanding the seven types of personal identity, and shifting the center of personal identity to a higher level.4 To go beyond is “trans” and embodiment is “form.” Thus, the word implies going beyond the form. Indeed, most of what we are is not physical, is not visible. Most of what we are is based on our structures of consciousness. 1. The basic structure of consciousness is the formation of self-centeredness by which the child gains selfawareness in addition to bodily sensation. 2. Then the child develops conscience and becomes capable of feeling guilt, eventually resulting in the moral structure to judge right and wrong. 3. Another structure of consciousness is the ability to use logic to identify independent variables and dependent variables outside of the self (active mind skills). 4. The advanced adult develops the personality Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Lorin Loverde structure of consciousness, which integrates the previous three: body, emotions, and mind, and the personality gains intense focus based on principles of exclusiveness: with strong self-esteem I hold to principles by which I reject what is not important to me and compete to gain what is important to me. 5. The more rare structures of consciousness are difficult but possible goals: strong transformation (i.e., irreversible transformations) by which the spiritual basis of the human being is recognized and developed through what Joel and Michelle Levey called quiet mind skills,5 where receptivity and inclusiveness become the new structures by which I expand what I am and cooperate to gain the common good. Alan T. Belasen As already argued by Michael Ray and others in relation to the new paradigm7 in business, these new interests of business gain benefit from these megatrends towards spiritual evolution: • People are better (innovative, adaptive, creative, trustworthy, dedicated, committed, etc.). • Customers are better (more intelligent, more Joel and Michelle Levey Then a cooperative climate can be sought. A leader must change his or her own personality first in order to be able to see what must be done even though it cannot be proved. Alan Belasen was right to point out how Jack Welch, head of General Electric, emphasized the need to fire effective managers who obtained results through the Theory-X style of aggression, but they did not fit the new culture of cooperation.6 The goal is better human beings, but they must be congruent with the companies’ needs. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 refined, able to appreciate more products and services–although these customers will also be less in need of unnecessary material. consumption and less tolerant of unsustainable growth impacts on the environment and on the society). The spiritually aware people will be less materialistic and less tolerant of inauthentic structures of consciousness. They will be less willing to support businesses that have high social costs of workaholic dedication, such as deterioration of the family, divorce, addiction, decadence, suicide, and similar social problems. Foundations of High Performance What is the “spiritual evolution” that is the purpose of business? First, people have to begin to view the common good in terms of the planet as a whole. Only 27 �Business leadership and new structures of consciousness institutions: to provide worthwhile constructs that serve to expand consciousness. While that may not sound like the function of a business enterprise at first, innovative, adaptive, creative, trustworthy, and dedicated will also serve to expand consciousness. Ikujiro Nonaka went so far as to say many creative efforts probably will not work unless the people are personally committed,10 wich paradoxically is also a prerequisite for achieving transpersonal structures of consciousness. Wayne W. Dyer thus can evolution of humanity proceed. Evolution is considered in the advanced spiritual view to be the progressive improvement of the forms so they have more and more capacity to contain the highest spiritual energies. Spiritual growth, development, aspiration, and new structures of consciousness all mean some kind of expansion of the form which we call the human being. This kind of transformational leadership goes beyond just influencing the beliefs of followers to align with the leader’s own. It requires the leader’s own transformation, which as Wayne Dyer notes means going beyond the materialistic interpretation of the mind/body form8 and takes place in such ways that new structures of consciousness can gain access to and become better containers of higher spiritual energies. Traditional structures of consciousness include personal identity and ego development, while new structures of consciousness include integration of the unconscious, the collective unconscious and access to higher (transpersonal) consciousness.9 This spiritual evolution allows successive generations to be born with more capacities than previous generations. The role of business in this destiny is similar to that of other social-cultural 28 Conversely, expanding consciousness also serves to instill in people those same qualities that are beneficial to business and other organizations. In sum, value-added enterprises can benefit from these spiritual and psychological traits. They are generally higher-order traits, so over the first few centuries of business activities, managers tended to assume that workers were somewhat like machines: mere resources to apply to production. However, as the market became more complex, competitive, and rapidly changing, it became obvious that “workers” were not machines, that high performance meant everyone solving problems, and rapid change meant that people needed stronger integrity. If traditional, charismatic leadership and rigid centralism change into transformational and distributed leadership, then the psychological and spiritual integrity of each worker will became much more important. Laurence Prusak has recognized trust as one of the most important fundamental in organizational integrity and performance.11 Larry Reynolds has linked high trust to a strong demand for responsibility.12 The psychologies of self-actualization, transpersonal psychologies, and now advanced spiritual disclosures of the path of spiritual evolution with their new structures of consciousness are all becoming necessary to remain competitive13 because they result in the following characteristics: 1. Better workers, capable of total quality management. 2. Better managers, capable of distributing leadership Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Lorin Loverde throughout the organization. 3. Better leaders, capable of stepping forward with knowledge-based leadership with situational impact as needed for short-term projects and anticipation of emergent opportunities needed for long-term commitment. 4. Better team players, capable of overcoming tunnelvision and narrow self-interest. monarchies are overthrown, and religions wane. Most world leaders of previous eras made the mistake of trying to impose one principle to reshape the horizon of social reality.15 This attempt to move the world from one point is still a risk as business leaders influence world horizons, but the emphasis has shifted to constant improvement rather than one, eternal solution that is better left to religion. 5. More competitive companies, capable of responding to rapid changes in competition and market conditions. In the current era, for developed nations and newly emerging markets business employs the vast majority of the population, so most of people’s time, attention, sources and purposes of money are involved with business organizations. In our era, each person in the organization has to become like the first four characteristics, supported by new structures of consciousness that allow the characteristics to emerge from the inside. On the other hand, the old morality tried to impose obligations from the outside. Regarding the fifth characteristic, companies certainly have to become better to sustain competitive advantage and improve faster than their competitors. In the past that meant massive size, like the multinational corporations. Now it means worldclass competitiveness in present markets and the ability to anticipate new markets, as Claus Otto Scharmer stated: “The challenge is to develop the capacity for ‘precognition’, the ability to sense and actualize emerging potentials…before they become manifest in the marketplace.”14 The New Business Role Why are businesses taking on this role of cultural evolution now? Before, business was a minor aspect of society–in those eras the driving institutions were political, military, religious, and artistic. In past eras the regions expanded into empires through military conquest. Likewise, the political leaders in the form of despots or monarchs had such vast power that they could drive the society in the direction they desired. Also in the past, religious leaders could exert powerful influence because they could rely upon the faith people had in certain religious tenants. But empires collapse, Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 These purposes are most of people’s worldly satisfactions in the form of products, services, entertainment, leisure, tourism, and continued education that are either produced by or provided by business organizations. Business organizations have taken a leading role in research, so even the old distinction has been softened between pure research in the universities and applied research in companies. Individual companies have become corporate cultures. Corporations embody values that shape the members of that culture hour after hour, day after day, year after year, decade after decade. Finally, other social institutions are failing in the USA and leaving it to business organizations to take the social responsibility for a wider variety of functions, for example: • • • • • Supplementing for parents the daycare for children. Supplementing for parents and government the re-education for high school “graduates” who did not learn in school. Supplementing for social clubs and churches the provision of friendship and fellowship in company-based teams, clubs, and associations. Supplementing for religions the task of providing meaning in life and a basis for self-esteem. Supplementing for churches and charitable 29 �Business leadership and new structures of consciousness organizations the task of helping the community. Supplementing for government the responsibility for cleaning up pollution, maintaining social order, and promoting the state of international peace needed to allow business to be conducted in a normal fashion. Businesses have not taken on these externalities as a self-appointed task; most business people tried to avoid these as unwanted expenses. But businesses simply cannot function well if the children of their employees are in danger home alone, if the new employees cannot perform basic skills (like reading, writing, mathematics, and thinking), if employees are depressed from sitting home alone, if employees are alienated because their society ignores them, if the surrounding community is so dangerous and disruptive that people cannot get to work and company plants are at risk. A key question is how to link personal happiness to the value dimensions of work? We must recognize the social deficits of moneybased values in the ecology of the human species, such as dysfunctional families, many types of neurosis, and decadence. • Of course, businesses should take on the responsibility for curbing their own pollution, and soon they will have to take more responsibility for not exhausting environmental resources. However, businesses are also banding together to attack the larger problems of pollution and clean up in general since an uninhabitable planet will hardly make a good place to do business. In a word, many social institutions are failing in the advanced economies of developed countries like the USA. In many developing countries, they lack the material benefits but they still maintain the traditional values of family and community. Part of our world challenge is to reaffirm, on one hand, the foundations of humanity in the family with social cohesion while promoting, on the other hand, the prosperity that has typically come from specialization in advanced industrialization and an unfortunate breakdown of the family unit. We are already seeing 30 James O’Toole the beginnings of this bridging in the rising importance of teamwork, cooperation, trust and social capital. We cannot achieve business success at the price of family breakdown and personal dysfunction such as addition, decadence, aggressiveness, or suicide. As Patricia Laurent accurately summed up, we must also preserve the ecology of the human species.16 Business is an institution that is thriving and has the wealth and resources, has the time and attention of the people, so businesses are having to take over more and more social functions simply because in some countries there are not sufficient alternatives. James O’Toole has shown how the vanguard business leaders embrace this challenge to serve the common good: Says Levi’s Walter A. Hass, Jr.: ‘Business legitimacy is being questioned on two broad fronts–its conduct, structure, and attitude as an institution, and its performance as a supplier of goods and services to the public. In both areas…what the public hears and sees has created an atmosphere among them that can be described only as one of substantial and growing mistrust...Any American corporation–or American corporations collectively–can reach the end of the trail by failing to respond to the pressures of the Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Lorin Loverde sociopolitical world just as surely and just as fatally as by failing to respond to the pressures of the marketplace.’ ...In general, polls show that Americans feel corporations operate almost exclusively for the benefit of managers and stockholders. When asked who these corporations should serve, the vast majority of Americans say business should also operate for the benefit of customers, employees, and society as a whole.17 This is a view which leaders in world-class corporations recognize, as noted in the above quote about the need for a corporate raison d’être. Performance Options All of the business functions as well as the new social responsibilities of companies can be performed with at least two options as shown in Table I. All of the option-one items in the pairs described above are promoted by the new paradigm in business, what Belasen identified as leadership in the learning organization,18 and TQM; and they also serve the path of spiritual evolution.19 Belasen has also given us an extremely important insight into the balancing required since an organization sometimes requires flexibility and other times more control, equally sometimes it requires internal improvements and other times external market focus. All of Option Two, Minimum Ta b l e I . O p t i o n s f o r f u n c t i o n s a n d r e s p o n s i b i l i t i e s t o b e p e r f o r m e d i n b u s i n e s s Op tio n On e , H ig h P e rfo rma n c e O p t i o n Tw o , M i n i m u m P e r f o r m a n c e P r o m o t e t he hi g he r p u r p o s e o f s p i r i t ua l e vo l ut i o n Ig n o r e h i g h e r p u r p o s e s a n d c o n c e n t r a t e o n b us i ne s s g o a l s E nc o ur a g e a s e ns e o f D e m a nd t ha t e a c h m e r e l y " l o o k o ut f o r num b e r o ne " a nd s t r i ve f o r s e l f - i nt e r e s t i n c e nt r a l i ze d a ut ho r i t y s e r v i c e t o o t he r s E nha nc e c r e a t i v i t y t hr o ug h e d uc a t i o n a nd e m p o w e r m e nt i nd i vi d ua l l y a nd t he l e a r ni ng o r g a ni za t i o n c o l l e c t i ve l y Ig n o r e c r e a t i v i t y b y i m p o s i n g r u l e s , r e g ul a t i o ns , e nc r us t e d l a w s , t r a d i t i o ns , a nd r e s t r i c t i o ns In f u s e l i f e w i t h m e a n i n g t h r o u g h c h a l l e n g e s t o i m p r o v e , g r o w, a n d t r a n s f o r m C o nc e nt r a t e o n t he r o t e , r o ut i ne , a nd r e p e t i t i ve m e c ha ni c a l p r o c e d ur e s E m p o w e r p e o p l e t o c h a n g e a n d g r o w, p r o vi d i ng t he ne c e s s a r y p r e p a r a t i o n a nd s up p o r t , i nc l ud i ng a n e nvi r o nm e nt o f t r us t a nd r e s p o ns i b i l i t y C o ns t r a i n p e o p l e t o c o nt i nue t o p e r f o r m t he s a m e t a s k s e ve n i f t he y b e c o m e c r ys t a l l i ze d i n r o ut i ne , p r e d i c t a b l e , f unc t i o na r y w o r k P r o m o t e t e a m w o r k a nd c o o p e r a t i o n t hr o ug h ho r i zo nt a l i nt e g r a t i o n Is o l a t e p e o p l e i n s p e c i a l i z e d a n d v e r t i c a l l y s e g m e nt e d f unc t i o ns a nd d e p a r t m e nt s E xp a nd i nf o r m a t i o n, d i s t r i b ut i ng i t t hr o ug h b e t t e r k no w l e d g e m a na g e m e nt s ys t e m s a nd c o m m uni c a t i ng w i t h a u t h e n t i c d i a l o g u e , i nc r e a s i ng t he b a s i s f o r t r us t a nd o p e n e xc ha ng e H i d e i nf o r m a t i o n, r e d uc e c o m m uni c a t i o n t o a ne e d - t o - k no w b a s i s , l e a vi ng p e o p l e i s o l a t e d , d e c r e a s i ng t he b a s i s f o r t r us t b ut p r e ve nt i ng p e o p l e f r o m e xp l o i t i ng a ny c o m p a ny s e c r e t s C o nt r i b ut e p h i l a n t h r o p i c a l l y w i t h ti me , m o n e y, a n d e x p e r t i s e t o t h e c o m m o n g o o d f o r a s us t a i na b l e e nvi r o nm e nt a nd ha r m o ni o us p l a ne t a r y c o m m uni t y R e t a i n p r o f i t s f o r s e l f - i nt e r e s t e d p ur p o s e s o r na r r o w l y c o nc e i ve d p r o f i t m a k i ng , s uc h a s o nl y s ha r e ho l d e r i nt e r e s t s S t r e n g t h e n i n t e g r i t y a n d q u a l i t y, l i s t e n t o c r i t i c i s m , us e f a i r p r o c e s s e s t o i nvo l ve a l l c o nc e r ne d i n t o ug h d e c i s i o ns S t r e ng t he n m a s s a nd e c o no m i e s o f s c a l e , vi e w q ua l i t y a s a d i f f i c ul t e xp e ns e , l o o k f o r s ho r t c ut s , s up p r e s s c r i t i c i s m , m a k e t he t o ug h d e c i s i o ns a nd i m p o s e t he m Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 31 �Business leadership and new structures of consciousness Performance, retard spiritual evolution even though they may temporarily promote individual welfare and impose organizational control. Option One, High Performance, can serve the common good, but an exclusive emphasis on economic growth in Option One might doom humanity to destruction of society, destruction of the life-sustaining environment, and destruction of the human spirit. expansion of the Performance Option One will not depend upon romantic altruism but on the competitive advantage gained in world markets. There already exists a basis in current (vanguard) practices for business to promote their competitive advantage and in that process also promote ecological security20 and spiritual evolution. But it is at a crossroads and capitalism as a system could, by the choices made by its business leaders, pursue either option. CAPITALISM AT THE CROSSROADS Gradually, business leaders will learn new and better ways to articulate this fourth purpose of the company. The idea of serving spiritual evolution is indeed too large, too abstract a concept for most of the people in society to understand as an idea. Capitalism as a system is at a crossroads. In the past, it did give great solace to the forces of extreme selfishness on the planet by emphasizing the options of unrestrained growth and has as a result brought us today to a world crisis with high risks and much misery along with its not-too-well distributed material benefits. Capitalism as a system (and business enterprises functioning in it) has not yet by the 21st Century changed to pursue the Option One in mass. The vast majority of the enterprises still pursue the Minimum Performance Option Two, and humanity on a planetary scale suffers the consequences of businesses remaining selfish, centralized, and irresponsible. The vanguard business people are recognizing that the old order has too many risks in itself, especially risks of ecological collapse and/or world revolution, terrorism or paranoia about the dark side of globalization that can reject and attack the worst aspects of the capitalist system. Therefore, the vanguard business people are searching for ways to support necessary personal growth, the common good, and spiritual evolution. The Vanguard Performance Option One is already being pursued by an important number of businesses. These are vanguard enterprises that lead the way to a very different kind of capitalism–if they become the new standard. Again, a major reason for the future 32 Embodiment of Purpose Everyone can understand the specific positive options which businesses can take by using the new paradigm. Instead of wrestling with abstractions, these kinds of concrete actions promote a tangible and attractive version of the more abstract idea of spiritual evolution. Religion can be a powerful vehicle for transcedent purposes as long as it does not become fanatical or a cult-like denial of free will. Here is what I call the opportunity for another era: the Catholic spirit and the ethics of Capitalism. A local exemplar in Monterrey, Mexico, is Juan Guadalupe Marcos Giacoman, founder of Lambi, S.A. de C.V. An international example with an Eastern approach is Konosuke Matsushita, founder of21 the world-wide company Matsushita Electric, Ltd. In this fashion, spiritual aspirants in businesses can seize the moral high ground and offer a transcendent purpose to people in very concrete ways: through enhancement of creativity, innovation, personal growth, learning, flexibility, cooperation, trust, and the many other qualities developed in the new paradigm for business. Business does not lead culture directly by imposing a functional style or a marketplace standard of value; business will lead culture indirectly by supporting the new structures of consciousness. Art and beauty will Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Lorin Loverde obtained off the planet (e.g., asteroid mining, etc.), off-planet cities (e.g., space stations and other planets), as well as new technologies to optimize other materials (e.g., nanotechnology and materials research). Konosuke Matushita. change when the people of the culture appreciate spiritual growth. This will help the appreciation and support for the arts, which is needed as Gabriel Zaid pointed out: on one hand it is not fair for society to expect the artists to support their work only through personal sacrifice, but on the other hand the current marketplace is too tied to tradition to be able to appreciate leading-edge art.22 New structures of consciousness will value and purchase new types of art. Moral Choice The new paradigm for business supports a global consciousness. Part of the question is whether these global companies give people an illusion of an achievable standard of living that the planet cannot support if extended outside highly developed countries to the rest of the world. Surely, sustainability will not allow all nations to have the same standard of living as the USA if we are limited to the resources of the planet. There are too many people. Thus, responsible growth includes alternative technologies (with alternative sources of energy), material resources Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 If all of these alternatives fail, the direction of spiritual evolution has to be prepared to make the moral choice of reducing consumption by the privileged few in order to share with the underprivileged many. On the basis of materialism and self-interest, this option seems impossible; however, the key to the NPC is that our directionality is away from mere self-interest towards the common good. If we do not even believe in the possibility of spiritual evolution, then individual paranoia can overcome the progressive desire to serve human welfare and reassert the regressive desire that each of us falls back to “looking out for number one,” drawing us back to the triumph of the terrorist, the devotion of the fanatic, the will of the despot and the war of all against all. Businesses will improve their operations by promoting spiritual evolution and will gain competitive advantage because spiritual evolution also supports decentralized organizations that empower distributed leadership for flexible response to dynamic markets. In the process of improving their operations, business leaders can also find more creative options to lead us towards the common good, support new structures of consciousness and go even further to envision the highest good. In sum, my thesis is that strong transformations of structures of consciousness will benefit future worldclass competitiveness. Inherent in this level of competition is a strong orientation to the good. REFERENCES 1. Loverde, Lorin, «Business Leadership and Higher Purpose,» Ingenierias: Revista de Divulgación de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, México , Vol. 5, No. 14 . 33 �Business leadership and new structures of consciousness 2. Weber, Max, The Protestant Ethic and the Sprit of Capitalism, Charles Scribner’s Sons, New York: 1958. 12. Reynolds, Larry, The Trust Effect: Creating the High Trust High Performance Organization, Nicholas Brealey Publishing, London: 1997. 3. Op. cit., Loverde, Ingenierias, Vol. V, No. 14. 13. Op. cit., Loverde, Lorin, “Psychological and Moral Foundations” Ingenierias, Vol III, No 7. of Organizational Development,” Ingenierias, UANL, Vol. III, No. 7, April, 2000 (http://www.uanl.mx/ publicaciones/ingenierias) 4. Loverde, , Lorin, “Psychological and Moral Foundations of Organizational Development,” Ingenierías, UANL, Vol. III, No. 7, April, 2000 (http://www.uanl.mx/publicaciones/ingenierias) 5. Levey, Joel and Michelle Levey, “Wisdom at Work: An Inquiry Into the Diumensions of Higher Order Learning,” in The Learning Organization: Developing Cultures for Tomorrow’s Workplace, edited by Chawla, S., and Renesch, Jorh, Productivity Press: Portland, Oregon, 1995. 6. Belasen, Alan T., Leading the Learning Organization, Communication and Competencies for Managing Change, State University of New York Press, Albany: 2000, p. 405. 7. Ray, Michael and Alan Rinzler, eds, The New Paradigm in Business: Emerging Strategies for Leaders and Organizational Change, Jeremy P. Tarcher Books, Putnam Publishing Group, New York: 1993. 8. Dyer, Wayne W., You’ll See it When You Believe It, William Marrow and Company, Inc., New York: 1989. 9. Op. cit., Loverde, Ingenierias, Vol. III, No. 7 10. Nonaka, Ikujiro, “The Knowledge Creating Company,” Harvard Business Review, Nov-Dec 1991. 11. Prusak, Laurence, and Don Cohen, “How To Invest in Social Capital,” Harvard Business Review, June, 2001. Note, I have found Mexican companies have well developed social capital, implying that developed nations have gone too far with the “scientific management” of Theory X that preferred control over relationships. We need the head and the heart. 34 14. Scharmer, Claus Otto, “Self-transcending Knowledge: Sensing and Organizing Around Emergent Opportunities,” Journal of Knowledge Management, Vol. 5, No. 2 (www.emerald-library.com) 15. Loverde, Lorin, “Western Civilization on Trial,” Main Currents in Modern Thought, 29:2, December, 1972, reprint of presentation to the American Association for the Advancement of Science. 16. Laurent Kullick, Patricia, “La separación familiar,” El Norte, 1 Feb 2001, p. 7A. (www.elnorte.com) 17. O’Toole, James, Vanguard Management: Redesigning the Corporate Future, Double Day & Co., Garden City, NY: 1985, p. 340-341. 18. Op. cit, Belasen, p. 34ff. 19. Op. cit., Loverde, Ingenierias, Vol. 3, No. 7 20. Zey, Michael G., Seizing the Future: How the Coming Revolution in Science, Technology, and Industry Will Expand the Frontiers of Human Potential and Reshape the Planet, Simon & Schuster, New York: 1994. 21. Matushita, Konosuke, Not for bread Alone: A Business Ethos, a Management Ethic, PHP Institute, Inc., Kyoto, Tokyo, Japan: 1984 22. Zaid, Gabriel, “Dinero Para La Cultura,” Letras Libres, Jan 2002, No. 37, p. 12 (www.letraslibres.com) Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Algunas reflexiones sobre el profesor de ciencias a nivel superior Manuel Rojas Garcidueñas* Presenciamos profundos cambios en las universidades. No hay qué temer; los hubo en el racionalismo del siglo XVIII y en el XIX por la Revolución Industrial. Pero el concepto básico debe sostenerse: la universidad fue creada para la preservación y el avance del conocimiento. Si se cree en el valor de la ciencia para el bienestar de la humanidad, no habrá duda de la importancia de preservar la universidad, cuya figura central es el profesor. Es imposible discutir la problemática del profesor en pocas páginas, pero no será ocioso hacer algunas reflexiones al respecto. “La universidad es lo que sus profesores son”, es frase a menudo interpretada como “la universidad es tan buena o mala según lo sean sus profesores”; cierto, pero tan obvio que no valdría la pena decirlo. El significado oculto es que los propósitos de la institución se identifican con los de sus miembros en procurar la preservación y el avance del conocimiento. A diferencia de una empresa, donde cada empleado tiene motivaciones personales y la institución debe de alguna manera, encausarlos o aun constreñirlos. De aquí nace la libertad académica bien entendida, pues nadie sabrá mejor que el profesor cómo graduar la importancia de los tópicos en sus cursos, qué metodología es la más apropiada en cada caso, hacia donde orientar sus investigaciones. Él es quien más se preocupará por cumplir los fines institucionales de preservar y avanzar el saber. Tampoco está sujeto al secreto industrial: comunica sus logros en congresos y revistas y expresa sus juicios de manera libre. Tendrá deberes: cumplimiento de programas, exámenes, reportes, pero ello estará acorde con su propósito personal. No hay institución que brinde una libertad comparable a la académica pues es función de la universidad “crear una atmósfera donde los estudiantes descubran sus intereses” (Commoner 1). Bien dice Farson2 que la pregunta ¿Funciona bien? ¿Es útil? no se hace ♦ Publicado en la revista Ciencia UANL, Vol. V. No. 1, Enero-Marzo 2002. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 acerca de cosas realmente importantes como “un noviazgo, una sinfonía o una educación universitaria”, sino de cosas no muy importantes como “productos o programas de entrenamiento”. Actualmente parece haber confusión en el propósito del posgrado, que no pocas veces se toma como una preparación en un área profesional especializada; lo es por cierto, pero es un nivel universitario superior que debe comunicar una mayor comprensión y visión crítica de la ciencia, y una apertura de la mente al pensamiento objetivo, lógico, propio de la ciencia. Es tarea de los profesores evitar que el posgrado se desvirtúe, pasando a ser una especialización y a veces un mero entrenamiento. Existe ahora preocupación por el aspecto cultural de los alumnos, y es plausible. Pero debe considerarse que ser culto significa haber estructurado los valores y conocimientos en un proyecto de vida y tener la capacidad de entender e insertarse en la sociedad, en el lugar y tiempo en que se vive. En el mundo actual la ciencia es un elemento cultural imprescindible, pues vivimos inmersos en la tecnología. Si el profesor es como debiera serlo- un hombre culto, formará discípulos cultos insensiblemente, «de paso» por así decir* Profesor Emérito del ITESM y miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. 35 �Algunas reflexiones sobre el profesor de ciencias a nivel superior lo, en la exposición de su curso. Realmente es el conjunto universitario, alumnado y cuerpo docente, el que actúa cultivando y educando, pues «al adiestrar la inteligencia adiestra la voluntad, disciplinando al individuo como un todo» (Blanshard3). La universidad es lo que sus profesores son. Si en el cuerpo docente prevalecen los «escaladores», que solamente se preocupan por el ascenso en la administración, o los que toman la academia como un paraguas que los libra de la lucha por la vida, o quienes, como los presos, van tachando los días que faltan para la jubilación, la universidad será como la mítica de Winnemac: «una fábrica productora de hombres y mujeres que llevan vidas morales, son sociables, son emprendedores en los negocios y de vez en cuando mencionan libros que ya se sabe que no tienen tiempo de leer» (Lewis4 ). Un profesor de ciencias a nivel superior precisa de un conocimiento profundo y actualizado de su materia y tener una doble lealtad: a su institución y a su profesión. Debe sujetarse a cierta disciplina institucional sin duda, pero siempre deberá ser un profesional de su rama. Un profesor de la Sorbona asevera: «El mito de la pedagogía general resulta de una transposición abusiva de la enseñanza primaria a la superior y ha causado estragos, al persuadir que el método de enseñanza es más importante que el contenido de la instrucción» (Kourganoff5). Podría atestiguar con ejemplos observados en mis años de magisterio la verdad de este aserto. Dos peligros acechan al profesor. El primero es la obsolescencia o «fosilización». Cada semestre enfrenta un nuevo grupo que ignora la materia y forzosamente debe repetir información; si no cuida de incluir los conocimientos recientes, aun cuando no sean muy importantes o relevantes para un curso básico profesional, al cabo de unos años recitará cada semestre conocimientos quizá obsoletos o tan conocidos que han pasado a ser tema de niveles educativos inferiores. 36 El segundo peligro es la vanidad. Muchas universidades mexicanas no pueden contar con un amplio cuerpo docente, teniendo solamente un especialista en cada campo específico de ciencia. Sin duda los colegas de otras áreas respetarán el saber del especialista, quien se sentirá cada vez más seguro de sus juicios y aun de sus opiniones y llegará a creerse un gran pensador que al hablar ilumina a la humanidad, por lo cual se cierra a toda objeción e incluso (y he conocido casos) a los nuevos métodos y conocimientos. Para prevenir estos peligros lo mejor es que el profesor no deje de ser un miembro de su profesión, perteneciendo a sociedades científicas, subscribiéndose a revistas de su campo y manteniendo contacto con sus colegas en otras instituciones. También es necesario acudir a cursillos de actualización, sean internos o externos, así como a congresos, si es posible como ponente, o al menos como asistente interesado. Si tiene proyectos de investigación debe publicarlos en revistas adecuadas. En tales situaciones sus juicios serán confrontados y discutidos, compartirá dudas y así su autoestima tomará un nivel adecuado, y su profesionalidad se verá estimulada. Para cumplir su misión de hacer avanzar el conocimiento, la universidad debe investigar; sin embargo, es discutible que todo profesor deba involucrarse en investigación para lograr reconocimiento y promoción en salario o jerarquía, sobre todo a nivel de li- Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Manuel Rojas Garcidueñas cenciatura. La investigación puede ligar al recinto académico con el mundo exterior de la explotación racional de recursos, la producción industrial o agrícola, etc. , cuando se tienen proyectos de ciencia aplicada y de resultados más o menos acorto plazo. Participar en este tipo de proyectos puede ser muy ventajoso para el profesor, pero existen también proyectos de ciencia básica muy valiosos; aunque ahora, por el desarrollismo, se vean un tanto despreciados. No puede haber tecnología de avanzada o desarrollo de las aplicaciones, si se carece de ciencia básica: por eso es básica. Si por sus objetivos muchas instituciones oficiales deben abocarse a resolver los problemas inmediatos de la sociedad, toca a las universidades enfrentar otros problemas quizá no de urgente resolución, pero sí de importancia para el desarrollo del saber. Price6 diferencia entre gran ciencia y pequeña ciencia. La primera se dirige a temas amplios y complejos a veces de gran impacto social, que exigen una estrategia de planeación, la participación de diversos especialistas y generalmente mucho dinero. La pequeña ciencia ataca problemas específicos, pero de valor científico, quizá poco relevantes en sí mismos, pero que al encajar con otros representan un real avance en el conocimiento y que no son muy costosos. Si no hay patrocinio para proyectos de gran ciencia, el profesor siempre encontrará tópicos de pequeña ciencia que puede atacar con la ayuda de algunos alumnos y con poco presupuesto. En todo caso, debe permitirse que el profesor elija los objetivos de su investigación, pues sin libertad difícilmente habrá la creatividad que la investigación demanda. universidad, lo que es una manera de investigar, y desmentirían el juicio denigratorio, según el cual los que saben cómo hacer están en trabajo profesional y los que no saben están enseñando. El tópico de la investigación se liga, para el profesor, con el de la tesis, pero esto queda fuera del alcance de este artículo; el tópico está revisado en un artículo anterior.7 REFERENCIAS 1. Commoner, H. S. Is the university to blame? En: Hard Rains. Ed. R. y Disch y B. Schwartz. Prentice Hall Englewood Cliffs. 1970. 2. Farson, R. Of the world in 1984. En Hard Rains op. cit. 3. Blanshard, B. Los valores; estrella polar de la educación. En: Fines de la Educación Superior. UTEHA. México. 1963. 4. Lewis Sinclair. Arrowsmith. Random House. New York. 1925. 5. Kourganoff, V. La cara oculta de la universidad. EUDEBA (Edit. Univ. de Buenos Aires). 1972. 6. Price, D. J. Hacia una ciencia de la ciencia. Ariel Barcelona. 1973. 7. Rojas Garcidueñas M. Consideraciones sobre la tesis profesional. CiENCiA UANL III(1):21-24. (enero-mayo 2000). El profesor que investiga cumple cabalmente la misión de la universidad y se libra del peligro de la «fosilización». Es también un ejemplo para los alumnos, motivándolos no solamente con sus palabras, sino con sus acciones. Sin embargo, hay excelentes profesores que no sienten el impulso de encontrar cosas nuevas; sería muy deseable que participaran en asesorías técnicas profesionales en su área fuera de la Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 37 �Nucleación y crecimiento unidimensional Parte I: El modelo y su validación Virgilio A. González G.* Carlos A. Guerrero S., Juan A. Aguilar G.* Abstract The development of a one dimension simulation model of nucleation and growth phenomena was done. The model is validated under the scope of the shape of growing curves, the effect of heterogeneous nucleation and the Avrami-Jonson-Mehl equation. The results of the simulation show deviations from de Avrami model that could be taken as imprecision of the model. Keywords: Nucleation, growing, model, Avrami, simulation. INTRODUCCIÓN Innumerables fenómenos físicos, químicos y biológicos se desarrollan mediante un proceso de generación de puntos aislados que crecen paulatinamente, adoptando formas bien definidas hasta cubrir parcial o totalmente el volumen o la superficie donde se desarrollan; algunos ejemplos importantes son: la corrosión de metales, las infecciones en organismos, y la solidificación o cristalización de algunos materiales. Es obvio que la comprensión de dichos fenómenos es de vital importancia en el desarrollo tecnológico de las diversas áreas del conocimiento, ya que implica prever tiempos de fallas en materiales debido a la corrosión, conocer con precisión los tiempos de desarrollo de algunas enfermedades infecciosas o controlar, durante el procesado o transformación las propiedades de los materiales mediante el manejo de su morfología de cristalización. Este trabajo está enfocado al fenómeno de nucleación y crecimiento de cristales para formar granos (metales y cerámicos) o esferulitas (principalmente en polímeros), morfologías que son un factor importante en las propiedades mecánicas que adquieren los materiales. Nuestro interés es esclarecer conceptualmente el fenómeno hasta llegar a modelar la formación de granos o esferulitas en tamaño, número, forma y tiempo de cristalización. 38 Los resultados de este modelo fenomenológico permitirían mejorar los modelos de crecimiento fractal. En esta primera parte se describe el modelo utilizado y el desarrollo del simulador. En una segunda parte se analizarán los resultados de las simulaciones realizadas. ANTECEDENTES Cinética de nucleación y crecimiento Las isotermas de cristalización de cualquier material, expresadas como la fracción volumen de material cristalino “φ(t)” en función del tiempo “t” tienen forma de “S” y el modelo más aceptado para descri1-3 birlas es el de Jonson-Mehl-Avrami, conocido simplemente como el modelo o la ecuación de Avrami, el cual se expresa mediante la ecuación 1: ln (1-φ(t)) = -ktn * (1) Doctorado en Ingeniería de Materiales. F.I.M.E. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Virgilio A. González G., Carlos A. Guerrero S., Juan A. Aguilar G. Dimensionalidad del crecimiento Unidimensional Bidimensional Tridimensional Modo de Nuc. Hetero Homo Cte. de velocidad «k» (A )ρ n Gl «n» 1 (A 2 )Gn Gl 2 Hetero Homo (πE )ρ nGl2 (πE 3)GnGl2 2 Hetero (4π 3 )ρ n Gl3 3 Homo (π 3)G n Gl3 4 3 Tabla I. Valores teóricos o ideales de las constantes de la función de Avrami.4 Donde: A es el área tranversal de la barra en crecimiento, E el espesor del disco, ρn la densidad de nucleación, Gn la rapidez de nucleación y Gl la rapidez de crecimiento lineal de la morfología. En esta expresión, “k” se conoce como la constante de velocidad (aunque debería ser de rapidez) y “n” como el exponente de Avrami, el cual se relaciona con la geometría de crecimiento según se reporta en la tabla I. En esta tabla podemos hacer varias observaciones y precisiones, Primero, el carácter homogéneo o heterogéneo de la nucleación se refiere a que si los núcleos se formaron todos al mismo tiempo al inicio de la cristalización debido a alguna perturbación energética, v.g. ondas de transcurso de la cristalización por efecto exclusivamente de las variables termodinámicas (cristalización homogénea), en este último caso se asume que la rapidez de formación de núcleos “Gn” es constante. Segundo, la dimensionalidad del crecimiento se ejemplifica en la tabla I mediante una barra de sección transversal circular, un disco y una esfera, sin embargo éstas pudieran tener otras geometrías como barras de sección transversal cuadrada, Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Fig. 1. Ejemplos de diferentes geometrías creciendo en una, dos o tres dimensiones. paralelepípedos, cubos o bien figuras de geometría compleja. En la figura 1 se ejemplifica lo antes dicho. Como se puede apreciar en la figura 1, la geometría del cristal en crecimiento no es determinante de su dimensionalidad, y además las ecuaciones que determinan la constante de rapidez (tabla I), pueden ser generalizadas según las ecuaciones 2 y 3 k = K g ρ nGln k = K g GnGln +1 Nuc. Heterogénea (2) Nuc. Homogénea (3) donde Kg es una constante geométrica que depende de la forma de los cristales y n es la dimensionalidad del crecimiento y que toma valores de 1 para crecimiento unidimensional, 2 bidimensional y 3 tridimensional. Esta dos ecuaciones cubren todas las posibilidades mostradas en la tabla1. Si además definimos “ϕ” como una variable relacionada al tipo de nucleación y que toma el valor de 0 para nucleación heterogénea y 1 para nucleación homogénea, entonces las ecuaciones 2 y 3 las podemos 39 �Nucleación y crecimiento unidimensional Parte I: El modelo y su validación escribir como una sola expresión según la ecuación 4: (4) k = K g ρ n1−ϕ Gnϕ Gln por lo que la ecuación 1 la podemos escribir como: (5) ln(1 − φ (t )) = − K g ρ n1−ϕ Gnϕ Glnt n+ϕ Esta última expresión, tiene la ventaja de hacer una nueva consideración en vías de generalización. Nos referimos a la existencia o ausencia de homogeneidad de la nucleación. De acuerdo a lo que se ha tratado hasta ahora, el valor de ϕ sólo puede tomar valores de 0 y 1; 0 cuando hay una gran perturbación que provoca la formación de una cantidad determinada de núcleos primarios (r n ), aunado a una rapidez de nucleación homogénea suficientemente lenta (Gn pequeña) como para que no se formen nuevos núcleos en el transcurso de la cristalización. El valor de ϕ es 1 en otro caso extremo, cuando no hay formación de núcleos sobre impurezas, agentes de nucleación u otras perturbaciones y por lo tanto todos los núcleos se forman en el transcurso de la cristalización, teniendo como fuerza directora las variables termodinámicas. Fig. 2. Modelo de nucleación heterogénea y crecimiento unidimensional. a) muestra sin núcleos, b) formación de núcleos, c) crecimiento de núcleos, d) representación en “conos de tiempo” etapa de la cristalización (b en la figura 2) y su crecimiento se aprecia en los diferentes tiempos, variable que está representada en las ordenadas (c en la figura 2), este desarrollo de la cristalización se puede representar con lo que se conoce como “conos de tiempo”5 (figura 2d), simplificando así considerablemente el análisis. EL MODELO Ahora podemos plantear la existencia de casos intermedios, es decir situaciones en las que además de formarse núcleos primarios sobre heterogeneidades, todos ellos al inicio de la cristalización, también se forman nuevos núcleos de carácter homogéneo en el transcurso de la cristalización. En este caso es de esperarse que la variable ϕ definida anteriormente tome valores fraccionarios, esto es: 0 < ϕ < 1. En una muestra unidimensional de longitud “1”, se formarán “N” núcleosa un tiempo inicial “t0”; en todas las posiciones de la muestra hay la misma posibilidad de que se forme un núcleo. La rapidez lineal de crecimiento “G1” de los núcleos en la dirección “1i” está dada por la ecuación 6: (6) G = d (l ) d (t ) = ∆l ∆t Para demostrar esta hipótesis se puede plantear un modelo computacional de los fenómenos de nucleación y crecimiento. Para simplificar el problema se limita el crecimiento a una sola dimensión, así tenemos núcleos que se forman como puntos que crecen como segmentos de rectas sobre una muestra también unidimensional, es decir sobre una recta (figura 2). En esta ecuación, ya que todos los núcleos crecen a la misma velocidad, se elimina el subíndice “i” que representa a cada núcleo en particular. De esta forma, la longitud de cada núcleo a un tiempo t > t0 está definido por la ecuación 7: En esta figura se grafica sobre un segmento de recta (recta a) los núcleos que para el caso de nucleación heterogénea se forman al mismo tiempo en la primera 40 l li = Gl (t − t0 ) = 1 2 Gl t + 1 2 Gl t (7) En esta última expresión el tiempo inicial es cero (t 0 = 0) y se ha dividido en la suma de los dos Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Virgilio A. González G., Carlos A. Guerrero S., Juan A. Aguilar G. segmentos de líneas a partir del centro de crecimiento (figura 3). mos, respectivamente. La fracción de longitud de la muestra cubierta al tiempo “t” por los cristales en crecimiento “φ(t)”, está definida por la ecuación 10: N φt = ∑l i (10) i =1 l La simulación concluye al momento en que se cubre toda la muestra con los cristales en crecimiento, es decir cuando φ(t)=1. La figura 4 muestra el diagrama de flujo de la simulación. Fig. 3. Esquema de formación y crecimiento de dos núcleos. En la figura podemos apreciar como a t0=0 se forman dos núcleos (n1 y n 2) que crecen a una velocidad constante de tal suerte que al tiempo t1 su tamaño se puede calcular mediante la expresión de la ecuación 7, pero que una vez que chocan entre sí el cálculo se tiene que hacer mediante la expresión de la ecuación 8: l1 = l2 = 1 2 Gl t + 1 2 x2 − x1 (8) Así mismo, si un núcleo n2 ya no crece debido a que ya ha chocado por ambos lados con los núcleos n1 y n3, su tamaño se calcula mediante la ecuación 9: l2 = 1 2 x2 − x1 + 1 2 x3 − x2 (9) Ahora podemos plantear el modelo de simulación de la siguiente manera: una muestra unidimensional de longitud “l” en la cual a tiempo t0=0 se forman N núcleos en posiciones al azar, teniendo todas ellas la misma probabilidad de que se forme un núcleo; en seguida cada núcleo crece con el tiempo en forma unidimensional un tamaño l i , definido por las ecuaciones 7, 8 o 9 según: a) no choque con otro núcleo o con los límites de la muestra, b) choque solo por uno de sus extremos o c) choque por ambos extre- Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Fig. 4. Diagrama de flujo del simulador unidimensional de nucleación y crecimiento. Del esquema sólo es necesario mencionar que para la generación de núcleos al azar se utilizó una función que genera los números en base al reloj de la computadora, para la ordenación se tomó como referencia las distancias de los núcleos a uno de los extremos de la recta representando la muestra y para el graficado se escaló la posición y tamaño para una resolución de 640 pixels (unidad de longitud) y 700 pixels (unidad de tiempo). 41 �Nucleación y crecimiento unidimensional Parte I: El modelo y su validación RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la figura 5 se presentan los resultados de simular la nucleación y el crecimiento con las diferentes variantes posibles en cuanto a tipo de nucleación (homogénea, heterogénea o ambas), y delimitando las fronteras de la muestra en las posiciones 0 y 1 o bien muestras de longitud infinita, en donde el extremo de la derecha se supone como conectado al extremo de la izquierda, es decir, podemos imaginar estas muestras como un alambre en forma de anillo, en el cual está sucediendo el fenómeno estudiado, por ejemplo corrosión o bien cristalización. La geometría y las condiciones de operación usadas en la simulación fueron: a)longitud de la muestra l =1, velocidad de crecimiento Gl = 0.003, rapidez de nucleación Gn=0.003, densidad de nucleación rn=42 en nucleación heterogénea y rn=10 cuando coexisten ambos tipos de nucleación. La figura 5 muestra que nuestro simulador está funcionando correctamente, observando que en las simulaciones de nucleación heterogénea (figuras 5a y 5b), todos los núcleos se forman al inicio de la simulación inician a (t = 0). En nucleación homogénea (figuras 5c y 5d) se inicia con un núcleo y el resto se va for- Fig. 5. Simulación de nucleación y crecimiento considerando nucleación heterogénea con rn=10. a) para una muestra acotada, b) para una muestra infinita. 42 mando conforme transcurre el tiempo (los conos inician a diferentes tiempos). Y en las simulaciones donde coexisten ambas formas de nucleación (figuras 5e y 5f) a tiempo cero se forman los 10 núcleos esperados (rn=10) y paulatinamente se forman los demás. Además observamos cómo en las muestras acotadas (figuras 5a, 5c y 5e), los núcleos de los extremos se ven impedidos de crecer por los límites de la muestra, mientras que en las simulaciones donde se consideran muestras infinitas (figuras 5b, 5d y 5f), los núcleos de cada extremo siguen creciendo después de alcanzar el “límite” de la muestra, apareciendo en el extremo contrario hasta chocar con el núcleo en crecimiento más próximo. Otra observación interesante en la figura 5 es que en la nucleación heterogénea (figuras 5a y 5b), la “cristalización” tarda más en completarse (llegar a ft=1), que en las simulaciones donde interviene la nucleación homogénea, fenómeno observable en experimentos de cristalización. Las curvas de las gráficas de fracción de llenado de la muestra por los núcleos (φ(t)) vs. tiempo (t) corresponden a isotermas en la mayoría de los fenómenos de nucleación y crecimiento, y la forma típica de estas isotermas es de una “S”. Como se puede apreciar en la figura 6, los resultados de este modelo tanto Fig. 6. Curvas de nucleación y crecimiento (“isotermas”). Simulación con 30 repeticiones de simulación con Gl = 0.003, a) Nucleación heterogénea con rn=42 y b) Nucleación homogénea con Gn = 0.003 todas con muestra acotada. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Virgilio A. González G., Carlos A. Guerrero S., Juan A. Aguilar G. para nucleación homogénea (figura 6b) como heterogénea (figura 6a) tienen forma de “S” y además se aprecia cómo es que la nucleación heterogénea resulta en tiempos menores necesarios para completar el fenómeno, (para alcanzar φ(t) = 1). Para validar mejor el modelo, ajustamos nuestros datos a la Ecuación 1, graficando ln(-ln(1-φ(t)) v.s. ln(t), esta gráfica se muestra en la figura 7, donde se puede apreciar que la linealidad sólo se mantiene a tiempos cortos, y además la pendiente de las rectas ajustadas por mínimos cuadrados tienen una desviación positiva de los valores esperados (Los resultados se muestran en la misma figura 7), el exponente de Avrami calculado es n=1.2 para las simulaciones de nucleación heterogénea donde de acuerdo a la tabla I debería ser n = 1 mientras que para la nucleación homogénea el resultado es n = 2.29 cuando según la tabla I debería ser 2. Estas desviaciones son generalmente aceptadas en experimentos de caracterización de la cristalización de materiales y suelen redondearse a 1 y 2 respectivamente. Como se verá en la segunda parte de este artículo, estas desviaciones son reales y no debieran ser despreciadas al redondear al entero más cercano. En la segunda entrega se utilizará este modelo de simulación para analizar estas desviaciones haciendo un análisis más detallado y proponiendo un modelo alternativo donde el ajuste a los resultados sea más exacto. CONCLUSIONES Se desarrolló un modelo de nucleación y crecimiento unidimensional confiable, el cual tiene como parámetros el tipo de nucleación (homogénea o heterogénea), el tipo de muestra (acotada o infinita), la densidad de nucleación y la velocidad de crecimiento lineal. El modelo puede ser útil en el análisis de los fenómenos de nucleación y crecimiento y sus desviaciones de la función de Avrami. BIBLIOGRAFÍA 1. Jonson W.A and Mehl R.F., Trans. Amer. Inst. Minning Met. Eng., V135, 426, (1939). 2. Avrami M., J. Phys. Chem. V7, 1103, (1939). 3. Avrami M., J. Phys. Chem. V8, 212, (1940). Fig. 7. Curvas de Avrami. Simulación con 30 repeticiones y Gl = 0.003, a) Nucleación heterogénea con rn=42 y b) Nucleación homogénea con Gn = 0.003 todas con muestra acotada. Se indican las ecuaciones de ajuste por regresión lineal. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 4. Elías. H., Macromolecules Vol. 1, Ed. Plenum Press. New York 1977. 5. Carter W. C., Lecture notes on Nucleation and Grow, Department of Materials Sciences and Technology, MIT. 43 �Calibración de transductores de fuerza de dos componentes en proceso de torneado Francisco Mata Cabrera* Abstract This article summarizes the basic methodologic aspects and the conclusions of a research project conducted at the Polytechnical University School of Almadén (Spain) to develop a procedure of measurement of the tangential and axial components of the cut force in operations of turning based on extensometric techniques. In particular, the foundations of the method will be exposed and applied on a model of dynanometer that we have developed which incorporates an alternative assembly to the wheatstone bridge. Keywords: Calibration, transducer, lathe, cut force. INTRODUCCIÓN Desde hace varios años, en el Departamento de Mecánica Aplicada de la Escuela Universitaria Politécnica de Almadén se está trabajando en el desarrollo de técnicas para medir las fuerzas de corte en procesos de mecanizado con máquinas-herramienta. El conocimiento de estas fuerzas en cada instante permite analizar su variación con los parámetros funcionales del proceso de corte y predecir las condiciones óptimas de utilización de cada tipo de herramienta, sin que lleguen a producirse deformaciones significativas que derivarían en el empeoramiento de la calidad dimensional de las piezas mecanizadas. El objetivo básico de este artículo es mostrar cómo se ha realizado el proceso de calibración de un transductor de fuerzas bidireccional, que permite la medición simultánea de dos de las tres componentes de la fuerza de corte, aplicado sobre la herramienta de un torno convencional. El proceso de calibración que se describe está adaptado a las necesidades y equipamiento de nuestros laboratorios, con el fin de optimizar la utilización de los recursos disponibles. Se convierte así en un procedimiento alternativo que 44 permite realizar la calibración sin necesidad de disponer de complejos y costosos equipos de ensayo que reproduzcan exactamente las condiciones de trabajo de la herramienta en el torno. Fig. 1. Componentes de la fuerza de corte. TRANSDUCTORES DE FUERZA Los transductores de fuerza –comúnmente llamados dinamómetros- son los dispositivos encargados de medir los valores instantáneos de esta magnitud que se aplican, por ejemplo, en un proceso de mecanizado, donde una herramienta incide sobre una superficie virgen y tiene lugar el arranque de viruta que permite dar forma a las piezas proyectadas. El dispositivo, que es sensible a la variación de alguna de las características mecánicas de la herramienta, debe ser capaz de registrar una determinada señal y transformarla en variaciones de fuerza. Pues bien, el principio utilizado en el diseño del transductor que se pretende calibrar es la variación de la resistencia eléctrica de una galga extensométrica al sufrir cierta deformación. La galga o extensómetro es en esencia una resistencia de valor variable en función del grado de deformación que tenga como consecuencia de someterla a determinados esfuerzos. * Escuela Universitaria Politécnica de Almadén, España. E-mail: fr_mata@terra.es Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Francisco Mata Cabrera Una vez pegada estratégicamente en la herramienta y realizadas las conexiones del circuito de medida, se procede a realizar un ensayo de corte, de manera que en la herramienta se generan tensiones, debidas a las fuerzas de corte, que a su vez originan deformaciones. Estas deformaciones se transmiten también a la galga, que modifica su valor de resistencia, y se produce una caída de tensión en el circuito, que se registra mediante la sonda de un osciloscopio o mediante un polímetro digital. Dicho de otra forma, las deformaciones producidas en la galga generan caídas de tensión en el circuito, que se miden directamente. Estos valores de tensión eléctrica, generalmente muy pequeños (del orden de mV), se traducirán posteriormente, como veremos, a valores de fuerza, de manera que el circuito eléctrico permitirá medir indirectamente fuerzas. La realización de una secuencia de ensayos de este tipo sirvió para probar el dispositivo y poner de manifiesto que para conseguir una adecuada sensibilidad en el proceso de medición es necesario reducir la rigidez de las herramientas utilizadas. Para ello, como veremos a continuación, se procedió a calibrar el dinamómetro, entendiendo por tal la determinación de una ley que ofreciese la relación entre fuerza y tensión eléctrica, con el fin de medir directamente fuerzas, que es nuestro objetivo último. obtener la relación buscada. Dado que las condiciones de trabajo de la herramienta en el torno corresponden a un estado en el que existe una carga puntual aplicada en el extremo de un voladizo (“viga empotrada con extremo en voladizo”) y en la práctica nos es imposible reproducir esta situación por no disponer de todo el equipamiento necesario, se recurre a un ensayo de flexión simple con la herramienta (“viga apoyada en los extremos con carga puntual aplicada en el centro del vano”) en una máquina que permite realizar exclusivamente ensayos de tracción, compresión y flexión simple, al objeto de extrapolar los resultados a la situación real de trabajo de la herramienta, con la que se ensayará posteriormente para medir las componentes tangencial y axial de la fuerza de corte. En primer lugar, es preciso justificar la idoneidad de esta forma de proceder examinando las dos situaciones que pretendemos comparar. La figura 2 representa las condiciones de trabajo de la herramienta en el torno. Como se puede apreciar, se encuentra empotrada en el portaherramientas y tiene aplicada una carga puntual en el extremo del voladizo. PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN Fundamento Tal y como acabamos de comentar, para que el dispositivo diseñado pueda medir directamente fuerzas es necesario establecer una equivalencia entre la tensión eléctrica que es, realmente, el parámetro leído y la fuerza que se desea medir. Para ello, se ha realizado un ensayo que, si bien no reproduce exactamente las condiciones de trabajo de la herramienta en el torno, nos va a permitir extrapolar sus resultados a la situación real y, en definitiva, Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Fig. 2. Solicitación de la herramienta en la operación de mecanizado. 45 �Calibración de transductores de fuerza de dos componentes en proceso de torneado El momento flector máximo en el empotramiento Mmax(1) será: M max(1) = F • d1 F´: Fuerza aplicada en el centro del vano d2: Distancia entre apoyos y la tensión admisible σ2 será: siendo: F: fuerza aplicada, que equivale a la componente de la fuerza de corte que se desea medir d1: distancia del empotramiento al extremo del voladizo (“longitud efectiva de la herramienta”) y la tensión admisible σ1 será: σ1 = donde: siendo: M max(1) w1 w1: módulo resistente de la sección La figura 3 representa las condiciones de trabajo de la herramienta durante el ensayo de flexión simple. σ2 = M max( 2) w2 Pretendemos obtener una relación entre F (fuerza que realmente se aplicaría en el torno) y F’ (fuerza aplicada en el ensayo de flexión pura). Para ello, tendremos en cuenta una situación en la que las deformaciones producidas en los dos casos sean idénticas, lo que se traducirá inevitablemente en valores de tensión eléctrica también idénticos. Dado que las herramientas utilizadas en los dos supuestos son iguales (sección, material, módulo de elasticidad, módulo resistente, etc.) se concluye que las tensiones mecánicas han de ser también iguales. Dicho en otros términos: 1 • a • a3 12 w1 = w2 = a 2 siendo “a” la dimensión del lado de la herramienta. Por tanto: σ1 = σ2 = Fig. 3. Solicitación de la herramienta en el ensayo de flexión. El momento máximo en el centro del vano Mmax(2) será: M max( 2 ) = 46 F ´•d 2 4 M max (1) w1 M max ( 2) w2 = F • d1 w1 F´• = d2 4 w2 e igualando las expresiones de las tensiones se tiene: F • d1 = w1 F ´• d2 4 w2 De manera que la relación de fuerzas buscada es: Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Francisco Mata Cabrera F= F´•d 2 4 • d1 y particularizando los valores de las distancias, d1 = 55 mm y d2 = 100 mm se tiene: F = 0.45 • F´ Esta relación es específica para las condiciones fijadas (longitud efectiva de la herramienta y distancia entre apoyos en el ensayo de flexión simple) aunque es fácilmente aplicable a otras situaciones siempre y cuando se trabaje con herramientas idénticas tanto en la operación de corte como en el ensayo de flexión. Se puede apreciar también que el resultado es independiente de la sección de la herramienta considerada. Resultados Para realizar el ensayo de flexión simple sobre la herramienta se pone a punto en primer lugar la máquina de ensayo (figura 4) y se coloca en la herramienta una galga de las mismas características que las utilizadas en el proceso de corte, en el punto de aplicación de la fuerza, en la cara opuesta al contacto con el percutor. A continuación, se realizan las conexiones con el equipo de medida y se procede a registrar los valores de tensión eléctrica que se generan como consecuencia de la aplicación de fuerzas sucesivas de valor creciente. Los resultados del ensayo de flexión pura se reflejan en la tabla I: Ta b l a I. L e c t u r a s d e t e n s i ó n e l é c t r i c a e n e l e n s a yo d e f l e xi ó n F ue r za a p l i c a d a ( N ) Te n s i ó n e l é c t r i c a ( m V ) 2 ,0 0 0 900 4 ,0 0 0 1 ,8 0 0 6 ,0 0 0 2 ,7 0 0 8 ,0 0 0 3 ,6 0 0 1 0 ,0 0 0 4 ,5 0 0 Pues bien, aplicando la ecuación deducida anteriormente, se obtienen los valores de la fuerza de corte equivalente (F´) que se registrarían durante la operación de mecanizado y que provocarían las mismas deformaciones, esto es: Tabla II. Valor de las fuerzas equivalentes en la operación de torneado Fig.4. Ensayo de referencia de flexión simple. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Valor de F (N) Valor de F`(N) 2,000 900 4,000 1,800 6,000 2,700 8,000 3,600 10,000 4,500 En consecuencia, los valores de fuerzas y tensiones eléctricas equivalentes leídas durante el proceso de mecanizado en el torno serán los siguientes: 47 �Calibración de transductores de fuerza de dos componentes en proceso de torneado Ta b l a I I I . V a l o r e s d e t e n s i ó n e l é c t r i c a y fue r za d e c o r te Podemos, pues, concluir que la ley de variación de la fuerza con la tensión eléctrica determinada en este trabajo concuerda con otras experiencias realizadas en esta materia, a pesar de no haber reproducido de manera fiel las condiciones de trabajo de la herramienta en el torno. F ue r za d e c o r te ( N) Te n s i ó n e l é c t r i c a ( m V ) 900 600 1,800 790 2,700 2,070 APLICACIÓN PRÁCTICA 3,600 3,300 4,500 3,550 Con el fin de comprobar la eficacia del transductor de fuerza, se procedió a realizar diversos ensayos para medir la fuerza de corte (figura 5) y analizar su variación respecto a las condiciones de trabajo fijadas (profundidad de pasada, velocidad de corte y velocidad de avance). Si se relacionan los valores anteriores se obtiene una buena aproximación lineal dada por la ecuación: F ´= 13,287 • v − 4,598 Siendo “v” la tensión eléctrica leída en el dispositivo en mV. Esta es la expresión buscada y permite, de manera sencilla mediante una hoja de cálculo, transformar las lecturas de tensión eléctrica a valores de fuerza. Validación con experiencias previas Dado que la relación tensión eléctrica-fuerza se ha determinado experimentalmente a partir de un ensayo de referencia, es necesario contrastar los resultados obtenidos con los de experiencias previas realizados en condiciones similares. Pues bien, se ha podido comprobar que, por lo general, la relación tensión eléctrica-fuerza se puede expresar por una línea recta con pendiente 1: 1 según demuestran, por ejemplo, J. Agullo y M. Borras, del Laboratorio de cálculo y mecánica de la E. T.S.I.I. de Barcelona. Otros autores también llegan a resultados parecidos, pero, en todo caso, se ha de tener en cuenta que las condiciones fijadas en los ensayos no siempre son comparables, en cuanto al tipo transductores utilizados, herramientas, condiciones de corte, etc. 48 Fig. 5. Medida de la fuerza de corte en operación de cilindrado exterior. La gráfica representada en la figura 6 corresponde a la evolución de la fuerza de corte con la profundidad de pasada. Resulta evidente que al aumentar este parámetro debe hacerlo también la fuerza aplicada, como así sucede en la realidad. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Francisco Mata Cabrera obtenidos concuerdan con los de otros trabajos similares. Por ejemplo, se ha comprobado en la práctica que la fuerza de corte es entre 4 y 5 veces mayor que la fuerza de avance, tal como se puede demostrar de forma teórica. Cabe decir, por tanto, que el procedimiento presentado ofrece garantías suficientes para ser aplicado tanto en procesos industriales como en la realización de trabajos de investigación que requieran medir el valor de la fuerza de corte. Fig. 6. Evolución de la fuerza de corte con la profundidad de pasada. Por otra parte, se pudo probar que la sensibilidad del dispositivo calibrado es mayor si se aplica sobre herramientas menos rígidas, circunstancia que se puede resolver practicando unas ranuras perimetrales de diferente profundidad. REFERENCIAS 1. Pizarro Delgado, Mª Castillo, Mata Cabrera, Francisco, De la Cruz Gómez, Carlos, “Análisis, desarrollo y construcción de un dinamómetro bidireccional para la medida de fuerzas en el torno, basado en técnicas extensométricas” Servicio de Publicaciones. E.U.P. Almadén, 2001. CONCLUSIONES 2. Fuentes del Burgo, Joaquín, “Técnicas extensométricas”, Ediciones Copy-Expres, Almadén, 1995. Ha sido la utilización del dispositivo en la medida de las fuerzas de corte bajo diferentes condiciones de trabajo lo que, finalmente, nos ha demostrado su validez y eficacia, en tanto en cuanto los resultados 4. Martín Batlle, M, “Extensometría”, Editorial Díaz de Santos, Madrid, 1992. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 3. Ortiz, L., “Resistencia de materiales”, Editorial Mx Graw Hill, Madrid, 1991. 49 �Análisis autoafín de superficies de fractura de polipropileno y vidrio opalino♦ Moisés Hinojosa R., Edgar Reyes M.* Carlos Guerrero S., Ubaldo Ortiz M.* Abstract We report the self-affinity analysis of the fracture surfaces of isotactic polypropylene (i-PP) and opal glass. In the case of i-PP, samples with different spherulite sizes were broken in bend test after being immersed in liquid nitrogen. For of the opal glass, samples with different sizes of the opacifying particles, obtained by different thermal treatments, were broken in a punch test. The fracture surfaces were analyzed by both Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) in the contact mode. Self-affinity analysis was performed by the variable bandwidth method. The roughness exponents are close to ζ = 0.8 with the correlation length corresponding to the size of the spherulites in the plastic material and to the size of the opacifying particles in the opal glass. Keywords: Fracture, fractals, self-affinity, correlation length, roughness exponent. INTRODUCCION Las superficies de fractura son fractales naturales anisotrópicos, actualmente su carácter autoafín es aceptado casi universalmente. La primera descripción cuantitativa de estas superficies irregulares empleando geometría fractal fue publicada en 1984 por Mandelbrot1, sus resultados sugerían una correlación entre la dimensión fractal de las superficies de fractura y la energía de impacto en muestras de aceros maraging2 con diferentes tratamientos térmicos. Posteriores experimentos3 más refinados en una variedad de materiales no confirmaron tal correlación entre la dimensión fractal y las propiedades mecánicas. Se ♦ Adaptado de “Self-Affinity Analysis of the Fracture Surfaces of Polypropylene and Opal Glass” Publicado en MRS Symposium Proceedings V. 653, “Multiscale Modeling of Materials”, Materials Research Society, 2001. 50 Topografía de la zona especular en la superficie de fractura de un vidrio observada mediante microscopía de fuerza atómica estableció que el llamado exponente de rugosidad ζ es un parámetro más apropiado para describir las superficies de fractura. Estudiando las superficies de fractura obtenidas en condiciones cinéticas rápidas y analizadas principalmente mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), Bouchaud4 propuso la idea de un exponente de rugosidad universal, ζ = 0.78, independiente de la microestructura y las propiedades. Esta universalidad fue seriamente cuestionada por el descubrimiento de otro régimen autoafín caracterizado por un exponente de rugosidad ζ = 0.5 para las superficies de fractura generadas en condiciones lentas de propagación de grietas y/o analizadas en escalas nanométricas empleando microscopía de fuerza atómica (MFA) o de tunelaje. Recientemente se ha reportado la coexistencia de ambos regímenes en distintos materiales.5-6 Estos regímenes se cruzan en una llamada longitud de quiebre, que parece ser dependiente de las condiciones cinéticas. Se han realizado intentos por relacionar esta longitud de quiebre con los parámetros microestructurales de algunos materiales.7 * Doctorado FIME-UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Moisés Hinojosa Rivera, Edgar Reyes Melo, Carlos Guerrero Salazar, Ubaldo Ortiz Méndez En 1998 Hinojosa8-9 demostró que la llamada longitud de correlación está estrechamente relacionada con el tamaño de grano en superaleaciones de níquel. Este resultado apoya la idea de que el frente de grieta, visualizado como una línea, interactúa con los diferentes obstáculos presentes en la microestructura y de esta manera las mayores heterogeneidades son las que deben determinar la longitud de correlación. Más recientemente se reportó10 que este parámetro está relacionado al tamaño característico de las dendritas y granos en aleaciones de aluminio vaciado. Considerando estos antecedentes el presente trabajo tiene el propósito de aportar más evidencia para apoyar la mencionada hipótesis que establece que la longitud de correlación de las superficies de fractura de los materiales heterogéneos queda determinada por las mayores heterogeneidades que caracterizan la microestructura y que esto es válido no solo para materiales metálicos, sino también para materiales cerámicos y poliméricos. EXPERIMENTACION Los materiales cuyas superficies de fractura se analizaron en este trabajo son representativos de los materiales plásticos y los materiales cerámicos. El material polimérico seleccionado para el análisis fue una muestra de polipropileno isotáctico (i-PP) parcialmente cristalino. Este material fue seleccionado debido a su facilidad para cristalizar. La caracterización de este material11 mediante cromatografía de permeación en gel mostró que el peso molecular numérico promedio fue de 60, 359 y que el índice de polidispersidad fue de 5.1. La temperatura de fusión y el grado de cristalinidad original fueron de 165.4 oC y 46.7 %, respectivamente según mediciones de calorimetría diferencial de barrido. Dos muestras en forma de discos pequeños de 10 mm de diámetro y 1 mm de espesor se fundieron y enfriaron a diferentes rapideces con el propósito de alterar el proceso de cristalización. Se Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 obtuvieron dos tamaños esferulíticos distintos, esferulitas pequeñas y esferulitas gruesas. El tamaño esferulítico se midió mediante microscopía óptica y análisis de imágenes, así como mediante microscopía de fuerza atómica en el modo de contacto. Las muestras se enfriaron en nitrógeno líquido durante 15 minutos antes de ser sometidas a ruptura en modo de flexión. En el caso de los vidrios, se analizaron dos muestras de vidrio opalino comercial de similar composición química. Como resultado de diferentes tratamientos durante el proceso de manufactura, las muestras poseían partículas opacificantes de diferentes tamaños. Las muestras planas se fracturaron mediante un punzón. El tamaño de las partículas opacificantes se midió por observación de las superficies de fractura en MEB y en MFA. Para ambos materiales, el análisis fractográfico se realizó por MEB, para tal efecto las muestras se recubrieron con oro. El estudio fractométrico se llevó a cabo empleando MFA en el modo de contacto para ambos materiales. El tamaño máximo de barrido fue de 10 micrómetros y la mejor resolución obtenida en las imágenes de 512 x 512 pixeles fue de alrededor de 10 nm. Las superficies analizadas por MFA no fueron recubiertas. Se obtuvieron perfiles de alturas a partir de las imágenes de MFA, se registraron por lo menos 30 perfiles para cada muestra. El exponente de rugosidad promedio y la longitud de correlación se estimaron construyendo las curvas de autoafinidad. El análisis autoafín se efectuó usando el método de ventanas de ancho variable.12 Se calcularon las cantidades w2(r) y Zmax(r). Zmax(r) es la diferencia entre la altura máxima y la altura mínima Z dentro de la ventana de tamaño (r), promediada en todos los posibles orígenes x de la ventana. w2(r) es el segundo momento o la desviación estándar de la distribución de alturas dentro de la 51 �Análisis autoafín de superficies de fractura de polipropileno y vidrio opalino ventana. Estas cantidades siguen un escalamiento de ley de potencia: ζ, w2(r) α r Z (r) α r ζ max Puesto que el uso del segundo momento w2(r) permite una determinación más precisa de la longitud de correlación, solo se muestran los resultados obtenidos mediante este método. RESULTADOS El análisis fractográfico y fractométrico corrobora que las superficies de fractura del polipropileno isotáctico y del vidrio opalino son objetos autoafines, los resultados para cada material se detallan a continuación. Fig. 1a. Imagen de MEB de la superficie de fractura en el polipropileno con esferulitas gruesas. Polipropileno Isotáctico Los tamaños esferulíticos se estimaron en 0.34 y 0.96 µm para las muestras con esferulitas finas y esferulitas gruesas, respectivamente. Las figuras 1(a) y 1(b) muestran la superficie de fractura de la muestra con esferulitas gruesas según se observa en MEB, figura 1(a), y en MFA, figura 1(b). Las observaciones cualitativas del MEB muestran líneas curvas irregulares, que son llamadas marcas de Chevron. Se sabe que estas líneas parten del punto donde inició la grieta e indican la dirección de propagación. Estas características se observan también en la muestra con esferulitas finas. En todas las imágenes de MEB registradas, la superficie de fractura muestra similares formaciones a diferentes niveles de magnificación, lo que se puede considerar como una evidencia cualitativa de autoafinidad. Los resultados del análisis de autoafinidad se muestran en la figura 2. Las curvas no muestran un comportamiento estricto de ley de potencia, parecen ser perturbadas por efectos reológicos ya que es posible que el frente de grieta provoque deformación viscoelástica local al avanzar. El exponente de rugosidad estimado mediante regresión tiene un valor 52 Fig. 1b.- La misma superficie de 1a) observada mediante MFA. de ζ=0.83 para las muestras con esferulitas finas y ζ=0.84 para la muestra con esferulitas gruesas. Es evidente que el exponente de rugosidad no parece depender del tamaño de las esferulitas. Las longitudes de correlación no están claramente definidas, pero ciertamente son diferentes y pueden estimarse en alrededor de 0.7 µm y 1.1 µm para las esferulitas finas y para las esferulitas gruesas, respectivamente, estos valores son proporcionales y aproximados a los tamaños promedio de las esferulitas indicados anteriormente (0.34 y 0.96 µm). Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Moisés Hinojosa Rivera, Edgar Reyes Melo, Carlos Guerrero Salazar, Ubaldo Ortiz Méndez Fig. 2.- Curvas de autoafinidad para las muestras de polipropileno. Fig. 3a.- Imagen de MEB una superficie de fractura de vidrio mostrando las tres zonas características. Vidrio Opalino Los resultados de la medición de las partículas opacificantes indicaron que una de las muestras poseía una distribución homogénea de partículas finas de tamaño promedio de 0.34 µm, la otra muestra contenía una población de partículas gruesas de aproximadamente 4 µm y una población de partículas finas de tamaño promedio de 0.47 µm. La figura 3(a) muestra una superficie de fractura típica observada mediante MEB. Pueden observarse claramente las zonas especular, difusa y fibrosa que caracterizan las fracturas de los vidrios. Las observaciones de MFA se concentraron en la región especular para ambas muestras analizadas. La figura 3 (b) es una imagen de MFA que muestra algunas partículas en la superficie de fractura. Los resultados del análisis autoafín se muestran en la figura 4. En el caso de la muestra con partículas finas el exponente de rugosidad tiene un valor de 0.8 y la longitud de correlación se detecta claramente en un valor de aproximadamente 0.3 µm, que concuerda con el tamaño de las partículas opacificantes. Para la muestra con partículas gruesas, el régimen autoafín parece ser perturbado por la presencia de las dos po- Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Fig. 3b.- Imagen de MFA en la zona especular del vidrio ópalo mostrando partículas opacificantes. Fig. 4.- Curvas de autoafinidad para las muestras de vidrio ópalo. 53 �Análisis autoafín de superficies de fractura de polipropileno y vidrio opalino blaciones de partículas. En todo caso, el exponente de rugosidad se estima en un valor de 0.78 y la longitud de correlación posee un valor de cerca de 3.5 µm, que nuevamente concuerda con el tamaño de las partículas gruesas. En la figura 4 la flecha indica la región donde el régimen autoafín correspondiente a las partículas gruesas es perturbado presumiblemente por la presencia de las partículas finas. CONCLUSIONES Los resultados cualitativos y cuantitativos mostrados en esta investigación corroboran el carácter autoafín de las superficies de fractura del polipropileno isotáctico y del vidrio opalino. Se muestra que la longitud de correlación queda determinada por el tamaño característico de las mayores heterogeneidades relevantes en la microestructura: las esferulitas en el caso del polipropileno isotáctico y las partículas opacificantes en el vidrio ópalo. En todos los casos el exponente de rugosidad fue estimado en un valor de aproximadamente 0.8, lo que concuerda con valores reportados para condiciones cinéticas similares de propagación en otros materiales. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue apoyado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y el Programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica de la UANL. V. Garza, L. Chávez, J. Aldaco, F. Garza, E. Cárdenas y O. Garza proporcionaron su valiosa ayuda en diferentes etapas del proyecto del que se derivó este trabajo. REFERENCIAS Y NOTAS 1. B.B. Mandelbrot, D.E. Passoja and A.J. Paullay, “Fractal Character of Fracture Surfaces of Metals”, Nature, 308, pp 721-722 (1984). 54 2. Son aceros de bajo carbono con adiciones de níquel, cobalto, molideno y titanio. Forman martensitas suaves y durante el revenido la precipitación de intermetálicos les proporciona alta resistencia y ductilidad. 3. E. Bouchaud, “Scaling Properties of Cracks”, J. Phys.:Condens. Matter 9 (1997) 4319-4344. 4. E. Bouchaud, G. Lapasset and J. Planés, Europhys Lett., 13, pp 73 (1990). 5. P. Daguier, B. Nghiem, E. Bouchaud and F. Creuzet, “Pinning and Depinning of Crack Fronts in Heterogeneous Materials”, Phys. Rev Lett. , 78, pp 1062 (1997). 6. P. Daguier, S. Hénaux, E. Bouchaud, and F. Creuzet, “Quantitative Analysis of a Fracture Surface by Atomic Force Microscopy”, Phys. Rev. E, 53, 5637 (1996). 7. P. Daguier, Ph. D. thesis, Université Paris 6 (en francés), Noviembre 1997. 8. M. Hinojosa, E. Bouchaud and B. Nghiem. Materials Research Society Symposium Proceedings, Volume 539, Materials Research Society, Warrendale Pennsylvania, pp. 203-208, 1999. 9. Moisés Hinojosa, Elisabeht. Bouchaud y Bernard Nghiem, “Rugosidad a Larga Distancia en Superficies de Fractura de Materiales Heterogéneos”, Ingenierías, Vol. III, No. 7, pp. 27-33, Abril-Junio 2001. 10. M. Hinojosa, J. Aldaco, U. Ortiz, and V. González, “Roughness exponent of the fracture surface of AlSi Alloy”. Aluminum Transactions Volume 3. No.1. pp.53-57, 2000. 11. Edgar Reyes, Master Thesis, Universidad Autónoma de Nuevo Leon, México, 1999. 12. J. Schmittbuhl, J.P. Vilotte. S. Roux, “Reliability of self-affine measurements”, Phys. Rev. E, 51 131 (1995). Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Documentos Declaración sobre la ciencia y el uso del saber científico Parte II ♦ III. LA CIENCIA AL SERVICIO DEL DESARROLLO 33. Hoy más que nunca, la ciencia y sus aplicaciones son indispensables al desarrollo. Mediante los apropiados programas de educación e investigación, las autoridades, sea cual fuere su ámbito de actuación, y el sector privado deben prestar más apoyo a la construcción de una capacidad científica y tecnológica adecuada y compartida de manera equitativa, fundamento indispensable de un desarrollo económico, social, cultural y ambiental racional. Esta necesidad es especialmente apremiante en los países en desarrollo. El desarrollo tecnológico exige una base científica sólida y debe orientarse resueltamente hacia modos de producción seguros y no contaminantes, una utilización de los recursos más eficaz y productos más inocuos para el medio ambiente. La ciencia y la tecnología también deben orientarse decididamente hacia perspectivas que mejoren el empleo, la competitividad y la justicia social. Hay que aumentar las inversiones en ciencia y tecnología encaminadas a estos objetivos y a conocer y proteger mejor la base de recursos naturales del planeta, la diversidad biológica y los sistemas de sustentación de la vida. El objetivo debe ser avanzar hacia unas estrategias de desarrollo sostenible mediante la integración de las dimensiones económicas, sociales, culturales y ambientales. 34. La enseñanza científica, en sentido amplio, sin discriminación y que abarque todos los niveles y modalidades es un requisito previo esencial de la democracia y el desarrollo sostenible. En los últimos años ♦ Por considerarlo de singular interés e importancia, transcribimos este documento que recoge parte de las conclusiones de la Conferencia Mundial de la Ciencia, organizada por la UNESCO y el Consejo Internacional para la Ciencia (ICSU) y llevada a cabo los días del 26 de junio al 1º de Julio de 1999 en Budapest, Hungría. La primera parte de esta declaración fue publicada en el No. 14 Vol. V de la revista Ingenierías. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 se han tomado medidas en todo el mundo para promover la enseñanza básica para todos. Es esencial que se reconozca el papel primordial desempeñado por las mujeres en la aplicación del perfeccionamiento del saber científico a la producción de alimentos y la atención de salud y que se desplieguen esfuerzos para mejorar su comprensión de los progresos científicos alcanzados en esos terrenos. La enseñanza, la transmisión y la divulgación de la ciencia deben construirse sobre esta base. Los grupos marginados aún requieren una atención especial. Hoy más que nunca es necesario fomentar y difundir la alfabetización científica en todas las culturas y todos los sectores de la sociedad así como las capacidades de razonamiento y las competencias prácticas y una apreciación de los principios éticos, a fin de mejorar la participación de los ciudadanos en la adopción de decisiones relativas a la aplicación de los nuevos conocimientos. Habida cuenta de los progresos científicos, es especialmente importante la función de las universidades en la promoción y la modernización de la enseñanza de la ciencia y su coordinación en todos los niveles del ciclo educativo. En todos los países, especialmente en los países en desarrollo, es preciso reforzar la investigación científica en los programas de enseñanza superior y de estudios de posgrado tomando en cuenta las prioridades nacionales. 35. La creación de capacidades científicas deberá contar con el apoyo de la cooperación regional e internacional a fin de alcanzar un desarrollo equitativo y la difusión y la utilización de la creatividad humana sin discriminación de ningún tipo contra países, grupos o individuos. La cooperación entre los países desarrollados y los países en desarrollo debe llevarse a cabo ateniéndose a los principios de pleno y libre acceso a 55 �Declaración sobre la ciencia y el uso del saber científico. Parte II la información, equidad y beneficio mutuo. En todas las actividades de cooperación es menester prestar la debida atención a la diversidad de tradiciones y culturas. El mundo desarrollado tiene el deber de acrecentar las actividades de cooperación con los países en desarrollo y los países en transición en el ámbito de la ciencia. Es particularmente importante ayudar a los pequeños Estados y los países menos adelantados a crear una masa crítica de investigación nacional en ciencias mediante la cooperación regional e internacional. La existencia de estructuras científicas, como las universidades, es un elemento esencial para la capacitación del personal en su propio país, con miras a una carrera profesional ulterior en él. Mediante estos y otros esfuerzos se deberán crear condiciones que contribuyan a reducir el éxodo de profesionales o a invertir esa tendencia. Ahora bien, ninguna medida debería cercenar la libre circulación de los científicos. 36. El progreso científico requiere varios tipos de cooperación en los planos intergubernamental, gubernamental y no gubernamental y entre ellos, como: proyectos multilaterales; redes de investigación, en especial entre países del Sur; relaciones de colaboración entre las comunidades científicas de los países desarrollados y en desarrollo para satisfacer las necesidades de todos los países y favorecer su progreso; becas y subvenciones y el fomento de investigaciones conjuntas; programas que faciliten el intercambio de conocimientos; la creación de centros de investigación de reconocido prestigio internacional, en particular en países en desarrollo; acuerdos internacionales para promover, evaluar y financiar conjuntamente grandes proyectos y facilitar un amplio acceso a ellos; grupos internacionales para que evalúen científicamente problemas complejos, y acuerdos internacionales que impulsen la formación de posgrado. Se deben poner en marcha nuevas iniciativas de colaboración interdisciplinaria. Se debe reforzar la índole internacional de la investigación básica, aumentando consi- 56 derablemente el apoyo a los proyectos de investigación a largo plazo, especialmente los de alcance mundial. Al respecto, se debe prestar particular atención a la necesidad de continuidad en el apoyo a la investigación. Debe facilitarse activamente el acceso de los investigadores de los países en desarrollo a estas estructuras, que deberían estar abiertas a todos en función de la capacidad científica. Es menester ampliar la utilización de la tecnología de la información y la comunicación, en especial mediante la creación de redes, a fin de fomentar la libre circulación de los conocimientos. Al mismo tiempo, se debe velar por que la utilización de estas tecnologías no conduzca a negar ni a limitar la riqueza de las distintas culturas y los diferentes medios de expresión. 37. Para que todos los países se atengan a los objetivos que se determinan en esta Declaración, paralelamente a los enfoques internacionales, se deberían establecer en primer lugar y en el plano regional estrategias, mecanismos institucionales y sistemas de financiación, o revisar los que existen, a fin de fortalecer el papel de las ciencias en el desarrollo sostenible en el nuevo contexto. Concretamente, deberían consistir en: una política nacional de ciencia a largo plazo, que se ha de elaborar conjuntamente con los principales actores de los sectores público y privado; el apoyo a la enseñanza y la investigación científicas; la instauración de una cooperación entre organismos de investigación y desarrollo, universidades y empresas en el marco de los sistemas nacionales de innovación; la creación y el mantenimiento de instituciones nacionales encargadas de la evaluación y la gestión de los riesgos, la reducción de la vulnerabilidad a éstos y la seguridad y la salud; e incentivos para favorecer las inversiones, investigaciones e innovaciones. Se debe invitar a los parlamentos y a los gobiernos a establecer una base jurídica, institucional y económica que propicie el desarrollo de las capacidades científicas y tecnológicas en los sectores público y privado, y facilite su interacción. La adopción de decisiones y la de- Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Declaración sobre la ciencia y el uso del saber científico. Parte II terminación de prioridades en materia de ciencia deben formar parte del planeamiento global del desarrollo y de la formulación de estrategias de desarrollo sostenible. En este contexto, la reciente medida adoptada por los principales países acreedores del grupo G8 para iniciar un proceso de reducción de la deuda de determinados países en desarrollo favorecerá un esfuerzo conjunto de los países en desarrollo y de los países desarrollados enderezado a crear mecanismos adecuados de financiación de la ciencia con miras a fortalecer los sistemas nacionales y regionales de investigación científica y tecnológica. 38. Es preciso proteger adecuadamente los derechos de propiedad intelectual a escala mundial, y el acceso a los datos e informaciones es fundamental para llevar a cabo la labor científica y plasmar los resultados de la investigación científica en beneficios tangibles para la sociedad. Habrá que adoptar medidas para reforzar las relaciones mutuamente complementarias entre la protección de los derechos de propiedad intelectual y la difusión de los conocimientos científicos. Es preciso considerar el ámbito, el alcance y la aplicación de los derechos de propiedad intelectual en relación con la elaboración, la distribución y el uso equitativos del saber. También es necesario desarrollar aún más los adecuados marcos jurídicos nacionales para satisfacer las exigencias específicas de los países en desarrollo y tener en cuenta el saber, las fuentes y los productos tradicionales, velar por su reconocimiento y protección apropiados, basados en el consentimiento fundado de los propietarios consuetudinarios o tradicionales de ese saber. IV. LA CIENCIA EN LA SOCIEDAD Y LA CIENCIA PARA LA SOCIEDAD 39. La práctica de la investigación científica y la utilización del saber derivado de esa investigación debería tener siempre estos objetivos: lograr el bienestar de la humanidad, comprendida la reducción de la pobreza; respetar la dignidad y los derechos de los seres Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 humanos, así como el medio ambiente del planeta; y tener plenamente en cuenta la responsabilidad que nos incumbe con respecto a las generaciones presentes y futuras. Todas las partes interesadas deben asumir un nuevo compromiso con estos importantes principios. 40. Habría que garantizar la libre circulación de la información sobre todas las utilizaciones y consecuencias posibles de los nuevos descubrimientos y tecnologías, a fin de que las cuestiones éticas se puedan debatir de modo apropiado. Todos los países deben adoptar medidas adecuadas en relación con los aspectos éticos de la práctica científica y del uso del conocimiento científico y sus aplicaciones. Dichas medidas deberían incluir las debidas garantías procesales para que los casos de desacuerdo sean tratados con equidad y consideración. La Comisión Mundial de Ética del Conocimiento Científico y la Tecnología de la UNESCO puede ofrecer un medio de interacción a este respecto. 41. Todos los investigadores deberían comprometerse a acatar normas éticas estrictas y habría que elaborar para las profesiones científicas un código de deontología basado en los principios pertinentes consagrados en los instrumentos internacionales relativos a los derechos humanos. La responsabilidad social que incumbe a los investigadores exige que mantengan en un alto grado la honradez y el control de calidad profesionales, difundan sus conocimientos, los comuni- 57 �Declaración sobre la ciencia y el uso del saber científico. Parte II quen al público y formen a las jóvenes generaciones. Las autoridades políticas deberían respetar la acción de los científicos a este respecto. Los programas de estudios científicos deberían incluir la ética de la ciencia, así como una formación relativa a la historia, la filosofía y las repercusiones culturales de la ciencia. 42. La igualdad de acceso a la ciencia no sólo es una exigencia social y ética para el desarrollo humano, sino que además constituye una necesidad para explotar plenamente el potencial de las comunidades científicas de todo el mundo y orientar el progreso científico de manera que se satisfagan las necesidades de la humanidad. Habría que resolver con urgencia los problemas con que las mujeres, que constituyen más de la mitad de la población mundial, tienen que enfrentarse para emprender carreras científicas, proseguirlas, obtener promociones en ellas y participar en la adopción de decisiones en materia de ciencia y tecnología. Asimismo, urge tratar de resolver las dificultades que suponen obstáculos para los grupos desfavorecidos e impiden su plena y efectiva participación. 43. Los gobiernos y científicos del mundo entero deben abordar los problemas complejos planteados por la salud de las poblaciones pobres, así como las disparidades crecientes en materia de salud que se dan entre países y entre comunidades de un mismo país, con miras a lograr un nivel de salud mejor y más equitativo, y también un suministro de asistencia sanitaria de calidad para todos. Esto se debe llevar a cabo mediante la educación, la utilización de los adelantos científicos y tecnológicos, la creación de sólidas asociaciones a largo plazo entre las partes interesadas, y el aprovechamiento de programas encaminados a ese fin. 58 44. Nosotros, los participantes en la Conferencia Mundial sobre “La Ciencia para el Siglo XXI: Un Nuevo Compromiso”, nos comprometemos a hacer todo lo posible para promover el diálogo entre la comunidad científica y la sociedad, a actuar con ética y espíritu de cooperación en nuestras esferas de responsabilidad respectivas a fin de consolidar la cultura científica y su aplicación con fines pacíficos en todo el mundo, y a fomentar la utilización del saber científico en pro del bienestar de las poblaciones y de la paz y el desarrollo sostenibles, teniendo en cuenta los principios sociales y éticos mencionados. 45. Consideramos que el documento de la Conferencia Programa en pro de la Ciencia: Marco General de Acción plasma un nuevo compromiso con la ciencia y puede servir de guía estratégica para establecer relaciones de cooperación en el seno del sistema de las Naciones Unidas y entre todos los interesados en la actividad científica durante los años venideros. 46. En consecuencia, adoptamos la presente Declaración sobre la Ciencia y el Uso del Saber Científico y nos adherimos de común acuerdo al Programa en pro de la Ciencia: Marco General de Acción, como medio de alcanzar los objetivos expuestos en la Declaración. Asimismo pedimos a la UNESCO y al ICSU que presenten ambos documentos a su Conferencia General y a su Asamblea General respectivas para que los examinen. El objetivo perseguido es que ambas organizaciones definan y apliquen una actividad de seguimiento en sus respectivos programas, y movilicen también el apoyo de todos los protagonistas de la cooperación, especialmente los pertenecientes al sistema de las Naciones Unidas, con miras a fortalecer la coordinación y cooperación internacionales en la esfera científica. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Reconocimientos Fernando J. Elizondo Garza* José Luis Arredondo Díaz** El martes 5 de marzo de 2002, en las instalaciones de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, con la presencia del Dr. Luis J. Galán Wong, Rector de la UANL; José Antonio González, Secretario General de la UANL; Cástulo Vela Villarreal, Director de la FIME; José Galván, Director de Operaciones en México de TÜV América y Fernando Ocampo Canaval, Presidente del Consejo Directivo del Consejo de Acreditación de la Enseñanza de la Ingeniería (CACEI), se realizó la ceremonia oficial de entrega de los documentos que avalan que la FIME-UANL fue Certificada de acuerdo a la Norma Internacional de la Administración de la Calidad ISO 9001-2000 y que 5 de sus carreras a nivel licenciatura fueron acreditadas por parte del CACEI. CERTIFICACIÓN ISO 9001-2000. A mediados del año 2001, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica decidió cristalizar el sueño de muchos años: que la administracion del proceso enseñanza-aprendizaje fuera certificada de acuerdo a la norma internacional de calidad ISO. TÜV América de México, con 132 años de experiencia y con sede en Munich, Alemania, fue la institución certificadora que seleccionó la FIME para lograr el reconocimiento internacional ISO 9001-2000. José Galván Garza, Director de Operaciones en México de TÜV, institución que trabaja en 150 países del mundo explicó: «Fue en febrero cuando se terminó el proceso de certificación con la realización de una auditoría cuyo resultado indicó que la FIMEUANL cumple con los requisitos para ser certificada de acuerdo a ISO 9001:2000 en todas las áreas que se sujetaron a auditoria, estas son: Académica, Administrativa, Servicios Financieros, Servicios Generales, Relaciones Públicas, Proyectos Especiales, Calidad, Dirección y Subdirección». Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 José Galván, Director de Operaciones en México de TÜV América hace entrega al Dr. Luis J. Galán Wong, Rector de la UANL y al MC Cástulo Vela Villarreal, Director de la FIME de la Certificacion ISO 9001:2000 a la FIME. Es así como TÜV América de México se convierte en un aval o fedatario público, con reconocimiento internacional, que da fe de que el sistema de administración de la calidad de FIME cumple con lo especificado en la norma internacional. El director de la FIME, MC Cástulo Vela Villarreal, indicó que «este logro es el resultado de la colaboración de todos: maestros, alumnos y administrativos», a quienes extendió su agradecimiento y agregó que «cada año deberá venir una delegación de la institución certificadora a constatar que se mantenga y mejore nuestro sistema de calidad». Con este reconocimiento La Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL se convirtió en la primera institución de educación superior en América que logra la certificación. * Secretario de Proyectos Especiales. FIME-UANL. ** Secretario de Relaciones Públicas. FIME-UANL. 59 �Reconocimientos ACREDITACIÓN LA FIME DE CARRERAS DE En tiempos en que la evaluación de programas educativos es clave en la búsqueda de la eficiencia en la formación de los egresados, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica consiguió que cinco de sus siete carreras fueran acreditadas por el Consejo de Acreditación de la Enseñanza de la Ingeniería, A.C. El CACEI, organismo público descentralizado, reconoció las carreras de Ingeniero Mecánico Electricista, Ingeniero Mecánico Administrador, Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones, Ingeniero en Electrónica y Automatizaciones e Ingeniero Administrador de Sistemas. «La acreditación es un reconocimiento público, de que un programa cumple con un conjunto de estándares y parámetros de buena calidad del quehacer académico cuyo objetivo fundamental es contribuir a mejorar la calidad en la educación superior de este país», señaló Fernando Ocampo Canaval. El presidente del Consejo Directivo del organismo entregó al Rector de la UANL, Dr. Luis J. Galán Wong y al MC Cástulo E. Vela Villarreal, Director de FIME, las constancias de acreditación de cada una de las carreras. Fernando Ocampo Canaval, Presidente del Consejo Directivo del Consejo de Acreditación de la Enseñanza de la Ingeniería (CACEI) hace entrega, al MC Cástulo Vela Villarreal, Director de la FIME y al Dr. Luis J. Galán Wong, Rector de la UANL, de las constancias de acreditación de las carreras ofrecidas por la FIME a nivel licenciatura. Entre los beneficios de la acreditacion se puede mencionar que dado que ésta avala el cumplimiento de altos estándares de calidad tanto en el quehacer educativo como en la infraestructura y administración de escuelas de ingeniería, los profesionales egresados son reconocidos por el sector empresarial. Para otorgar el reconocimiento, durante el mes de noviembre del 2001, integrantes de los Comités de Pares Académicos, conformados por evaluadores del CACEI, visitaron las instalaciones de FlME. Durante el proceso se revisaron los planes y programas de estudio, además realizaron entrevistas a directivos, profesores, administrativos, estudiantes y egresados, también se inspeccionaron los laboratorios, bibliotecas, salas de cómputo, instalaciones deportivas, entre otras. Cabe señalar que las otras dos carreras que imparte la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica: Ingeniero en Manufactura e Ingeniero en Materiales, son de reciente creación (2000), por lo que aún no cuentan con indicadores que justifiquen su acreditación. 60 El MC Cástulo Vela Villarreal, Director de la FIME-UANL agradeciendo a los alumnos, maestros y administrativos que hicieran posible obtener la Certificación ISO 9001:2000 y la acreditación de CACEI. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Agosto-Noviembre 2001 Roberto Villarreal Garza* Olimpia Guadalupe García Suárez, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “El funcionamiento de la educación superior”, 24 de Agosto de 2001. Pavel Valero Esparza, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Comportamiento en sistemas de potencia ante colapso de voltaje”, 4 de Septiembre de 2001. Miguel Ángel Ortega Vázquez, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Modelado y simulación dinámica de esquemas de cogeneración”, 24 de Agosto de 2001. Enrique Sotelo Gallardo, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Electrónica, “Diseño de balastras electrónicas con un alto factor de potencia”, 8 de Septiembre de 2001. Sandra Elizabeth Del Río Muñoz, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Investigación de mercados con desarrollo sustentado en software y tecnología”, 27 de Agosto de 2001. Margarito Segura Obregón, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Térmica y Fluidos, “Diseño de equipos de transferencia de calor”, 18 de Septiembre de 2001. Juan Luis Gámez Lozano, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Análisis de la falta de detectibilidad de fallas de los métodos de diagnóstico basado en observadores de estado”, 28 de Agosto de 2001. José Fernando Salazar Valdez, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Térmica y Fluidos, “Diseño de equipos de transferencia de calor”, 29 de Agosto de 2001. Edith Moreno Vargas, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Perfil del catedrático universitario ante una nueva formación de emprendedores”, 30 de agosto de 2001. Pedro Francisco Alor Sandoval, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Análisis de estabilidad de sistemas lineales invariantes en el tiempo”, 31 de Agosto de 2001. Daniel González Garza, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Sistemas de costo industrial”, 1 de septiembre de 2001. Ricardo Cabello Arredondo, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Electrónica, “Nueva administración de proyectos eléctricos de precio firme”, 24 de Septiembre de 2001. Teresa Ara Ground Romo, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “La asistencia, un factor importante para lograr la productividad”, 10 Octubre de 2001. Adriana Salas Zamarripa, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Simulación por elemento finito del comportamiento plástico de un acero de bajo carbono galvanizado” 12 de Octubre de 2001. José González Casanova, M.C. Administración, especialidad Investigación de Operaciones, “Manufactura esbelta en el sector maquilador”, 12 de Octubre de 2001. Javier Ismael Martínez, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Capacitación del personal para empresas del nuevo milenio”, 12 de Octubre de 2001. Juan Luis Gámez Lozano, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Sistemas de costo industrial”, 1 de septiembre de 2001. * Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Sub-Director de Postgrado de la FIME-UANL. 61 �Titulados a nivel Maestría en la FIME. Agosto-Noviembre 2001 Alejandro Rojas de León, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Creación y aplicación de un modelo de administración de proyectos y sus beneficios financieros y administrativos en una empresa de tecnología de información”, 25 de Octubre de 2001. Liborio A. Manjarrez Santos, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Implementación de lean manufacturing en la línea número 7 de la compañía Hoffman planta Reynosa”, 29 de Octubre de 2001. Arnulfo Pérez Rivera, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Conducción del desarrollo profesional de liderazgo en las organizaciones”, 29 de octubre de 2001. Martina Elia Guajardo Pérez, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “El impacto académico de las fallas de las computadoras en el nivel medio superior”, 29 de Octubre de 2001. Armando Tijerina Rodríguez, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “El impacto académico de las fallas de las computadoras en el nivel medio superior”, 29 de Octubre de 2001. 62 Juan José Rodríguez Salinas, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Modelos matemáticos del sida”, 30 de Octubre de 2001. Everardo García Montelongo, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Calidad de vida en el estudiante universitario”, 30 de Octubre de 2001. Francisco Javier Camacho Villanueva, M.C. Ingeniería Mecánica especialidad Materiales, “Estudio electroquímico de aceros aleados al manganeso embebidos en mortero para la determinación de resistencia a la corrosión”, 31 de Octubre de 2001. Omar Méndez Zamora, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Modelado de elementos en sistemas eléctricos de potencia para estudios sobre energización”, 2 de Noviembre de 2001. Eliut López Toledo, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Diseño de un observador backstepping para un robot con articulación rotatoria flexible”, 9 de Noviembre del 2001. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME DRA. OXANA VASILIEVNA KHARISSOVA Nombre de la tesis: Influencia del hierro en la estructura del espinel en el sistema MgO-Al2O3-Fe2O3 sinterizado en horno convencional y mediante microondas. Fecha de examen: 13 de Julio 2001 Asesor: Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Nació en la URSS el 25 de febrero de 1969 En 1993 obtiene la Licenciatura en Geoquímica con Especialidad de Cristalografía, en la Universidad Estatal de Moscú de M. V. Lomonosov. Título de la tesis: Crecimiento de cristales de heptatantaloniobatos en fase “fundida-sólida”. Obtuvo la Maestría en Ciencia de la Cristalografía en 1994, en la Universidad Estatal de Moscú de M. V. Lomonosov. Título de la tesis: Cristalización de la “solución-fundida”del corundum. De 1994 a 1995 fue Investigadora en la Universidad Estatal de Moscú de M.V. Lomonosov. Desde 2001 es Profesora-Investigadora, en la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL. Título obtenido: Doctorado en Ingeniería de Materiales. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Resumen: La obtención y estudio de materiales refractarios es muy importante, porque estos materiales se utilizan en estructuras capaces de soportar altas temperaturas. La eficiencia en los procesos actualmente exige condiciones de operación cada vez más severas en la industria del acero. En este trabajo se realizaron los estudios de un material refractario al que llamamos espinela (MgAl2O4) con la presencia de hematita durante el procesamiento. Además se estudió la influencia de la energía aportada de manera convencional o mediante microondas sobre esta interacción hierro-espinela. Las muestras fueron analizadas mediante difracción de rayos-X, microscopía electrónica de barrido (MEB) y microscopía de fuerza atómica (MFA). En todos los casos la producción de espinela en el horno convencional y mediante microondas se mejora con la presencia de hierro, hasta una concentración y un tiempo de procesamiento que depende del modo de calentamiento. Los resultados obtenidos muestran que la presencia de hematita permite un mayor sinterizado de la espinela para ambos tipos de calentamiento y en el calentamiento de las muestras mediante microondas permite alcanzar una temperatura más alta en un tiempo menor. Se observó que la producción de espinela MgAl2O4 en un horno convencional está influenciada por la presencia de hematita y se manifiesta por una variación del parámetro de la celda que va de 8.00831Å a 8.030Å. 63 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME DRA. ANA MARÍA GUZMÁN HERNÁNDEZ Egresada de la carrera de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México en enero de 1989. Ingresó al Departamento de Ciencia de Materiales de la Escuela Superior de Física y Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional donde obtuvo el título de Maestra en Ciencias con Especialidad en Ciencia de los Materiales en agosto de 1993. Ha laborado en Investigacion y Desarrollo en las empresas Refractarios Mexicanos, S.A de C.V (19951997). Título obtenido: Doctor en Ingeniería de Materiales. Nombre de la tesis: Sinterización de Materiales Refractarios base Alúmina-Zirconia-Sílice. Fecha de examen: 5 de Abril de 2001. Asesor: Dra. Patricia Rodríguez López Resumen: El trabajo se ha enfocado en la sinterización de formulaciones refractarias base AZS con bajo contenido de ZrO2, con el propósito de obtener un refractario de menor costo con propiedades 64 semejantes a las de los productos actuales. En el laboratorio se sinterizó una serie de composiciones AZS variando la cantidad de ZrO2 y tomando en cuenta a la composición comercial (37% ZrO2), por otro lado, se utilizaron SiC, TiC y MgO. La experimentación se llevó a cabo en cuatro etapas: en la primera, se desarrollaron 7 formulaciones entre las que se incluyeron adiciones de SiC, TiC y MgO, sinterizadas a 1200 y 1450ºC durante 12, 18, 24 y 48 horas para optimizar temperaturas y tiempos de reacción, favorecer el proceso de sinterizado y, por lo tanto, la formación de fases refractarias como mullita (3Al 2O 3.2SiO 2) en la formulación AZS con ZrO2, menor al 37%. En la seguda etapa, se prepararon muestras AZS con dos materiales (arcilla y methocel) cuya función es favorecer la liga o unión entre las partículas de las materias primas; se cambió la fuente de sílice, de arena sílica (de 150µm) a sílica fume (<45µm) para conocer como influye el tamaño de partícula durante el prensado y la sinterizaciòn. A partir de los resultados obtenidos, se realizó una tercera etapa en la que se trabajó con 3 formulaciones con alto y bajo contenido de ZrO2, así como con adiciones de SiC para realizar una prueba estática de penetración y ataque por vidrio fundido observándose un buen comportamiento con el material con bajo contenido deZrO2. Durante la cuarta etapa se prepararon 2 formulaciones modificando las proporciones de alúmina, zirconia y sílica fume, para evaluar el comportamiento de esto se realizó una prueba estática de penetración y ataque por vidrio fundido observándose, nuevamente, un buen comportamiento con el producto de bajo contenido de ZrO2, por lo que se considera que este puede ser utilizado como revestimiento refractario en hornos para fusión. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME DR. CARLOS JAVIER LIZCANO ZULAICA Resumen: Los resultados de un proyecto de desarrollo de aceros doble fase para mejorar la resistencia a la corrosión de la varilla de refuerzo en estructuras de concreto promovieron la profundización en el trabajo con un nuevo enfoque de carácter mecánico. Los aceros doble fase, cuya microestructura consiste de una matriz de ferrita con partículas de martensita, han recibido una gran atención debido a su útil combinación de alta resistencia y buena ductilidad. Sin embargo, muy poco estudio se ha realizado para clarificar el factor controlante que afecta las propiedades mecánicas de la estructura. Nació el 24 de julio de 1951 en Monterrey, N. L., México. Licenciatura 1968-1973. Egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León en 1973 como Ingeniero Mecánico Electricista. Obtuvo la maestría en Ciencias en Ingeniero Mecánico con especialidad en Materiales en 1996. Posee vasta experiencia en la industria siderúrgica y ha sido catedrático de la FIME en el área de Diseño y Resistencia de Materiales. Título obtenido: Doctor en Ingeniería de Materiales Nombre de la tesis: Comportamiento mecánico y microestrutural de aceros doble fase. Fecha de examen: 1 de Junio de 2001. Asesor: Dr. Rafael Colás Ortíz Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 No se ha puesto atención al hecho de que estos materiales tienen un alto límite de proporcionalidad y endurecen en frío inmediatamente sin exhibir el fenómeno discontinuo de cedencia. Por eso, la solución al problema es desarrollar una fórmula empírica en la cual sean consideradas las propiedades anteriores. El objetivo del trabajo es la caracterización de las propiedades mecánicas de dos nuevas familias de aceros aleados al silicio y al manganeso, así como el desarrollo de un modelo predictivo de las propiedades mecánicas en función de la microestructura. Las hipótesis planteadas son: La aplicación del análisis modificado Crassard-Jaoul basado en la fórmula de Swift, permite describir el comportamiento deformación-endurecimiento. El comportamiento mecánico puede caracterizarse por medio de una ley de las mezclas y puede explicarse por medio de correlación múltiple con las características de las fases metalográficas. 65 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME DR. FRANCISCO ROMAN ANGEL BELLO ACOSTA Nacido en Ciego de Ávila, Cuba e1 29 de Octubre de 1961. Es egresado de la Universidad Estatal de Daguestán, Rusia. Grados obtenidos: Licenciado en Matemáticas y Maestro en Ciencias Físico-Matemáticas con especialidad en Ecuaciones Diferenciales, en 1985. Experiencia profesional: Maestro de Tiempo Completo del Departamento de Matemáticas de la Universidad de Camagüey desde 1985 hasta 1997. Profesor Invitado en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Angola, desde 1988 hasta 1990. Actualmente profesor de planta del departamento de Ingeniería Industrial del ITESM, Campus Monterrey. Título obtenido: Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas Nombre de la tesis: Nuevo enfoque en el diseño y entrenamiento de redes neuronales para la clasificación. Fecha examen: 9 de febrero 2001 Asesor: Dr. José Luis Martínez Flores 66 Resumen: En este trabajo se tratan tres de los problemas fundamentales en el aprendizaje de redes neuronales artificiales de propagación hacia adelante: 1) Determinar la cantidad de neuronas en la capa oculta para que una red neuronal pueda clasificar un conjunto de patrones, 2) Obtener un algoritmo de entrenamiento, con menor cantidad de operaciones de punto flotante que las diferentes variantes del algoritmo de retropropagación del error y 3) Desarrollar un algoritmo de entrenamiento para redes neuronales clasificadoras de memoria entera. Como solución al primer problema, a partir del análisis de los espacios de patrones y de pesos, se diseñó un algoritmo que determina la cantidad de neuronas en la capa oculta para clasificar un conjunto no contradictorio de patrones en dos clases. Se determina, en cada iteración, un hiperplano que separa la mayor cantidad de patrones de una misma clase. Para resolver el segundo problema, se diseñó un algoritmo para entrenar una red con funciones continuas de activación con un número de operaciones muy inferior al de las diferentes variantes del algoritmo de retropropagación del error. Se toma como memoria inicial, la obtenida de la red del problema anterior y es aplicable al filtrado de señales, donde el objetivo es minimizar una función de error cuadrático. Por último, se estudia el problema de entrenamiento de una red neuronal de memoria entera para clasificar un conjunto de patrones en dos clases. Utilizando los procedimientos se desarrollaron para el diseño de la red, se obtienen diferentes hiperplanos separadores y se selecciona el hiperplano que separa la mayor cantidad de patrones de una misma clase. La importancia de este algoritmo de entrenamiento está en que las redes de memoria entera son muy económicas en sus diferentes formas de implementación. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Acuse de recibo Revista BOLETIN INDUSTRIAL Revista SCIENCE Editorial Nova publica mensualmente Boletín Industrial “Publicidad de empresa a empresa” la cual contiene anuncios de una gran variedad de productos dirigidos al ámbito industrial. El formato de esta publicación; basado en anuncios con imágenes descriptivas, y un índice de productoempresa, permite su rápida revisión, pudiéndose solicitar la información de su interés devolviendo la “tarjeta de servicio al lector” con sus datos y el número correspondiente al producto, o contactando directamente al anunciante, dado que cada empresa proporciona su teléfono, fax, e-mail y/o página de Internet. El número 5557 (8 febrero 2002) de Science ofrece como tópico central los últimos adelatos en Biónica en el dossier Bodybuilding: The Bionic Human. La reseña histórica que abre la serie de artículos abarca desde el desarrollo de la primera prótesis de mano con dedos articulados hecha de hierro en 1504, hasta la reciente implantación exitosa del primer corazón artificial en 2001. L. Hench y J. Polak discuten los Biomateriales de tercera generación, que actualmente se diseñan para estimular respuestas celulares específicas a nivel molecular, entre estos revolucionarios materiales se cuentan vidrios bioactivos para reparar defectos óseos. Este boletín de gran utilidad para estar al día, en cuanto a maquinaria y equipos industriales se distribuye gratuitamente y puede solicitar información sobre la misma vía e-mail en la dirección bolind@iwm.com.mx o en la página www.boletinindustrial.com donde también puede encontrar este boletín en versión electrónica. Entre los artículos de investigación de vanguardia, Evans y coautores reportan el desarrollo de una microsonda magnética de difracción de rayos-X que permite visualizar la estructura y evolución de dominios magnéticos individuales en monocristales de cromo a escala micrométrica. www.sciencemag.org (FJEG) (MHR) Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 67 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Profesor investigador del Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la UANL. Obtuvo su licenciatura y su maestría en el Instituto Tecnológico de Saltillo y el doctorado en Ingeniería de Materiales en la UANL. Realizó una estancia de investigación en el Centro para Recursos Energéticos y Ambientales de la Universidad de Texas en Austin. Es miembro del SNI nivel I. Arredondo Díaz, José Luis Ingeniero Mecánico Administrador por FIME, UANL. Maestría en Ciencias de la Administración con especialidad en relaciones industriales. Ha sido maestro en FIME desde 1980. Actualmente es Secretario de Relaciones Públicas en la misma facultad. Elizondo Garza, Fernando Javier Ingeniero Mecánico Electricista egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Diplomado en Administración de Tecnología en el CINVESTAV del IPN. Maestría en Ingeniería Ambiental en la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. Es catedrático y consultor de la FIME y director de la revista Ingenierías. Guerrero Salazar, Carlos Alberto Es egresado de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL, donde también estudió la Maestría en Ciencias. Doctor en Ingeniería Química por la Ecole Politecnique de Canadá. Miembro del SNI nivel 1. Asesora a diferentes industrias de Monterrey en el área de plásticos y vidrio. Es Maestro de la FIME de la UANL. Ganador del Premio de Investigación UANL 1999 en el área de Ingeniería y Tecnología. González González, Virgilio A. Egresado de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Maestría en química orgánica y doctorado en ingeniería de materiales. Ha sido jefe del Departamento de Macromoléculas y del de Fisicoquímica en el Centro de Investigaciones en Química Aplicada de Saltillo, Coahuila. Es profesor de tiempo completo en la FIME. 68 Gutiérrez Lazos, Claudio Davet Estudió la carrera de Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas en la Universidad Autónoma de San Luis Potosí y la Maestría en Ciencias en el Departamento de Física del Centro de Investigaciones y de Estudios Avanzados en Zacatenco. Actualmente es estudiante del Doctorado en Ingeniería Física Industrial de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL. Hinojosa Rivera, Moisés Egresado de la FIME-UANL, obtuvo maestría y doctorado en Ingeniería de Materiales en la misma institución. Postdoctorado en el Instituto de Estudios e Investigaciones Aeroespaciales de Francia. Ganador del Premio de Investigación UANL 1996. Es investigador de tiempo completo en la FIME desde 1998. Kharissova, Oxana Vasilievna Graduada como Geoquímica con especialidad en cristalografía en la Universidad Estatal de Moscú, donde realizó su maestría en la misma especialidad. Realizó su doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Desde Agosto de 2001 es investigadora de la FCFM de la UANL. Loverde, Lorin Obtuvo Licenciaturas en Filosofía y Psicología en la Universidad de Wisconsin en 1965. Maestría en Artes por la San Francisco State University en el área de Creative Writing en 1968. Estudios de Doctorado ABD en Filosofía Religiosa en la Columbia University. Ha sido profesor en la University of Maryland Campus Heidelberg en Alemania, en el Schiller College en Heidelberg en Alemania, en el Pratt Institute en Nueva York, en la California Lutheran University. Actualmente es profesor del ITESM y director de la empresa Express English. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �Colaboradores Mata Cabrera, Francisco Ingeniero Industrial e Ingeniero Técnico de Minas por la Universidad de Castilla-La Mancha. Diplomado en Ingeniería de materiales por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Master en Evaluación de Impacto Ambiental por el Instituto de Investigaciones Ecológicas de Málaga, Experto Universitario en Educación por la UNED. Es profesor Asociado en el Área de Ingeniería Mecánica en la Escuela Universitaria Politécnica de Almadén. Morones Ibarra, J. Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la UANL. Obtuvo su doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es maestro de la Facultad de Ciencias Físico-Matemátias de la UANL. Ortiz Méndez, Ubaldo Egresado de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencia de Materiales en la Universidad Claude Bernard de Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, y miembro del SNI nivel 1. Recientemente obtuvo el Reconocimiento al Mérito Tecnológico TECNOS 2000. Quintero Flores, Raúl Gerardo Ingeniero Mecánico Electricista egresado de la UANL. También es licenciado en Matemáticas por la misma institución. Ha cursado las maestrías en Ciencias en Ingeniería Eléctrica y en Ciencias en Ingeniería Mecánica en el Massachusetts Institute of Technology. En honor a sus contribuciones a la tecnología y a la Educación, la UANL lo distinguió con el grado de «Doctor en Ingeniería Honoris Causa». Fue Fundador y Director de la Escuela de Graduados de la FIMEUANL. Es director general de la División de Tecnología de HYLSA. Es miembro del Consejo de la Fundación México-Estados Unidos para la Ciencia. Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias, egresado de la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica especialidad en Materiales por la FIME-UANL, donde actualmente realiza un Doctorado en Ingeniería de Materiales. Ganador del Premio a la Mejor Tesis de Maestría UANL 1999 y ganador del premio de Investigación UANL 1999, ambos en el área de Ingeniería y Tecnología. Rojas Garcidueñas Manuel Biólogo egresado de la UNAM. M Sc por la University of Minnesota; profesor emérito del ITESM. Ha sido profesor de fisiología vegetal. Autor de varios libros de su especialidad, de una historia de la ciencia y un libro de difusión: De la vida de los planetas y de los hombres, así como de más de 30 artículos de investigación y académicos. Ha sido profesor en la Facultad de Biología de la UANL. Pertenece a la Academia Mexicana de Ciencias. Santos Guevara, Ayax Ingeniero Físico Industrial del ITESM. Actualmente es estudiante del doctorado en la Facultad de Ciencias Físico- Matemáticas de la UANL. Areas de interés: mecánica cuántica y física matemáticas. Valdez Nava, Zarel Ingeniero Mecánico Metalúrgico, por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Premio a la mejor tesis de licenciatura de 1999 en el área de Ingeniería y Tecnología. Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales en diciembre de 2001. Actualmente realiza sus estudios de Doctorado en la FIME. Villarreal Garza, Roberto Ingeniero Mecánico Electricista por la FIME-UANL, 1970. Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Térmica y Fluidos. Reconocimiento por parte de la American Society of Mechanical Engineers como Faculty Advisor. Catedrático de la FIME-UANL desde 1969. Profesor de la División de Estudios de Postgrado desde 1977. Actualmente es Sub-Director de Postgrado de la FIME-UANL. 69 �Información para colaboradores Se invita a profesores e investigadores de las diferentes áreas de la ingeniería a colaborar en la Revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes de eventos, convocatorias, etc. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras. Deberán incluirse un máximo de 5 palabras clave tanto en español como inglés. Las referencias irán numeradas en el orden que fueron citadas en el texto. Las colaboraciones deberán estar escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. No deberá ser en primera persona. Las fichas bibliográficas incluirán los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Solamente se aceptarán trabajos en inglés de personas cuyo primer idioma no sea el español. Deben incluirse al menos 3 imágenes o gráficas en blanco y negro, originales. Todos los artículos recibidos serán sujetos a arbitraje tipo doble anónimo siendo inapelable el veredicto de los revisores. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio del CEDIMI, 3er. piso. Tel.: 8376-8580 y 8376-1614 Ext. 131 Fax: 8376-2963 y 8332-0904 E-mail: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar, para su consideración editorial, un original y copia del artículo, así como un disquete de 3 ½” con el archivo del mismo en formato .doc de Word, originales de material gráfico, y fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras. Los artículos deben remitirse a Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio del CEDIMI, 3er. piso, A. P. 076 “F”, Cd. Universitaria, San Nicolás, C.P. 66450, N.L., México. El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por artículo es cuatro. La extensión de los artículos no deberá exceder de 7 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. 70 Ingenierías, Abril-Junio 2002, Vol. V, No. 15 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2002 Volumen Volumen de la revista 5 Número Número de la revista 15 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2002, Vol 5, No 15, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2002 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020778 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Efecto catalítico Energía nuclear Morfología de cristales Nucleación Transductores de fuerza https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20737/Ingenierias_2002_Vol_5_No_14_Enero-Marzo.pdf e888d57465017f74aae3d2eedb5ac3c3 PDF Text Text ���Editorial Alrededor de la evaluación de la calidad de la educación en México Juan Antonio Aguilar Garib* A raíz de los resultados del estudio del Programa Internacional de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE)1 sobre el Seguimiento de los Conocimientos de los Alumnos, en el que se concluye que México posee uno de los estándares educativos más bajos del mundo, ha surgido una voz casi unánime que clama que la educación en nuestro país no es de la calidad adecuada.2 Aunque los desplegados en los periódicos han sido contundentes3 al acusar al gobierno de “Esconder la calificación reprobatoria”, es innegable que la Secretaría de Educación Pública pretende poner manos en el asunto cuando su titular asegura que habrá una mejoría en el área de matemáticas en el 2003 y que será aún 4 más clara en el 2006. Lo que significa que el rezago educativo ha sido reconocido desde hace tiempo y que las estrategias que la SEP ha descrito en repetidas ocasiones ya se encuentran de hecho en marcha. Sin embargo antes de promover un panorama aciago quisiera hacer algunos comentarios sobre el entorno actual. El proceso de globalización no ha sido solamente económico, también ha traído como consecuencia que los países comiencen a compararse entre ellos en otros aspectos, tales como el tecnológico, el social y por supuesto el educativo. Para calificar a la educación se necesita saber cuál es la razón por la que una persona o un pueblo debe educarse. No podemos dejar de observar el desarrollo que han tenido, especialmente en materia económica, los países que han dado apoyo decidido a la educación y de paso lo mencionaré también aquí, a la generación de conocimiento. Continuamente se llevan a cabo seminarios, cursos, diplomados y simposios sobre el proceso de evaluación del conocimiento, sin que se haya llegado a un método determinista que lo cuantifique, aunque no hay que negar que de modo estadístico sí se * Profesor investigador del Programa Doctoral en Materiales de la FIME-UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 3 �Alrededor de la evaluación de la calidad de la educación en México logra. La educación que recibe un individuo no solamente proviene de los instructores, sino del medio y muchas veces los exámenes no toman en cuenta esta fuente de información externa. También hay que tener presente que la educación se transmite de modo menos efectivo que la cultura, ya que en ésta se logran pasar los valores, el folklore, los paradigmas y los mitos. Cuando leí en un periódico de la localidad: Orientales “nerds”; mexicanos “burros”5 sentí molestia porque tuve la fortuna de conocer orientales y mexicanos trabajando en un laboratorio en el extranjero, y me consta que los trabajos que allí se realizaban eran de calidad similar. Los mexicanos no tenemos ningún problema de capacidad, en muchos casos solamente es una cuestión de desinterés o apatía, por lo que seguramente hay elementos de verdad en la observación que hace la OCDE al decir que los mejores resultados se obtienen cuando los maestros tienen expectativas elevadas y un espíritu positivo y que las relaciones maestro-alumno y la disciplina son satisfactorias.1 Tal vez padecemos el hábito de abusar del ingenio, pues creemos que cualquier situación que se nos presente como quiera la resolveremos. Volviendo al clamor de que la educación en México es mala, y sin afán de descalificar el trabajo llevado a cabo por los organismos participantes, quiero decir que las generalizaciones tienen la particularidad de fomentar los mitos. Mientras estoy leyendo una noticia en el periódico que dice: “Truena” México en evaluación educativa,6 no puedo evitar pensar en las personas que fueron educadas por este sistema que hoy se descalifica, y que han convertido, para bien o para mal, al México de los años 50 en lo que es hoy en día. Tampoco puedo evitar pensar en los «paisanos» que han logrado salir adelante con la primaria mexicana en Estados Unidos, que se supone que es uno de los países más desarrollados del mundo. Y también a quienes con esa misma preparación básica han prosperado y se han convertido en parte importante de la economía nacional. Aunque el entorno que se vislumbra es difícil, hay ciertas señales que pueden ayudar a disipar las nubes del pesimismo, y me voy a referir particularmente a dos. La primera de ellas corresponde al momento en que se acepta que la educación es prioritaria y que está ligada al desarrollo de un país. Surge entonces la ya famosa hazaña educativa del presidente Zedillo7 y durante la campaña electoral pasada los partidos políticos tomaron, como una de sus banderas el aspecto educativo, manifestando de modo explícito su prioridad y el compromiso del estado en esta materia.8 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Juan Antonio Aguilar Garib La segunda señal proviene del compromiso que se propone la SEP,4 su estrategia global que se dirige a los alumnos, directivos y padres de familia puede dar resultado, porque de alguna manera significa un intento para modificar la cultura. Queda claro que los mexicanos no podemos eludir esta responsabilidad en la mejora del nivel educativo, ya que lo que un individuo aprende proviene de la escuela y de su medio ambiente, por no decir los padres, la televisión, el cine, los amigos. Educar con el ejemplo es una de las tareas más difíciles de llevar a cabo e involuntariamente todos nos educamos mutuamente durante nuestra vida. Dada la importancia que reviste el aspecto educativo en el entorno competitivo, no es de extrañar que el Presidente de México proponga que la educación se certifique externamente,9 aunque nuestro país debe ser participativo en el sistema que se utilice para evaluar. Por último deseo mencionar que la congruencia en el sistema es indispensable; si el Plan Nacional de Desarrollo establece la importancia de la educación, si los partidos políticos han establecido que la educación es prioritaria, si el gobierno dice que es necesario aumentar los recursos en materia de educación, incluso el director general de la UNESCO ha advertido al Presidente de México que “Sin mayores recursos no habrá mejoría en la calidad”.10 Si como población entendemos su importancia, aunque sea someramente cuando decimos que enviamos a nuestros hijos a la escuela “para que sean alguien en la vida”, si hemos aprendido la lección que esta evaluación nos enseña, entonces no hay ninguna razón para que cuando compitamos nuevamente no se vean cumplidas las expectativas que tenemos de nosotros mismos. Diego Rivera: La maestra. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 5 �Alrededor de la evaluación de la calidad de la educación en México REFERENCIAS 1.- El estudio PISA de la OCDE, París, Francia, 4/Dic/2001. 2.- Ivonne Melgar.- Reprueba México calidad educativa, El Norte, 4/Dic/2001. 3.- Carlos Reyes, Claudia Guerreo.- Indagarán motivo para ocultar información, Grupo Reforma, 15/Oct/2001. 4.- Carlos Reyes.- Esperan hasta 2006 mejorar evaluación, El Norte, 4/Dic/2001. 5.- Ivonne Melgar.- Orientales “nerds”; mexicanos “burros”, El Norte, 15/Oct/2001. 6.- Mónica Delgado.- “Truena” México en evaluación educativa. El Norte, 4/Dic/2001. 7.- Daniel Pastrana.- La hazaña que nunca llegó, La Jornada, 18/Jun/2000. 8.- La Jornada, Observatorio Ciudadano de la Educación, Comunicado 35, La Jornada, 4/Jul/2000. 9.- Mayolo López.- Propone Fox certificar educación, El Norte, 5/Dic/2001. 10.- Ivonne Melgar.- Asesora UNESCO en educación, El Norte, 4/Dic/2001. Del 15 de Octubre a la fecha ha habido un sinnúmero de artículos periodísticos al respecto. SITIOS DE INTERÉS: • • • • • • • • 6 Centro de la OCDE en México (http://rtn.net.mx/ocde) Secretaría de Educación Pública (http://www.sep.gob.mx) Presidencia de la República (http://www.presidencia.gob.mx) Plan Nacional de Desarrollo 2001-2006 (http://pnd.presidencia.gob.mx/pnd/cfm/ index.cfm) Cámara de Diputados (http://camaradediputados.gob.mx) Organisation for Economic Co-operation and Development (http://www.oecd.org) Programme for International Student Assessment (http://www.pisa.oecd.org) Third International Mathematics and Sciences Study (http://nces.ed.gov/timss) Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Síntesis de nanotubos y fullerenos Eder Zavala López, Oxana Vasilievna Kharissova* Abstract A summary on the discovery of fullerenes is presented, and they are depicted as a new allotropic form of pure carbon. The geometrical structure of the fullerenes and the C60 molecule is shown. It is explained what fullerid compounds and nanotubes are, and it is mentioned how the latter can be produced by a thermal chemical acetylene vapor deposition. The importance of fullerenes on scientific research is discussed, as well as their present and future technical applications. Keywords: fullerenes, nanotubes, fulerid compounds, sintering, application of fullerenes. INTRODUCCIÓN Desde hace varios años, los científicos especializados en las áreas de química y ciencia de materiales han aprendido bastante sobre la estructura y propiedades del carbono en sus dos formas alotrópicas conocidas: el grafito y el diamante, los cuales, a pesar de estar conformados enteramente por átomos de carbono, presentan propiedades muy singulares y diferentes entre ellos, y que son prueba de la importancia del arreglo geométrico molecular que determina las propiedades de los materiales en la naturaleza.1 Por experiencia, el grafito no es un material fuerte, el uso a nivel mundial de lápices con mina de grafito provee esta experiencia. Sin embargo, esto es a nivel macroscópico. En dimensiones del rango de los nanómetros (el rango del diámetro de las moleculas que discutiremos) no son posibles las imperfecciones y fracturas que presenta el material a nivel macroscópico. Pero en el año de 1985 se halló un hito, los investigadores Harold Kroto y otros de la Universidad Rice de Houston, Texas, descubrieron una tercera forma alotrópica de carbono2, se trataba de una sustancia donde cada molécula poseía sesenta átomos de carbono.3,4 Dichos investigadores estudiaban las condicio- Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Fig.1. La estructura de fullereno C60. nes suscitadas en las proximidades a las estrellas gigantes rojas3 (una de las últimas fases de la evolución estelar), y descubrieron la molécula de C60 a partir del espectro de absorción de polvo interestelar. Hallar un arreglo geométrico estable para tal molécula es todo un reto, pero finalmente se logró al representar el C60 en forma de una estructura molecular parecida a un balón de fútbol soccer. La estructura del C60 se confirmó en 1991.4 En el C60 cada átomo de carbono se encuentra unido a otros tres formando una red (un enlace doble y dos sencillos), sólo que, a diferencia del grafito, la red no estará en un plano bidimensional, sino en uno tridimensional y de forma esférica, de manera que para poder cerrar la red, los átomos de carbono enlazados formarán hexágonos y pentágonos unidos por sus lados, precisamente como lo están en un balón de fútbol soccer (figura 1). A esta molécula tan peculiar, originalmente se le dio el nombre de Buckminsterfullerenos, para hacer referencia al arquitecto norteamericano Richard Buckminster Fuller (1895-1983), diseñador de los “domos geodésicos”, los cuales son cúpulas esféricas de cristal fabricadas en base a láminas de vidrio en forma pentagonal y hexagonal unidas por sus lados. Actualmente, por comodidad, al C60 se le denomina únicamente Fullereno 3,4 * Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, UANL E-mails: ederz@hotmail.com , oxanavkh@fcfm.uanl.mx 7 �Síntesis de nanotubos y fullerenos Los fullerenos son mucho más abundantes de lo que pensamos, incluso es posible que sean más abundantes que el grafito y el diamante; los podemos hallar en el humo y el hollín de combustiones, los hallamos al estudiar las estrellas y el espacio interestelar, o bien en las capas terrestres que nos muestran las eras geológicas del planeta, también se han hallado fullerenos en los meteoritos que caen a la Tierra, como los encontrados en el que cayó en la localidad de Allende en México, el 8 de febrero de 1969.4 Se cree que los fullerenos presentes en meteoritos, fueron captados debido a restos de estrellas extintas depositados sobre el meteorito. Últimos estudios también señalan que cada organismo vivo presenta cierta cantidad de fullerenos en su composición química; todos estos hechos, aunados a las demás propiedades del C60 descubiertas hasta hoy, nos dan una noción del extenso campo de estudio y de las numerosas líneas de investigación que pueden nacer alrededor del estudio de los fullerenos. ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS FULLERENOS Y NANOTUBOS Los fullerenos son moléculas grandes como esferas. El más común es el C60, pero los hay de más carbonos como son, entre otros, el C70, C76, C84, C240, C540 y C960, y también los hay de menos como el C32, C44, C50 y C58,3 los cuales por lo general presentan un arreglo geométrico cuasi esférico o en forma de elipsoide. En 1991 se detectó una forma más de carbono, el “nanotubo”. Un nanotubo es un fullereno muy grande en forma lineal5-7 como se ve en la Figura 2. Como se mencionó anteriormente, la C60 posee sesenta átomos de carbono, los cuales están enlazados en una red esférica de 12 pentágonos y 20 exágonos, lo cual confiere a la molécula una simetría muy alta. La C60 presenta 120 operaciones de simetría como son rotaciones de eje o reflexiones en el plano, lo cual, hace a la C60 la molécula más simétrica que existe. Al hacer esto, los heptágonos pasan a ser im- 8 Fig.2. La estructura de un nanotubo. perfecciones que proveen la concavidad necesaria en algunas estructuras, de ahí que se les trate como defectos en el material. Los fullerenos y nanotubos satisfacen el teorema de Euler (1).5 El teorema relaciona el número de vértices (v), enlaces covalentes o bordes (e), y caras (f): V-e+f=2 (1) Si el número de pentágonos es p, y las otras caras (f-p) son todas hexagonales, entonces el número duplicado de bordes (ya que cada uno pertenece a ambas caras) es: 5p + 6(f-p) que también es igual al número de vértices triplicado, por los átomos que se encuentran en la vecindad de tres caras. Esto nos lleva a que p=12, y un nanotubo sin imperfecciones debe tener 12 pentágonos, tal y como ocurre con el C60. El patrón hexagonal en su superficie se debe al grafito en sí.8 La hipótesis es que las estructuras pseudo esféricas con poliedros de (n/2 + 2) caras, de las cuales 12 son pentagonales y el resto son hexagonales. La estructura obedece la necesidad de crear elementos perfectamente simétricos. Las redes hexagonales se cierran sobre sí. La estabilidad de 2+ C n se ha encontrado para n= 74, 80, 82, 86, 88... De la secuencia de fullerenium con n= 60 + 6k con la condición de que k ≠1. Para crear nanotubos se toma un C60, se corta a la mitad y se insertan como anillo 10 átomos de carbono. Así se obtienen estructuras en incrementos de 10, C60, C70, C80....etc. (figura 3). Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Eder Zavala López, Oxana Vasilievna Kharissova Las moléculas de fullerenos tienen un diámetro de 7 a 15 Å, o sea de 6 a 10 veces mayor que el diámetro de un átomo típico. Además, los fullerenos son bastante estables, para desbaratar la molécula se requieren temperaturas mayores de 1000°C (la temperatura exacta depende del número de átomos de carbono del fullereno); a temperaturas más bajas, cierta cantidad del fullereno se sublima sin desbaratar las esferas, ésta propiedad se aprovecha para la generación de cristales y de películas finas de fullerenos. Se ha observado que las moléculas C60 se combinan formando un sólido cristalino con propiedades interesantes. Este sólido tiene una estructura cúbica y se comporta (en contraposición con la propiedad conductora del grafito) como un aislante eléctrico (con una diferencia de energía de alrededor de 2.3eV). Arriba de -13ºC las moléculas rotan libremente en sus posiciones cristalinas, por eso parecen esferas lisas. A temperaturas más bajas, éstas comienzan a fijarse en orientaciones definidas. Abajo de -183ºC, las “esferas” se tornan completamente inmóviles. Algunos aspectos de este proceso de enfriamiento todavía no están claros. La propiedad química del carbono de proveer cuatro electrones de valencia al unirse con tres vecinos hace posibles las estructuras mencionadas. Tres átomos se encuentran pareados y asignados a un átomo en particular, el cuatro es compartido por todos en el arreglo. Esto permite que los fullerenos conduzcan electricidad. Químicamente la C60 es muy electronegativa y forma fácilmente compuestos con átomos donadores de electrones. Una combinación obvia es la C60 y un metal alcalino como el potasio o el rubidio, ya que los metales alcalinos son muy electropositivos.3 Últimas investigaciones muestran ya la combinación exitosa del C60 con el magnesio. Fig.3. La secuencia de fullerenos. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 El C60 se presenta en forma de un polvo amarillento que torna a rosa al disolverse en solventes definidos como el tolueno. Al exponerla a luz ultravioleta intensa como la del láser, sus moléculas se polimerizan formando enlaces entre las esferas cercanas. En el estado de polímero, la C60 ya no se disuelve en tolueno, lo cual significa que la molécula es fotosensible.3 Todas estas propiedades han generado numerosas aplicaciones y han abierto nuevos horizontes en la investigación sobre fullerenos. 9 �Síntesis de nanotubos y fullerenos COMPUESTOS FULÉRIDOS Y OTRAS PECULIARIDADES Numerosos científicos consideran ya que el estudio de los fullerenos representa una nueva revolución en la investigación científica como la que una vez representó el descubrimiento del benceno y los demás hidrocarburos aromáticos. Incluso se estudian actualmente, como nueva rama de la química, las nuevas familias de moléculas basadas en los fullerenos, como es el caso de las “fuleritas”, que son sólidos producto de la unión débil de moléculas de C60 condensadas. Si los átomos de elementos alcalinos (A: K, Rb, Cs, Na) se añaden a las fuleritas, se forman nuevos compuestos de la forma A 3C 60 y son llamados fuléridos alcalinos. Si se unen al potasio o al rubidio, los compuestos resultan ser superconductores. Para los fuléridos alcalinos, la temperatura crítica para la superconductividad es alta, del orden de (20 a 40°K) comparada con la de los superconductores convencionales. Los fuléridos alcalinos tienen propiedades de superconducción solo superadas por los cupratos cerámicos 9 Todavía no esta claro el comportamiento electrónico de los compuestos de metales alcalinos con C60. La diversidad de fullerenos se logra al incorporar átomos o grupos de átomos a la superficie del fullereno, o con un átomo enjaulado dentro de él, como por ejemplo al unir átomos de flúor a cada átomo de carbono se produce una estructura denominada “fuzzball” 5 (figura 4). Fig. 4. El corte de una estructura que se llaman “fuzzball”. 10 Los fullerenos alcalinos también son capaces de generar cristales del orden de 25Å hasta algunos micrómetros, y sus cristales generalmente presentan un alto grado de desorden. Los fullerenos tienden a formar “nanotubos”, los cuales son un tipo de fullereno pero de estructura alargada, como una red fullerénica de átomos de carbono que se extiende en forma tubular, entre sus propiedades podemos hallar su conductividad eléctrica (son probablemente los mejores conductores a nivel nanoescalar), su conductividad térmica a lo largo del eje del tubo y comparable con la del diamante, sus propiedades mecánicas ya que probablemente es la fibra más fuerte conocida, y podemos añadir su perfección molecular, y las fuerzas fuertes de Van der Waals que llevan al reforzamiento espontáneo de muchos nanotubos.3 Para poder realizar estudios más detallados sobre los fullerenos, fue necesario mejorar las técnicas para su obtención. LA PRODUCCIÓN DE LOS FULLERENOS Desde la primera observación de los fullerenos la experimentación ha sufrido un proceso de perfeccionamiento que nos lleva a la descripción de los métodos principales de producción (figura 5). Fig. 5. Producción de fullerenos y nanotubos. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Eder Zavala López, Oxana Vasilievna Kharissova Diversos métodos evidencian lo sencillo de la obtención del ollin con fullerenos. Sin embargo, en el proceso de purificación del hollín común es posible encontrar fullerenos en cantidades menores del 1%. Estos métodos lo que hacen es incrementar la población de fullerenos en el hollín. El método de Rice produce mayores poblaciones de fullerenos y menores subproductos. Sin embargo, es más costoso debido a las especificaciones técnicas del equipo. 1. Método original: grupo Smalley-Kroto-Curl (Rice 1985). Denominado evaporación de grafito.5 Se calienta el grafito en una ampolla de cuarzo en un horno a 1200°C. Los fullerenos se forman cuando el carbón vaporizado se deposita y condensa en una atmósfera inerte. Generalmente se utiliza una mezcla de argón, ya que es un gas noble. Se dispara un láser específico del equipo. Este láser de CO2 fue desarrollado para este montaje. Cuando los átomos van perdiendo energía se forman aglomerados. El material se recolecta enfriando un ánodo de cobre. 2. Método Kroto (Sussex 1989). Básicamente, en una campana de cristal se calientan varillas de carbón. Se utilizan placas de recolección del hollín, fabricadas de bromuro de potasio (KBr). La longitud de las varillas es entre 6 y 7 cm. La cámara se evacúa y se deja ingresar helio. Se purga la cámara y se ingresa helio nuevamente, hasta 100 2 Torr. Con una fuente de poder de soldadura se calientan las varillas durante 15-20 segundos. El carbón se deposita en forma de hollín en la campana de vidrio. 3. Método de depositación termoquímica de vapor. Como ya se mencionó antes, los nanotubos de carbono han sido considerados como útiles para un gran número de aplicaciones técnicas, sin embargo, las in- Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 vestigaciones actuales están centradas en la meta de producir controladamente nanotubos más perfectos y con las características requeridas por los investigadores. Una de tales investigaciones es la que llevan a cabo Cheol Jin Lee y Jeunghee Park6, ellos han hallado un método para mejorar la producción de nanotubos de carbono en base a la depositación termoquímica de vapor, CVD, por sus siglas en inglés “thermal chemical Carbon Vapor Deposition”. El método CVD es superior a otros respecto a pureza, concentración y alineación controlada, por lo tanto, la atención actual de los científicos se ha enfocado en el desarrollo de nuevas técnicas para preparar nanotubos de carbono alineados verticalmente usando el método de CVD. En el trabajo6 se reportaron crecimiento de nanotubos bien alineados verticalmente en un área de cobalto y óxido de silicio como substrato, por CVD de acetileno. Antes del crecimiento de los nanotubos, las partículas catalíticas nanométricas de cobalto son formadas por ácido fluorhídrico líquido y subsecuentes emisiones de gas amoníaco de la superficie del cobalto depositado sobre el óxido de silicio, éste paso es crucial para poder controlar el tamaño y el alineamiento vertical de los nanotubos de carbono. Después de preparar el substrato, le suministraron gas acetileno a un flujo de 20-80 cm3 estándar durante 10 a 20 minutos a la misma temperatura. Hicieron fluir argón dentro del reactor de CVD mientras se incrementaba y reducía la temperatura. Lo que hallaron finalmente, fue una alta concentración de nanotubos en la superficie de cobalto, después de hacer los análisis microscópicos hallaron que todas las muestras de nanotubos presentaban una apariencia a plantas de bambú, o sea que el nanotubo aparecía seccionado en varios compartimentos. Repitieron el experimento con superficies de níquel-cobalto, níquel y fierro depositadas sobre óxido de silicio, y encontraron la misma apariencia. Después de analizar las diversas hipótesis referentes al mecanismo de crecimiento de los nanotubos de carbono, hallaron que en su experimento, los nanotubos obtenidos por CVD 11 �Síntesis de nanotubos y fullerenos siguieron el patrón determinado por el modelo de crecimiento desde la base del nanotubo. Esto es, que las partículas catalíticas del cobalto formaron la punta del nanotubo, el cual fue creciendo poco a poco hasta alcanzar su tamaño final, al termino del crecimiento, la partícula catalítica del cobalto ya no forma parte del nanotubo, de manera que el nanotubo de carbono es obtenido en un alto grado de pureza. En el modelo de crecimiento desde la base del nanotubo de RTK Baker, se menciona que la tasa de crecimiento del filamento de carbono es inversamente proporcional al tamaño de la partícula catalítica. También se sugiere que la tasa de crecimiento del nanotubo se incrementa con el decrecimiento de tamaño de la partícula catalítica debido a la corta longitud de difusión de los átomos de carbono. Por lo tanto, a medida que el diámetro de los nanotubos (o partículas) decrece, la incrementada tasa de crecimiento resulta en una menor frecuencia de formación de las capas entre los compartimentos. CONCLUSIONES Además de las asombrosas propiedades del fullereno, podemos señalar como razón adicional a la importancia de su estudio, la enorme cantidad de aplicaciones que tiene y que se pueden obtener a futuro, a tal grado que es posible que veamos en algunos años una nueva revolución tecnológica-industrial como producto de las investigaciones sobre fullerenos, superconductividad y ciencia de materiales en general. Algunas de las aplicaciones actuales de los fullerenos son: • Como lubricantes (las esferas hacen el deslizamiento entre superficies más fácil). Para ello los fullerenos deben ser modificados químicamente para que contengan otros átomos fuera de la esfera. Se ha logrado obtener C60F60, lo que podría dar lugar a una nueva generación de lubricantes. • Los fullerenos pueden tener aplicaciones ópticas. 12 Generalmente, cambian sus propiedades bajo la acción de la luz ultravioleta. Esta propiedad puede ser utilizada en fotolitografía. • Los fullerenos tienen propiedades de superconducción a temperaturas desde 10 a 40K. • También parece ser que los compuestos de fullereno tienen propiedades ferromagnéticas [(TDAE)C60] (TDAE=tetrakisdietilaminoetileno). • Cierto metanofullereno soluble en agua inhibe la proteasa del virus del SIDA. • Podrían servir de fibras. Se han obtenido cilindros concéntricos con una luz de 2nm (lo que podría dar lugar a efectos cuánticos) y un micrómetro de longitud (nanotubos), formados por anillos de carbono hexagonales unidos entre sí, desarrollándose en espiral. Son como las capas de grafito pero cilíndricas. Hoy en día, el método mediante el cual se lograron hacer crecer nanotubos de carbono alineados verticalmente es el método de CVD. El diámetro de los nanotubos fue del orden de 80 a 120nm y la longitud de aproximadamente 20µm. Los nanotubos de carbono presentaron puntas cerradas y libres de partículas catalíticas que hubieran podido quedar encapsuladas, además, exhiben una apariencia de planta de bambú, con una estructura de varios compartimentos vacíos dentro del nanotubo. Y por último queda señalar que a medida que el diámetro de los nanotubos decreció, las capas divisoras entre compartimentos aparecieron más juntas, y con una estructura del detalle de la división casi perfecta. Debido al hallazgo de fullerenos en los organismos vivos, y al descubrimiento de tales moléculas en las proximidades de las estrellas y en los meteoritos, las líneas de investigación en este campo arrojarán sin duda más datos útiles a las teorías sobre el origen de la vida en la Tierra, como la que menciona A.I.Oparin en su libro “El origen de la vida” sobre la generación de moléculas complejas de carbono y de hidrocarburos en las proximidades de estrellas de tem- Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Eder Zavala López, Oxana Vasilievna Kharissova peratura superficial baja, y las cuales, podemos encontrar en los fósiles de los primeros organismos vivos conocidos y en nosotros mismos.10 Aquí debería radicar, en principio, la importancia del estudio de los fullerenos, es decir, en sus aplicaciones prácticas y teóricas, sin embargo, recordemos que los más grandes descubrimientos y las más vertiginosas revoluciones tecnológicas han sido iniciadas por una simple curiosidad por el saber. En nuestra Universidad, en la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas también se está investigando este material. REFERENCIAS 1. Bosch, P.; Pacheco, G. El Carbono: cuentos orientales. La ciencia para todos FCE., 2da. Ed., 2000, no. 139, pp.37. 2. Curl, R.F., Smalley, R.E., Fullerenes, Scientific American, 1991,vol.265,no.4, pp.54. 3. Kharissova O. V; Ortiz U., La estructura de los fullerenos y sus aplicaciones Ciencia UANL, 2001, (por publicar). Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 4. Burns, Ralph A. Fundamentos de Química. Prentice Hall, 2da. Ed., 1996, pp.179. 5. Smalley, R.,Yacobson, B., Fullerene Nanotubes: C1000000 and Beyond., American Scientist, 1997. 6. Jin Lee, Cheol; Park, Jeunghee. Growth and structure of carbon nanotubes produced by thermal chemical vapor deposition. School of Electrical Engineering, Kunsan National University, Kunsan, 2000, pp.573-701. 7. Byszewsri, P.; Klusek,Z, Some propierties of fullerenes and carbon nanotubes, Ortoelectronics Review, 2001, no.9, pp.203-210. 8. Fowler, P.W.; Manolopulos, D.E., Magic Numbers and Stable Structures for Fullerenes, Fullerides and Fullerenium Ions. Nature,vol.355,no.6559,pp.428430. 9. Gunnarsson,O., Superconductivity in fullerides, Reviews of Modern Physics, 1997, vol.69, no.2, pp.575. 10. Oparin, A. I. El origen de la vida. Leyenda S. A., 2000, pp. 33-42. 13 �Influencia del número de discos de freno sobre el poder de frenado en trenes de alta velocidad Liviu Sevastian Bocîi* Abstract In this paper is presented the influence of the number of brake discs per axle on the brake power in the case of stopping brake of the high-speed railway vehicles. The braking power is considerably influenced by the number of brake-disks on the axle-tree, by their configuration and the maximum load on the axle-tree. For self-ventilating brake-disks, when increasing the number of brake-disks on the axle-tree from nd =1 to nd =3 at a braking duration of tb =50 seconds and a starting braking speed of V = 180 Km/h, one can remark a decrease of the braking power of 33.32% (Pmfd1 =356.2 KW, Pmfd3 =118.7 KW). • La función de transformación de la energía cinética del vehículo ferroviario de alta velocidad; • La función de almacenamiento del resultado de la transformación de la energía cinética (el calor); • La función de disipación del * calor resultado por la fricción (seca o húmeda) entre los elementos del acoplamiento de fricción del freno de disco. En la mayoría de los sistemas de frenado utilizados para equipar los vehículos ferroviarios de alta ESTADIO ENERGETICO INICIAL Vi, Ei It is very important to consider this phenomenon when studying the thermal regime of the braking couple elements of disk brake. SISTEMA DE FRENADO FUNCIONES: • TRANSFORMACIÓN • ALACENAJE • DISIPACIÓN Keywords: brake disc, kinetic energy, brake power, high speed trains. 1. INTRODUCCIÓN ESTADIO ENERGETICO FINAL Vf, Ef El sistema de frenado es el principal sistema que interviene entre dos estadios energéticos de un vehículo ferroviario en movimiento modificando los parámetros del estadio energético inicial (la energía cinética Ec y la velocidad V). La modificación del estadio energético de un vehículo ferroviario es posible debido a las funciones principales de un sistema de frenado, que se presentan en el esquema1, 2 de la figura 1. Se observa que un sistema de frenado es el elemento que modifica la energía del vehículo desde el momento de su entrada en acción, hasta la anulación de esta energía en el caso de la parada, o hasta el valor de la energía cinética dada por la velocidad que tiene que mantener constante sobre una sección de remolque. Las principales funciones de un sistema de frenado son las siguientes: 14 Vf ≠ 0 Ef ≠0 Vf = 0 Ef = 0 PARADA MANTENER VELOCIDAD CONSTANTE REDUCIR LA VELOCIDAD Fig. 1. Modificación del estadio energético de un vehículo ferroviario al aplicar el sistema de frenado. * Secretario General Académico de la Universidad «Aurel Vlaicu» de Arad, Rumania. E-mail: cancelar.uav@inext.ro Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Liviu Sevastian Bocîi velocidad, la energía cinética que posee el vehículo al principio de la frenada se transforma en trabajo mecánico de deformación (elástica y plástica) y después en calor. El efecto de esta transformación es el incremento de la temperatura de los elementos en contacto directo (disco de freno y pastilla de fricción). 2. ENERGÍA CINÉTICA QUE TIENE QUE SER DISIPADA EN EL CASO DE FRENADO HASTA PARADA La energía cinética que tiene que ser disipada por frenado hasta parada durante el tiempo tb (la duración de la frenada) es dada por la relación: Ecf = (1 + γ )⋅ m ⋅  V 2   − 20 ⋅ S f ⋅ Rt  3,6  2 t = tiempo de relleno del cilindro de freno con aire comprimido (en los cálculos t = 4 segundos). Teniendo en cuenta la expresión de la resistencia total al avance del vehículo, determinada experimentalmente3, 4, la energía cinética que tiene que ser disipada por frenado hasta parada, en el caso de vehículo ferroviario de alta velocidad que circula en línea recta y terreno plano, es dada por la relación Ecf = [J] (1) V= velocidad [km/h]; ) [J] (3) donde, de acuerdo a la expresión experimental de Guiheu3: a = 250 [N] b = 3.256 [Kg/s] c = 0.0572 [Kg2/s2] m= masa del vehículo (o tren); Sf= espacio de frenado [m]; Rt= resistencia total al avance del vehículo [sdaN]. El espacio de frenado de la relación 1 tiene la siguiente expresión: [m] (2) donde: µs = coeficiente de fricción entre el disco de fre- Mediante estas relaciones se puede calcular la energía cinética para diferentes velocidades iniciales de frenado, por ejemplo V ∈ [0, 200] km/h, el espacio de frenado, la energía cinética del vehículo y también la energía por eje o por disco de freno. 3. LA INFLUENCIA DEL NÚMERO DE DISCOS DE FRENO SOBRE EL PODER DE FRENADO El poder medio de frenado que corresponde a la energía cinética, obtenida de la relación 3, está dado por la relación siguiente: no y la pastilla de fricción; δ = coeficiente de frenado (en los cálculos δ = Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14   2  3,6  − 10 ⋅  3,93 ⋅ (1 + γ )⋅V + V ⋅ t   10 ⋅ µ ⋅ δ + r 2 7,2  s T  ( 1 + γ= factor de masa determinado experimentalmente (en los cálculos 1+ γ= 1.05); 0.35); 2 (1 + γ )⋅ m ⋅  V ⋅ a + b ⋅V + c ⋅V 2 donde: 3 . 93 ⋅ (1 + γ )⋅ V 2 V ⋅ t Sf = + 10 ⋅ µ s ⋅ δ + rT 7,2 rT = resistencia específica al avance del vehículo (en los cálculos rT = 20 N/kN); P mf = E cf tb [W] (4) 15 �Influencia del número de discos de freno sobre el poder de frenado en trenes de alta velocidad Sustituyendo en la relación 4 la expresión de la energía cinética se obtiene el poder medio de frenado: 2 (1 + γ )⋅ m ⋅  V  2.  3,6  − 10 ⋅  3,93 ⋅ (1 + γ )⋅ V + V ⋅ t  Pmf =  tb  10 ⋅ µ s ⋅ δ + rT 2 ⋅ tb 7,2  ( ) ⋅ a + b ⋅V + c ⋅ V 2 [W] (5) Mediante la relación 6 se puede calcular, para un tren de alta velocidad de composición conocida3, 4 el poder de frenada por disco (Pmfd). Considerando uno, dos o tres discos por eje (nd = 1; 2; 3 discos) mediante los valores presentados en la tabla I, en las figuras 2, 3, 4 se ha representado la variación del poder de frenada en función de velocidad (f1(x) → nd = 1, f2(x) → nd = 2, f3(x) → nd = 3), para distintas duraciones de la frenada (tb = 30; 50; 60 segundos). Considerando un frenado hasta parada utilizando sólo el freno de disco, el poder medio de frenada por disco es dado por la relación 2 Pmf = nd ⋅ Pmfd ⇒ Pmfd (1 + γ )⋅ m ⋅  V   3,6  − 10 = tb ⋅ nd 2 ⋅ t b ⋅ nd 3,93⋅ (1+γ )⋅V 2 V ⋅t  +  ⋅ (a +b⋅V +c⋅V 2 ) ⋅ µ δ 10 r 7,2  ⋅ ⋅ + s T  [W] (6) Fig. 2. La variación del poder de frenado en w para tb = 30 segundos Vs. la velocidad en Km/h. T A B L A I. V elo cid ad [km /h ] tb = 30 seg u n d o s tb = 50 seg u n d o s tb = 60 seg u n d o s 16 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 P m fd 1[K W ] 0 1 8 .4 9 7 3 .0 7 1 5 7 .6 2 6 3 .4 3 7 8 .4 4 8 8 .2 5 7 4 .9 618 5 9 3 .6 475 2 4 4 .1 2 8 7 .5 309 2 9 6 .8 2 3 7 .5 1 5 8 .3 P m fd 2 K W ] 0 9 .2 4 6 3 6 .5 4 7 8 .8 2 1 3 1 .7 1 8 9 .2 P m fd 3[K W ] 0 6 .1 6 4 2 4 .3 6 5 2 .5 5 8 7 .7 8 12601 1 6 2 .7 19106 206 1 9 7 .9 P m fd 1[K W ] 0 1 1 .1 0 4 3 .8 4 9 4 .5 9 158 2 2 7 .1 2 9 2 .9 345 3 7 0 .8 3 5 6 .2 285 P m fd 2[K W ] 0 5 .5 4 8 2 1 .9 2 4 7 .2 9 7 9 .0 1 1 1 3 .5 1 4 6 .5 1 7 2 .5 1 8 5 .4 1 7 8 .1 1 4 2 .5 P m fd 3[K W ] 0 3 .6 9 8 1 4 .6 1 3 1 .5 3 5 2 .6 7 7 5 .6 9 9 7 .6 4 115 1 2 3 .6 1 1 8 .7 9 5 .0 1 P m fd 1[K W ] 0 9 .2 4 6 3 6 .5 4 7 8 .8 2 1 3 1 .7 1 8 9 .2 2 4 4 .1 2 8 7 .5 309 2 9 6 ,8 2 3 7 .5 P m fd 2[K W ] 0 4 .6 2 3 1 8 .2 7 3 9 .4 1 6 5 .8 4 9 4 .6 1 122 1 4 3 .7 1 5 4 .5 1 4 8 .4 1 1 8 .8 P m fd 3[K W ] 0 3 .0 8 2 1 2 .1 8 2 6 .2 7 4 3 .8 9 6 3 .0 7 8 1 .3 7 9 5 .8 2 103 9 8 .9 3 7 9 .1 7 Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Liviu Sevastian Bocîi Del análisis de los diagramas presentados resultan las siguientes conclusiones: • Con el incremento del número de discos por eje, el poder de frenado por disco baja con efectos positivos para los elementos del acoplamiento de fricción (disco de freno – pastilla de fricción); • Con el aumento de la duración de frenada (por ejemplo, desde el tb = 30 segundos hasta el tb = 50 segundos) el poder máximo de frenada por disco baja desde la P mfd = 6.193⋅105 W hasta la Pmfd = 4.645⋅105 W, hecho que conduce a un mejor régimen térmico de los elementos del acoplamiento de fricción del freno de disco; • El aumento del número de discos por eje conduce a una disminución de la temperatura de las superficies de fricción, pero al mismo tiempo crecen las masas no suspendidas del vehículo ferroviario; • La utilización de discos con configuración geométrica distinta (no ventilados) caracterizados por una densidad baja (aleación base aluminio) ha permitido el crecimiento del número de discos por eje sin crecer la masa no suspendida del vehículo ferroviario de alta velocidad; • La utilización del disco de freno no ventilado conduce a la obtención de un buen régimen térmico de los elementos del acoplamiento de fricción del freno de disco, también conduce a una reducción considerable de la resistencia aerodinámica del vehículo dada por el movimiento de rotación de los discos de freno autoventilados en el régimen de tracción (esta resistencia conduce a un consumo de aproximadamente 3% del poder instalado para tracción). Fig. 3. La variación del poder de frenada en w para tb= 50 segundos Vs. la velocidad en Km/h. Fig. 4. La variación del poder de frenada en w para tb= 60 segundos Vs. la velocidad en Km/h. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 17 �Influencia del número de discos de freno sobre el poder de frenado en trenes de alta velocidad 3. CONCLUSIONES En el frenado hasta parada de los vehículos ferroviarios de alta velocidad, el poder de frenado es influenciado considerablemente por el número de discos de freno por eje, por la configuración de estos discos (autoventilados o no ventilados), también por la carga máxima por eje. En el caso de los discos de freno autoventilados, con el aumento del número de discos por eje, por ejemplo desde nd = 1 hasta el nd = 3, a una duración de frenada tb = 50 segundos y una velocidad de principio de frenado V = 180 km/h, se puede observar una disminución del poder de frenada de aproximadamente 33.32% (Pmfd1 = 356.2 KW, Pmfd3 = 118.7 KW). El estudio y la puesta en evidencia de este fenómeno es muy importante para evaluar el régimen térmico de los elementos del acoplamiento de fricción del freno de disco (teniendo en cuenta la relación directa entre temperatura de los elementos del acoplamiento y el poder de frenada). 4. BIBLIOGRAFÍA 1. Gimenez, C. F. “Contribución al estudio de los parámetros que definen el frenado mecánico de vehículos ferroviarios “A.I.T nr.9, pag. 33- 53 abril 1976. 2. Bocîi, L. S. “Contribuciones a la frenada de los vagones de viajeros de alta velocidad” Tesis doctoral, Timisoara 1997. 18 3. Guiheu, C. “La résistance a l’avancement des rames TGV–PSE. Bilan des études et des résultats des mesures “Revue Générale des Chemins de Fer, enero 1982. 4. Bocîi, L. S. “Técnica de la alta velocidad. Sistemas de frenada para los vehículos ferroviarios de alta velocidad” Edición Mirton de Timisoara, 1999, 184 páginas. 5. Gunnar, D. “Stresses an Cracks in Brake Discs” Transactions of Machine Elements Division, Lund Technical University, Sweden 1976. 6. Adamsen, J. “Heating and cooling of Friction Brakes”, Seminar on Braking , London 1986. 7. Raison, J. “Les materiaux de freinage“ Revue Générale des Chemins de Fer , julio / agosto 1991. 8. Bocîi, L. S., Dungan, M. C. “Sistemas de frenada sobre los vehículos ferroviarios de velocidades grandes y muy grandes“ Sesión de Comunicaciones Científicas de la Universidad“ Aurel Vlaicu “ Arad, Mayo 1994. 9. Bocîi, L. S., Vadillo, E. G., Dungan, M. C. Sandner, C. “Determinación de las temperaturas de las ruedas de los vehículos ferroviarios a alta velocidad aplicados a la frenada de parada mediante el freno de zapatas” Anales de la Universidad “Constantin Brâncusi“ de Târgu–Jiu seria B nr. 1/1994. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Ruido producido por silbatos de trenes♦ Fernando J. Elizondo Garza* Ricardo Ramírez V., Diego F. Ledezma R.* Abstract The problem of the noise level produced by train horns in residential areas is discussed in this paper. Also are shown the results of measurements of the noise produced by the train horns and the implications of bans and regulations are analyzed. Keywords: Noise, train horns, ban, regulation. I. INTRODUCCIÓN Las sociedades modernas exigen a sus autoridades “calidad de vida”, lo cual implica, entre otros aspectos, tener silencio en el hogar. En México más que en otros países, debido al crecimiento caótico e imprudente de las ciudades, se ha generado un gran número de situaciones problemáticas desde el punto de vista del ruido. Un caso bastante dramático es la construcción de casas habitación junto a las vías férreas, figura 1, o viceversa, convirtiéndose los ferrocarriles en una gran fuente de contaminación acústica, la cual, para empeorar la situación no se encuentra correctamente reglamentada en nuestro país. operarios de las locomotoras como señal de aviso al acercarse a un cruce con una calle o avenida, dado que el frenado del tren requiere gran distancia y es, por lo tanto, preferible que se detengan los conductores de los autos que circulan por el cruce del tren.* Con el crecimiento de las ciudades, el número de puntos donde el tren debe utilizar el silbato ha crecido significativamente y con el aumento del tráfico ferroviario, el paso de trenes durante la noche ha aumentado, por lo que el número de protestas por el ruido del silbato de los trenes ha aumentado notoriamente. II.- MEDICION DEL RUIDO PRODUCIDO POR SILBATOS DE FERROCARRIL Como base para la posterior discusión del tema se efectuaron registros de los niveles de ruido vs. tiempo, en áreas habitacionales en la zona metropolitana de la Cd. de Monterrey, durante el paso de trenes y del ruido típico cuando no hay tren, para de ellos eva- El tren implica varios mecanismos de generación de ruido: la locomotora, los frenos, el rodar del tren y los dispositivos de advertencia que incluyen cornetas, silbatos y campanas. La fuente que produce un mayor nivel sonoro, aunque de poca duración, son las cornetas (Horns), que en México se acostumbran llamar silbatos, y que son incluidos en las locomotoras como dispositivos de alerta. El uso de los silbatos es obligatorio para los ♦ Adaptado de la ponencia presentada en el VIII Congreso Mexicano de Acústica realizado en la ciudad de Oaxtepec, Morelos, México, en Noviembre del 2001. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Fig. 1. Ferrocarril pasando por una zona habitacional en el área metropolitana de la ciudad de Monterrey * Laboratorio de Acústica de la FIME-UANL. Email: fjelizon@hotmail.com 19 �Ruido producido por silbatos de trenes luar los niveles de ruido producidos por el uso del silbato de las locomotoras. Equipo utilizado. Para la realización de las mediciones del ruido se utilizó el siguiente equipo: • Analizador estadístico de niveles de ruido, marca Bruel & Kjaer, tipo 4427 • Preamplificador para micrófono, marca Bruel & Kjaer, tipo 4565. • Micrófono de condensador de ½ pulgada, marca Bruel & Kjaer, tipo 4165. • Calibrador, marca Bruel & Kjaer, tipo 4230. Para el postprocesamiento de la información se utilizó: una computadora PC IBM-Compatible, en ambiente Windows utilizando Microsoft Office Excel. Procedimiento de medición. El procedimiento empleado para el estudio del ruido producido por los trenes fue el siguiente: a) Selección del sitio de medición.- Después de recorrer el área cercana a la UANL en busca de cruceros de tren, donde el uso de silbatos es obligatorio, se seleccionó el crucero de las calles Lázaro Cárdenas y Luis M. Farías en la Colonia Nuevo Periférico. Por este lugar cruzan las vías MonterreyTampico y Monterrey-Matamoros. Frente a las vías del tren se encuentran casas habitación, a una distancia de aproximadamente 18 m. b) Selección de los trenes a medir.- Se esperó a que pasaran los trenes en la ubicación dada en el punto anterior y se procedió a hacer las mediciones. Para fines prácticos se efectuaron las mediciones durante el día. c) Medición.- Se colocó el micrófono del analizador estadístico empotrado en el trípode a 1.20m de altura dirigiéndose éste hacia las vías (perpendi- 20 Fig. 2. Equipo de medición utilizado para evaluar los niveles sonoros producidos por los ferrocarriles. cular) y se ubicó en el límite de propiedad de las casas habitación frente a la vía. Una vez que se aproximaba el tren se iniciaba el muestreo y graficado con el analizador durante el tiempo del paso del tren. Al terminar el muestreo por medio del analizador se evaluó la media, la desviación estándar, el nivel sonoro continuo equivalente (Leq), los percentiles 0.1, 1 y 90, y el histograma de distribución de frecuencias de los niveles de ruido. También se realizó el mismo procedimiento para medir el ruido sin presencia de trenes. d) Calibración.- El equipo fue calibrado antes y después de cada medición con un calibrador portátil y siguiendo las especificaciones del fabricante, aceptándose las mediciones sólo si la variación en la calibración, antes y después de la medición, era de máximo 0.1 dB. Durante la medición se utilizó pantalla de viento y corrector de incidencias. III. RESULTADOS Para tener idea del ruido típico cuando no pasa el tren en el punto de medición se tomó el registro mostrado en la figura 3. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Fernando J. Elizondo Garza, Ricardo Ramírez V., Diego Ledezma R. Fig. 3. Registro de los niveles sonoros contra el tiempo sin presencia de trenes. Puede observarse que el ruido fluctúa entre 50 y 75 dB(A) siendo las fuentes de ruido principales el trafico de autos y camiones ligeros por la calle frente al punto de medición (2 metros). Los picos de ruido son producidos por el paso de autos y camiones. Fig. 5. Registro de los niveles sonoros contra el tiempo durante el paso del ferrocarril con locomotora trasera. En las figuras 4, 5 y 6 se muestran registros de los niveles sonoros durante el paso de tren con uso de silbato. i 6 Fig. 6. Registro de los niveles sonoros contra el tiempo durante el paso de un tren. Fig. 4. Registro de los niveles sonoros contra el tiempo durante el paso de un tren. En las gráficas 4, 5 y 6 puede observarse que durante el paso del tren los niveles de ruido, a 18 m, eran de entre 70 y 75 dB(A) y que los niveles producidos por el uso de las cornetas fueron de 85 a 100 dB(A). Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 IV. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS Según R. Lotz y L.G. Kurzweit en el apartado sobre ruido de trenes del Manual de Control de Ruido editado por C.M Harris1, los dispositivos de advertencia de la locomotora llegan a producir niveles sonoros de hasta 105 dB(A) a 30 m de distancia frente a la locomotora, y niveles 5 a 10 dB menores a los lados de la vía. 21 �Ruido producido por silbatos de trenes De los registros de los niveles sonoros vs. tiempo (figuras 4, 5 y 6) que realizaron en la zona metropolitana de la Cd. de Monterrey se puede observar que los niveles de ruido producido por el silbato de una locomotora típica mexicana, frente a casas habitación, llegaron hasta los 100 dB(A) a 18m. Cabe aclarar que los vecinos comentaron que dichos niveles eran típicos pero que hay algunos trenes que producen niveles mayores de ruido y sobre todo que hay maquinistas que abusan del sonido del silbato. Es claro que de tren a tren los niveles fluctúan debido al estado de mantenimiento del sistema y a los hábitos personales del maquinista, quien puede operar el silbato justo lo necesario o puede hacer un uso exagerado del mismo. Comparando los datos de las mediciones con y sin presencia de tren se encuentra que: Situación R an g o d el Ruido en dB(A) Nivel máximo dB(A) Sin tren 50-75 75 (camiones) Con tren 65-100 100 (silbato de tren) Diferencia 15-25 25 Si se considera que de acuerdo a los criterios internacionales el ruido de fondo que debe existir dentro de los dormitorios de las casas habitación debe estar entre los 37 y 47 dB(A) (de acuerdo a Beranek2), entonces la reducción del ruido necesaria, en el caso de un silbatazo de 100 dB(A) frente a la casa, deberá ser del orden de los 53 a 63 dB. Lo anterior implica tener una casa, primero cerrada al exterior y segundo tratada acústicamente. El tratamiento acústico tiene que considerar la implicante del rango de frecuencias del silbato, el que, al tener frecuencias bajas, aumenta su capacidad de propagación, lo cual como elemento de advertencia es bueno, 22 pero también implica que pasa más fácilmente las barreras y paredes, encareciendo la solución acústica. Si el problema se analiza para Monterrey, donde el calor predomina la mayor parte del año, el encerrar una casa no es tan simple y, claro, implica el uso de aire acondicionado, además del tratamiento acústico. Si las personas tienen dinero, lo más seguro es que se cambien de lugar para vivir y tratarán de vender sus casas embaucando a alguien para no perder tanto dinero con respecto a lo que pagaron al comprarla. ¿Cómo es que se permitió que se estableciera una zona habitacional tan cerca de una vía férrea con cruceros? La respuesta es simple: inmoralidad, corrupción, delincuencia organizada, gobierno cómplice, incompetencia profesional, publicidad amañada, etc. lo cual por supuesto florece bajo el abono de un sistema legal incompleto, anticuado y corrupto. El marco legal sobre ruido en México está lleno de problemas y en el caso del ruido de ferrocarriles es de los más incompletos, vagos y no aplicado. Sin entrar en detalles finos, se cita todo lo indicado en el reglamento para la protección del ambiente contra la contaminación originado por la emisión del ruido, publicada en 1982 y el cual continuaba parcialmente en vigor al no haberse generado y aprobado un Reglamento de la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección Ambiental en Materia de Ruido y a que sólo han aparecido algunas normas NOM para ciertos tipos de ruidos. ART. 25.- Para prevenir y controlar la contaminación ambiental originada por la emisión de ruido, los organismos y empresas que presten servicios de transporte ferroviario, deberán cuidar el correcto mantenimiento de los rieles, ruedas, durmientes, balasto y, en general del sistema de rodamiento y de enganche, así como de que las maniobras de carga y descarga y las operaciones de patio se realicen en los términos que establecen las normas correspondientes. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Fernando J. Elizondo Garza, Ricardo Ramírez V., Diego Ledezma R. ART. 26.- Las nuevas instalaciones ferroviarias, incluyendo las vías y las estaciones dentro de las poblaciones, se ubicarán de conformidad con lo que señale la autoridad urbanística competente, en la población de que se trate y de acuerdo con el plano regulador, en su caso, en la inteligencia, de que en la construcción de andenes, salas de espera y demás servicios auxiliares, deberán aplicarse las normas técnicas de arquitectura y de ingeniería que resulten convenientes para abatir y controlar el ruido. ART. 27.- Los operadores de ferrocarriles restringirán el uso de silbatos, bocinas, sirenas y demás aditamentos similares dentro de las zonas urbanas, de las veintidós a las seis horas del día, excepto en casos de emergencia, de conformidad con la velocidad máxima permitida y la reglamentación aplicable en el sistema ferroviario nacional. Los servicios ferroviarios deberán mejorar o implantar las medidas necesarias, para evitar se exceda el nivel máximo permitido de emisión de ruido. Mucho puede discutirse sobre los términos y detalles de estos artículos; también puede comentarse que no se aplicaban, pero desafortunadamente, en la última reforma del 07 de enero del 2000, estos artículos fueron derogados: ¡interesante manera de hacer que se cumplan las leyes!. Por otro lado, si se evitara el silbato, el problema acústico se reduciría un tanto, pero ese es un asunto con muchas caras, las cuales a continuación se analizarán. IV. REGLAMENTAR O NO REGLAMENTAR, ESA ES LA CUESTIÓN Uno podría pensar: si la fuente más alta es el silbato y afecta a muchas personas ¿por qué no prohibirlo? Bueno, en algunos países ya se aplican restricciones al uso de los dispositivos de advertencia de los Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 trenes, pero se ha desatado una controversia sobre todo desde la publicación de estudios en Estados Unidos y el Reino Unido donde se afirma que el número de muertes por accidentes entre trenes y automóviles aumentó desde la prohibición. A partir de dichos estudio hay personas tratando de que se elimine la prohibición, o limitación al uso, de silbatos de trenes. Las tesis son contradictorias y tienen cada una sus seguidores e implicantes. Unos afirman que lo primero es salvar vidas humanas y por lo tanto deben evitarse los accidentes en los cruceros, para lo cual se requiere de los silbatos y dispositivos automáticos de aviso fijos en el cruce (luces y barreras). Otros en la misma tónica aceptan la prioridad de la vida humana, pero no están de acuerdo con los silbatos y por lo tanto presionan sobre los dispositivos de crucero. El colocar dichos dispositivos representa un problema económico enorme sobre todo en México dado el paso de un sistema de ferrocarriles gubernamentales altamente protegido, y sobre el cual no se legislaron muchas cosas por conveniencia del mismo gobierno, y los nuevos ferrocarriles privatizados que heredan un rezago tecnológico enorme con un costo de actualización solo aplicable a muy largo plazo y 23 �Ruido producido por silbatos de trenes sobre el cual solo hay presión social pero no normatividad clara. Otros opinan que el meollo del asunto está en la planeación urbana, o en la falta de ella. Pero esta visión sólo podría evitar errores futuros, los pasados ya están y es, legal y económicamente, extremadamente difícil resolverlos. En este contexto, los que viven en carne propia el problema insisten que mientras se toman otras medidas, al menos que los dejen dormir, que prohíban los silbatos al menos durante la noche, y que no es que quieran que la gente muera en accidentes, sino que el bien colectivo siempre debe estar por encima del bien individual, en toda sociedad civilizada. Aclaran que toda persona que vive en una ciudad tiene que respetar los reglamentos de tránsito, los cuales claramente estipulan que hay que hacer alto en los cruces de ferrocarril. Que es responsabilidad de las autoridades y empresas ferroviarias el señalizar correctamente los cruces, sobre todo en las ciudades. Insisten en que toda persona sana mentalmente sabe que una masa grande le gana en un choque a una masa pequeña, y por lo tanto, el ser suicida es algo que ni el silbato evita... 3. Federal Hearing on Whistle bans and rail quiet zones held in NE Ohio. www.house.gov/latourette/ trainwhistleban.htm 4. New Jersey railroad noise resident report form. www.denville.net/trainform.html 5. Train whistle noise in Saint Paul: Implications for the future. 1996, Minesota, USA. www.ci.stpaul.mn.us/council/circ/reports/ railroad.html 6. Background information on the propose rule for the use of locomotive horns. Federal Railroad Administration, United States Department of Transportation. www.fra.dot.gov/site/horns/ background.htm 7. NPC Ressources, transportation noise, Rail Noise www.nonoise.org/resourse/trans/rai/rail.htm 8. Florida’s train whistle ban, U.S. Department of Transportation Federal Railroad Administration http://www.nonoise.org/resource/trans/rail/ floridaban.htm En fin, cada cual deberá tomar partido, pero nosotros, que hemos “oído” de cerca el problema de los silbatos de ferrocarril, tomamos partido a favor de la prohibición de los mismos durante la noche. Claro, al tiempo que se efectúen las medidas de señalización y control de tráfico pertinentes para evitar accidentes, que se establezcan campañas de concientización a los automovilistas y que se planifique más correctamente la interacción ferrocarril - ciudad. BIBLIOGRAFÍA 1. Cyril M. Harris. Handbook of noise control, second edition, McGraw-Hill, USA, 1979. 2. Leo L. Beranek Noise and vibration control, McGraw-Hill, USA, 1971. 24 Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Historia parcial de Vitro Enrique Canales Santos* Vitrotec fue una organización que llegó a tener 120 gentes, dedicada a la investigación y desarrollo, dentro del grupo Vitro, organización que dirigí de 1977 hasta 1987, cuando me salí para irme a Houston a terminar un doctorado en Filosofía de la Innovación. Toda historia de una organización es parcial y siempre es subjetiva, por eso uso la primera persona para describir mi versión. Que conste que ésta no la única, ni es la versión oficial de Vitrotec. No todos los que conocieron Vitrotec, durante ese período, piensan de Vitrotec como lo estoy describiendo. Bien. Van unos antecedentes de este hermoso esfuerzo de investigación. Desde su fundación en 1909 Vitro ha considerado que una importante fuente de sus ventajas y desventajas competitivas es su posición tecnológica. Sus operaciones siempre han estado en buen nivel profesional, las máquinas y los procesos se han modernizado para alcanzar alta productividad y costos bajos. Por una política de su fundador, don Roberto G. Sada, se consideraba que el negocio se mantendría sano si se mantenían los procesos a muy alta eficiencia, las fallas y desperdicios al mínimo, si se utilizaban las mejores materias primas nacionales e internacionales y se producía la más alta calidad del vidrio y, desde luego, si a alguien se le ocurrían algunas mejoras a los procesos y a los productos, con base en ideas originales y propias, esas ideas eran promovidas y bienvenidas. Hay un enorme cuadro redondo pintado al óleo, creo que en los años treinta, que se conserva muy celosamente en Vitro. Ahí aparece el ideal del Vitro de aquel entonces. Como figura prominente del cuadro vemos a un científico con bata blanca realizando unos experimentos. En Vitro se ha cultivado la habilidad manual y el conocimiento racional a través de alta ingeniería; así, el bienestar humano crece. En* Vitro también se ha cultivado el conocimiento profundo aplicado al misterioso material del vidrio. El vidrio es un material admirado desde la antigüedad. Los pueblos indígenas apreciaban todos los vidrios naturales; las joyas transparentes, las piedras traslúcidas como el alabastro; el cristal de roca fue coleccionado, el pedernal fue tallado como herramienta de corte y punta de flecha, la obsidiana fue muy estimada. Con esto en mente, en Mesopotamia pronto emergió, a partir de la cerámica rojiza de fuego bajo, la cerámica de alta temperatura con su variedad de esmaltes. Algunos esmaltes con sílice, álcali y cal se volvieron transparentes. Las cuentas de vidrio ornamental las vemos en el antiguo Egipto y las primeras botellitas para conservar aceites y perfumes se pueden apreciar en la colección del Museo del Vidrio, localizado dentro de la planta Vidriera Monterrey, al norte de la calle Zaragoza. Ahí se conservan piezas muy valiosas de los primeros vidrios fabricados por el hombre. ♦ Artículo publicado en la Revista Ciencia UANL de octubre-diciembre 2000. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 * Tecnólogo y editorialista científico. 25 �Historia parcial de Vitro En 1968 entré a trabajar a Vitro, directamente a una organización pequeña cuya función era realizar algunos desarrollos tecnológicos. Esta pequeña organización se llamaba en aquel entonces Investigación Fic Fideicomiso; don Adrián Sada, Julio Escámez, Rogelio Sada y don Alfonso Rodríguez eran mis jefes y fueron los que promovieron con más ahínco el desarrollo de varios equipos conceptualizados y diseñados por nosotros mismos. Uno de los primeros proyectos que dicha organización en realidad heredó fue el sistema 660 para producir vasos soplados y empastados. así como tubos de lámparas y otros artículos de vidrio muy delgado. Este sistema ideado principalmente por don Adrián, ha estado evolucionando desde los años cincuenta a base de nuevos conceptos de diseño y hasta este año del 2000 todavía se está trabajando en nuevas generaciones de estos equipos, según me ha platicado don Adrián, quien cerca de los 80 años todavía es una potencia para diseñar nuevos mecanismos con alta creatividad. Otro proyecto que se realizó en 1968 fue un equipo para hacer copas soldadas, es decir, tomar el globo de la copa como quien fuera a hacer un foco, y a partir de ahí, soldarle un vástago de vidrio prensado. Este concepto funcionó también con mucho éxito y hasta la fecha, 32 años después, es todavía básicamente el mismo equipo, aunque con muchas mejoras, el que sigue produciendo copas de vidrio muy finas, con gran automatización y rendimiento. 26 En las diferentes plantas de Vitro, hubo muchos desarrollos que los ingenieros mexicanos estuvieron realizando, pues no era posible estar siempre compitiendo con máquinas compradas a los proveedores de maquinaria y que también pudieran comprar los competidores. El desarrollo tecnológico propio era una estrategia muy clara que se tenía en aquel entonces. Pronto se consideró conveniente organizar varias líneas de proceso y producto, buscando aumentar su posición tecnológica y comenzar a tener ventajas claras sobre los competidores. Así se organizó la línea de vajillas, platos, tazas y ollas hechas en vidrio borosilicato blanco, campo en donde un sinnúmero de proyectos de desarrollo nos llevaron a un liderazgo internacional comprobado. Igualmente en botellas retornables delgadas, en vasos y otros objetos como ceniceros y platos prensados. La conciencia de estar en una lucha tecnológica con competidores internacionales fue muy clara desde entonces. En Fabricación de Máquinas, empresa del mismo grupo, también se hicieron buenos desarrollos en la fabricación de moldes, tijeras y hornos, habiendo obtenido algunas patentes internacionales. Una muy sana rivalidad, en donde se cultivaba el orgullo del desarrollo, se comenzó a gestar en las diferentes plantas de Vitro. Estudiar procesos, tomar mediciones, reconocer variables, elaborar modelos de operación, hacer pruebas, realizar prototipos y meterse dentro de Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Enrique Canales Santos la producción era una tarea muy promocionada. Así, algunas empresas internacionales comenzaron a mostrar interés en adquirir nuestra tecnología, o en realizar intercambios de conocimientos tecnológicos, estas firmas eran americanas como Libbey Owens, alemanas como Hoffbauer, austriacas como Riedel, Centro Americana de Vidrio en Guatemala, Envases Venezolanos y empresas brasileñas como Nadir Figueredo y Multividro. Esto hizo que muchos ingenieros sintieran el orgullo de impartir clases, dar asesorías y transferir conocimientos de diseño de hornos, química del vidrio, diseño de moldes, tecnología de fabricación de artículos de vidrio. Hubo muchas innovaciones como por ejemplo el equipo para fabricar garrafones de vidrio; grandes botellones de 20 litros que se fabricaban en un equipo diseñado por nosotros. También se desarrolló el vidrio resistente al impacto, a partir de vidrio de templado superficial de borosilicato. Después de haber vendido tecnología a varios países y de tener una coinversión en Brasil, cuya planta yo ayudé a construir y a dirigir; (que conste que sigo hablando muy buen portugués); para 1974 a muchos nos quedó claro que el camino del desarrollo tecnológico era un camino muy rentable y era un camino válido, entre otros desde luego, para mantener nuestras ventajas competitivas. Entonces se me pidió organizar un esfuerzo a nivel de todo Vitro para formalizar y continuar el es- Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 fuerzo de desarrollo tecnológico. El consejo de Vitrotec lo formaban los directores de todas las divisiones operativas de Vitro con una reunión mensual. Había la sana costumbre de no llevar corbata, así en dichas reuniones los directivos se volvían ingenieros, pues todos lo eran y muy buenos. El financiamiento consistía en que a nivel Vitro se estableció la política de invertir el 2% sobre ventas en investigación y desarrollo, porque el promedio de la industria internacional en vidrio comercial era en ese entonces de 1.6%. También se estableció que el 1% lo invirtieran dentro de cada división y el otro 1% dentro de Vitrotec. Se formó un Fideicomiso formal para transparentar los gastos, con auditorías internas y externas. Era tranquilizante saberse auditado. Vitrotec no tenía autorización para realizar un proyecto sin el acuerdo del Consejo y de la propia división encargada del negocio. Además, todos los proyectos necesitaban tener participación de la planta que iría a operar la innovación y debería existir un acta de la junta mensual entre Vitrotec y la contraparte de la planta, que supervisaba cada proyecto. Al inicio, después de varias rondas de participación y enlazados con mercadotecnia y planeación estratégica de cada división, se elaboraron una lista de 75 frentes posibles de investigación y desarrollo. De ellos, finalmente quedaron 16 frentes competitivos en donde Vitro se comprometió a ser líder internacional. 27 �Historia parcial de Vitro O sea en Vitrotec no esperábamos a que hubiera buenas ideas para proyectos, nada de eso, exigíamos innovación en algunos temas muy específicos para poder competir. En lo personal, yo llevaba lo que llamaba un “cuarto de guerra”, donde cada frente competitivo se mapeaba, estableciendo, por dimensiones de lucha, nuestra posición: la posición que se alcanzaba comprando equipo moderno, la posición del competidor internacional más fregón y lo que la ciencia demostraba que se podría lograr. Estos mapas se guardaban muy celosamente en un cuarto donde solamente yo, algunos gerentes y algunos consejeros tenían llave. Ahí establecíamos las estrategias competitivas y los proyectos por desarrollar. Cada investigador estaba obligado a llevar una bitácora, donde apuntaba los pasos importantes de su desarrollo, esta bitácora forma parte de la propiedad intelectual de Vitro, lo cual garantizaba el respaldo en caso de una patente. Durante este período obtuvimos unas 30 patentes internacionales y se formalizó el área de propiedad intelectual, gerencia que todavía funciona en Vitro, pues no ha dejado de tener desarrollos y patentes. Modificamos las máquinas de hacer botellas, de decorado, de prensas, de soplo, de vasos de licuadora. En lo personal obtuve junto con unos compañeros una patente para perfeccionar la gota de vidrio, aunque no tuvimos tiempo de implementar esta patente. En la realización de algunas investigaciones para conocer la frontera de la ciencia a veces nos apoyábamos en profesores investigadores de la UANL, de la UNAM, de algunos centros de investigación de Conacyt o de universidades americanas, como la Alfred University, alemanas o inglesas. Todo proyecto tenía un responsable único, quien trataba de formar su equipo de investigadores e ingenieros de acuerdo a su criterio. A su vez, dicho líder de proyecto tenía que participar ayudando en otros proyectos. Cada responsable de proyecto estaba obligado a presentar sus avances ante invitados de todo Vitro, para ello contaba con 12 minutos de presentación y teníamos dicha ceremonia cada mes. La idea era abrir los foros de discusión, pues las veredas de la innovación tecnológica no son veredas rectas como las veredas de la ingeniería, en donde el qué y el cómo se pueden establecer de antemano. En el desarrollo tecnológico el qué y el cómo se abren a discusión, pues no hay veredas hechas. El trabajo multidisciplinario se lograba a base de tener expertos en diferentes áreas y se ganaban puntos en la hoja de evaluación por las veces que se brindaba ayuda a los demás. No se daban premios en efectivo por las ideas o las patentes, pues eso prostituía el espíritu de logro y podría provocar rivalidad y celos internos, sin embargo se reconocía el mérito y honraba en una revista interna mensual de dos hojitas, que circulaba en todo Vitro y que se llamaba Carta Tecnológica. Ahí aparecían los logros de los competidores y los nuestros y se mantenía el espíritu de lucha. Los directivos de Vitro personalmente reconocían y felicitaban a los mejores investigadores. No podíamos trabajar directamente con proveedores de equipo, maquinaria o materias primas, pues cada proveedor internacional es un chismoso en potencia y tampoco podíamos trabajar metiendo a los clientes a participar en nuestros desarrollos, pues si lo sabe un proveedor o si lo sabe un cliente, entonces de seguro pronto lo van a saber todos nuestros competidores. 28 La herramienta más importante de administración de la tecnología de Vitro fue sin duda, para mí, el concepto del ya mencionado “cuarto de guerra”. Ahí poníamos el frente de lucha, la dimensión de la lucha tecnológica. El famoso “benchmark” se refiere casi siempre a medidas profesionales internacionales o de los proveedores. Aquí hablamos de las medidas secretas de los logros de los competidores, que nunca aparecen en los “benchmarks”, para lo cual teníamos que resolver el problema de la medición, pues a veces ni siquiera sabíamos medir alguna propiedad, digamos por ejemplo “resistencia del impacto de un plato”. Luego debíamos medir y localizar a los mejores Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Enrique Canales Santos competidores, aunque todavía no peleáramos contra ellos; luego discutíamos el modelo teórico o consultábamos con científicos universitarios. Después de hacer todo el mapa del campo de batalla tecnológica, provocábamos que emergieran algunos proyectos. Nosotros nunca esperábamos a que nos vinieran las ideas, nosotros en Vitrotec abríamos poco a poco, a golpe de profundidad, las plataformas para las nuevas ideas, pues buscábamos los límites de la naturaleza. Desgraciadamente, la gente de mercadotecnia siempre traía ganas de vender más barato, más de lo mismo, y pocas veces nos arrojaron luz con suficiente precisión para dirigir nuestro esfuerzo de investigación. Hasta que algún competidor nos pegaba en el mercado, los de mercadotecnia se daban cuenta del golpe y entonces querían una solución inmediata. Sin embargo, nosotros veíamos de antemano que los competidores se estaban moviendo en tal o cual dirección, pues analizábamos sus patentes y las conferencias de sus expertos, y conocíamos a muchos de sus investigadores. La reducción de costos nos interesaba no en el sentido de apretar tuercas, correr gente y tapar fugas, sino de ver el límite de nuestros conocimientos ¿por qué no podemos hacer la botella más delgada? ¿por qué no podemos utilizar menos energía? ¿por qué no podemos operar más rápido? ¿por qué no podemos enfriar más rápido? También dimos Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 un impulso muy grande a los nuevos controles electrónicos. A cada proceso le agregamos nuevos ojos, nuevos oídos, nuevos dedos y nueva inteligencia. Confieso sin embargo que trabajamos muy poco en nuevos productos, salvo la copa integral, una especie de vaso-copa, nuestro esfuerzo estuvo dirigido a innovar en los procesos. Vitro hasta la fecha ha continuado realizando muchos desarrollos tecnológicos y ahora el esfuerzo pertenece más a las divisiones, sin embargo Vitrotec mantiene la conciencia de que, para cambiar la plataforma tecnológica hacia costos más bajos, es necesario hacer desarrollos tecnológicos. Para mí, los años que dirigí Vitrotec fueron años muy emocionantes, trabajé con jefes exigentes pero nobles, hombres de mucho talento. Asimismo mis compañeros de trabajo fueron excelentes amigos, con una entrega total, de buen humor, que demostraba su lucidez e inteligencia. Gracias a ellos, muchas veces anduvimos tecnológicamente por encima de los competidores internacionales. Yo no tengo duda que cualquier empresa mexicana pueda realizar el esfuerzo de colocarse en pocos años en un liderazgo tecnológico, si aprende algo de administración de tecnología, establece su cuarto de guerra y puede quitarse la idea de que las ventajas de las empresas mexicanas están en saber copiar o en pagar mano de obra barata. 29 �El deterioro ambiental y el futuro de la humanidad Pedro César Cantú Martínez* ABSTRACT Our growing ability to manipulate the environment has originated problems such as local degradation, extintion of species and the destruction of enfire ecosystems. The callenge to be faced overcomes any other seen by precedent generations. For the reasons discused here, we are forced to reconcile with the environment, becoming an ecocentric instead of egocentric creature. Key words: evironment, degradation, pollution, future, humanity INTRODUCCIÓN La creciente facultad que tenemos de manipular el medio ambiente que nos rodea, ha dado origen a problemas cuyas dimensiones varían desde la degradación local hasta la completa destrucción de los parajes naturales, olvidando que la salud de la naturaleza es el fiel reflejo de nuestras perspectivas y posibilidades futuras de sobrevivencia, además de no reconocer que la Tierra es una unidad global y finita.1,2 Las actividades que realizamos y que se manifiestan en deterioro ambiental, pueden clasificarse en cuatro categorías generales: la primera, es la disponibilidad que hacemos de los ecosistemas para nuestro aprovechamiento; la segunda, es el sobrestimar la capacidad de mantenimiento de los mismos; la tercera, es la introducción de elementos, extraños o no, que hacemos en ello; y la última, que refiere a la extinción de las especies.3 USO DE LOS ECOSISTEMAS La primera instancia, se refiere al manejo total o parcial que hacemos de los ecosistemas en forma equivocada, a través de la actividad agropecuaria, la cual efectuamos en superficies inadecuadas como marismas desecadas, terrenos desérticos y en extensiones 30 Plaguicidas: de un beneficio a un problema. de bosques talados. Sea cual fuere el grado de uso, este suele dar como resultado, no solo la alteración de la abundancia de las especies o su distribución global, sino también la pérdida de la biota (animales y plantas); además genera fenómenos como la erosión, que más tarde se manifiesta en la desertificación, así como la salinización o anegamiento de las tierras.4,5 Después del suelo, los bosques son los que más utilidades le proporciona al hombre. Por esta razón, antiguamente eran considerados por las civilizaciones que nos antecedieron como un patrimonio de alto valor. Ya que de ellos se proveían de alimentos, agua, materiales para construir sus moradas y albergue para sus familias.6 Sin embargo el hombre moderno está arrasando sistemáticamente esta herencia por seis causas: 1) La migración y asentamientos humanos espontáneos 2) La especulación de una fracción de tierra 3) La creciente demanda de recursos agropecuarios 4) La extracción de materias primas en forma abundante * Coordinación General de Investigación de la Facultad de Salud Pública y Nutrición, UANL. E-mail: pcantu@ccr.dsi.uanl.mx Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Pedro César Cantú Martínez 5) Los incendios forestales, que en un 90% son provocados por el hombre 6) La contaminación (lluvia ácida, ozono) Esta deforestación, ha provocado relevantes fenómenos en la naturaleza, que han repercutido a gran escala. por ejemplo, al perderse la cubierta forestal, se altera la creación de las lluvias, volviéndose estas erráticas, situación que es manifiesta en las vertientes de los ríos Ganges y Mekong, en el continente asiático, donde ya no escurren los mantos acuíferos en forma abundante como antaño, y sólo se deja sentir una estela de tierras áridas, de sed y hambrunas.7 Para observar la proporción de la alteración ambiental en las áreas boscosas, mencionaremos que en Costa Rica, se calcula que cada año se talan 65,000 hectáreas, y que desde 1960 se ha diezmado la tercera parte de los bosques tropicales de ese país. Por otra parte, en las Islas Filipinas se han perdido el 50% de los bosques en los últimos 50 años, y un 80% de esta cantidad fue talada, en los últimos 25 años. Así mismo, el país asiático de la India contaba a principios del siglo con una cobertura boscosa del 33% de su territorio, y las autoridades gubernamentales de ese país estiman que en la actualidad se ha perdido sólo un 13% de esa extensión, no obstante las fotografías de satélite indican que el valor real es de una pérdida estimada del 29%.8 Estos son ejemplos de la forma tan absurda en que se está destruyendo la riqueza forestal en algunas partes del mundo. En una panorámica amplia haremos hincapié en que se deforestan entre 600 y 700 km2 de bosques en el mundo por día, y que en 1950 estos tenían una cobertura del 30% sobre la superficie de los contientes, de los cuales la mitad eran zonas boscosas tropicales. Pero para el año de 1975 la superficie cubierta por los bosques tropicales se había reducido en un 12%, y se estima que al inicio del milenio ocupaban alrededor del 7% de las plataformas continentales.9 Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Nuestro país, México, cuenta con una masa boscosa de 48,350,000 hectáreas, que lo ubica en quinto lugar entre los países latinoamericanos; sin embargo ocupa también el cuarto lugar de deforestación en Latinoamérica, con 615,000 hectáreas al año, que equivale a un porcentaje anual del 1.3%. Para asegurar la supervivencia de los bosques que quedan en la Tierra, debemos concientizar al público en general, como también a los gobiernos, de las consecuencias mundiales de la destrucción y desaparición de los bosques, ya que la poca atención que se ha tenido hacia ellos al destruirlos, degrada paralelamente a otros recursos como el suelo, el agua, el aire, la fauna y la flora. SOBREVALORAR LA CAPACIDAD DE LOS ECOSISTEMAS La segunda instancia es sobrestimar la capacidad de los depósitos biológicos y minerales que creíamos inagotables, y que ha llevado a civilizaciones en el pasado a su desaparición, con el consecuente daño a la naturaleza, como fue el caso de las culturas mesopotámicas. En la actualidad la producción mundial de alimentos ha podido sufragar las demandas y necesidades de una población creciente. Sin embargo, poco a poco se están minando los sistemas ecológicos de producción de alimentos, en múltiples lugares del mundo, obligando al hombre a aumentar los esfuerzos para acrecentar los abastecimientos de alimentos. La agricultura y la pesca son actividades bajo las cuales el hombre es capaz de aprovechar eficazmente los recursos animales y vegetales de un ecosistema, y así proveerse de alimentos. Pero también ha provocado modificaciones con consecuencias inquietantes en la biósfera con estas acciones. Es notorio observar que en la actividad agrícola, se incorporan cada vez más tierras a la agricultura, o bien, se hace más frecuente el uso de sustancias quími- 31 �El deterioro ambiental y el futuro de la humanidad Deforestación indiscriminada. cas para elevar la producción. Esto con el fin de sustituir o mantener aún agotadas tierras como laborables. En este desempeño, el daño ecológico de más preocupación es el efecto contaminador, el cual está generando perturbaciones desastrosas, no sólo a escala local, sino incluso a nivel mundial, por el uso inadecuado de sustancias químicas (fertilizantes y biocidas) a que se recurre para elevar las cosechas.11,12 No obstante, también es preocupante, la forma en que las tierras de cultivo son desplazadas por el hombre a las faldas de las colinas, donde deterioran suelos de escasa durabilidad en aras de cultivar momentáneamente, y así promueven con esta acción la tala de los bosques y originan la erosión, que menoscaba los suelos por los escurrimientos pluviales o por la acción de los vientos. En este momento, en el país asiático de la India, la tensión ecológica se manifiesta en un uso indiscriminado de la tierra, por el aumento demográfico y del sobrepastoreo del ganado; a tal grado que el territorio ha sido en forma paulatina y sistemáticamente deforestado, debido a la falta de una infraestructura agraria bien planeada. Pagando un precio enorme ahora, por el deterioro ecológico de la tierra, y que es, el haber acabado increíblemente con ecosistemas altamente productivos.13 Otro reflejo del abatimiento de las fuentes alimentarias, es el que ocurrió en 1972 con las pes- 32 querías de anchovetas (Engraulis ringens) en Sudamérica, frente a las costas de Perú, donde las capturas pesqueras disminuyeron de 12 millones de toneladas a 2 millones de toneladas anualmente. Debido a la sobreexplotación, como a la corriente del Niño; fenómeno natural que consiste en un cuerpo de agua carente de nutrientes, que penetró y desplazó la corriente fresca y abundante en alimento. Así mismo, la pesca del arenque (Clupea harengus) en el Atlántico Norte, sufrió un declive en los bancos (de 4 millones a menos de un millón de toneladas) en la década de los sesentas y setentas, que obedeció a la excesiva pesca industrializada.14,15 Estas evidencias demuestran que los rendimientos pesqueros se redujeron por los efectos acumulativos de la pesca desmedida, superior a la tasa de reproducción de estos peces. Por otra parte el deterioro de los cuerpos de agua, ha repercutido en forma alarmante, en las áreas costeras, donde se acrecenta la corrupción del medio acuático, haciéndose patente, por ejemplo, en la disminución de los bancos de ostiones. Los límites a los que se puede llegar en los ecosistemas productores de alimentos varía de una región a otra, y va de acuerdo con la densidad de población, el estado del medio ambiente natural y de la capacidad biológica de las especies sujetas a explotación. CONTAMINACIÓN DE LOS ECOSISTEMAS Mientras la tercera instancia, y quizás la más importante, es aquella mediante la cual el hombre perturba más frecuentemente los ecosistemas, y denominamos en forma amplia como contaminación. Que es la introducción de sustancias no biodegradables (plásticos o biocidas) o sustancias naturales, como nutrientes, en cantidades no asimilables por el medio ambiente; o bien es la alteración de las condiciones físicas o químicas idóneas para la estabilidad de los ecosistemas. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Pedro César Cantú Martínez químicos a base de mercurio e insecticidas, los cuales convirtieron las aguas en oleadas de muerte y desolación a su paso. * Por otra parte, uno de los accidentes más conocidos fue el acaecido en Alaska, cuando en marzo 27 de 1989, el buque tanque Exxon Valdez derramó todo el cargamento de crudo (más de 28 millones de litros) que trasportaba, exterminando así una gran variedad de vida marina. Está claro que no hemos aprendido de estos deplorables acontecimientos, y que el manejo que realizamos de nuestro ecosistema global denominado Tierra, corre el peligro de precipitarse, dado que hemos llegado a cortar las hebras que sostienen el delicado y sorprendente equilibrio de la naturaleza. EXTINCIÓN DE ESPECIES Otra muestra de esta atribulación es la pérdida incuestionable de especies silvestres, debido al abatimiento de los habitats naturales, por el avance de los asentamientos humanos, que más bien deberíamos denominar «arrasamientos humanos», y que han llevado en forma paulatina a nuestro Planeta a un degradamiento con consecuencias imprevistas.18 Efecto de los derrames de petróleo en la fauna. Las consecuencias de la contaminación son violentas y patéticas. Tales fueron los casos a los que nos referiremos.16,17 * En la ciudad de Bhopal, en la India, en diciembre de 1984 una nube invisible del gas isocianato de metilo escapó de un complejo industrial, matando a cientos de personas y dejando a millares ciegas, y además aniquiló una gran cantidad de vida silvestre. * Así mismo, en 1986 en Basel, Suiza, ocurrió un siniestro en una compañía a orillas del río Rin, vertiendo 1,000 toneladas métricas, entre productos Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Cada especie de vida silvestre representa una obra excepcional de la madre naturaleza, que fue concebida a través de una serie de sucesos evolutivos desde que empezó a gestarse la vida sobre la Tierra. Sin embargo, muchas especies se han extinguido por los procesos geológicos cambiantes de la Tierra, tal fue el caso de la súbita desaparición de los dinosaurios, quedando tan solo como evidencia el registro fósil y sus descendientes evolutivos. No obstante, en la actualidad se cierne el peligro de desaparecer gran cantidad de especies por culpa de las actividades del hombre, siendo considerado hasta ahora como la única criatura exterminadora sobre la Tierra. 33 �El deterioro ambiental y el futuro de la humanidad Hay que recordar que cuando una especie desaparece, cuyo valor es inapreciable, jamás puede ser sustituida por otra, lo que conlleva un descenso perceptible de la biósfera, y que no tiene remedio. La alteración del ambiente por las presiones tecnológicas ha ocasionado el deterioro de los habitats, donde algunas especies son capaces de adaptarse y sobrevivir, mientras que otras no lo logran y se aproximan a un nivel crítico en donde tienen que emigrar y sujetarse a nuevas presiones biológicas y ambientales que gradualmente merman su capacidad de tolerancia y así desaparecer posteriormente. El hombre ha tenido la particularidad de acabar con muchas poblaciones de especies silvestres, al matarlas por un interés puramente comercial, al sobre-explotarlas sin prudencia y excesivamente; aunado al control que la naturaleza ejerce sobre los organismos. La diferencia entre ambos casos es que la naturaleza lo efectúa sabiamente sobre los animales viejos y enfermos, mientras el hombre lo hace sobre los individuos mejor dotados o indistintamente, lo que se traduce en un debilitamiento de las poblaciones. Ejemplos sobre la extinción de especies por la conducta del hombre son conocidos, tenemos el caso ocurrido durante el siglo XVI en la isla de Mauricio en el Océano Indico, donde por una combinación de explotación directa hecha por el hombre y la predación continúa y sin control por los mamíferos introducidos por el mismo hombre orillaron a la extinción del ave conocida como «dodo» (Rhaphus cucullatus).19 Otro suceso similar fue el ocurrido en Norteamérica, cuando en 1914 murió la última paloma viajera (Ectopistes migratorius) en el Zoológico de Cincinnati, Estados Unidos, después que la característica de sus poblaciones era el número gigantesco que sobrevolaban en el cielo, llegándose a calcular, en el año de 1810, que una parvada tenía más de dos millones de aves.20 Sin embargo existen otros ejemplos actuales que 34 Clupea harengus. El arenque ha estado sujeto a una pesca excesiva. podemos mencionar para delatar la conducta peligrosa que el hombre tiene con las especies silvestres al ponerlas al borde de la extinción. Tal es el caso de la locura que han despertado las cactáceas entre los coleccionistas de plantas, al colectarlas indiscriminadamente sin regulación en el campo, mermando las poblaciones y las posibilidades de reproducirse por el aislamiento a que son sujetas. Por otra parte, en la actualidad, el comercio de las pieles ha provocado matanzas indiscriminadas y crueles en grandes cantidades, como en el caso de los bebés de focas. Y qué decir, de la eliminación de numerosas manadas de elefantes, tan sólo por el lucro de comercializar el marfil. Esta intromisión atroz del hombre en el medio natural, también se reflejó en la forma brutal en que los bisontes (Bison bison) fueron casi exterminados de las praderas norteamericanas porque competían por los pastos con el ganado bovino y ovino, en primera instancia, y después por el simple «placer» de cazar. En 1850 había sesenta millones y para 1900 únicamente quedaban 500 animales.21 Estas referencias hacen ver indiscutiblemente la ética del hombre, que durante siglos ha sido ambivalente y egocentrista, con respecto a las criaturas que comparten la Tierra con él, manifestándose en distintos grados de afecto, respeto, crueldad y explotación, en otras palabras se ha abusado de ellas en toda forma concebible. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Pedro César Cantú Martínez CONCLUSIONES El hombre, hasta ahora ha aplicado su inteligencia en aras de progresar, saqueando y explotando la naturaleza, lo que ha traído consecuencias nefastas a los ciclos biológicos y de energía. Es en esta ferocidad, que se aventura a encontrarse en un Planeta moribundo, donde quizás sus únicos acompañantes serán las sojuzgadas especies domesticadas y aquellas que logren resistir sus embates. La incógnita que nos asedia, es cuánto tiempo podrá soportar nuestro ecosistema planetario las periódicas embestidas que realizamos en su contra. Y el dilema que se nos presenta supera a cualquier generación humana que nos haya antecedido, ya que debemos cambiar nuestro proceder, porque cuando nos apartamos de la naturaleza, nos convertimos en una especie mordaz, abundante y ambiciosa. Por lo cual estamos obligados a reconciliarnos con nuestro ambiente natural, y transformarnos en una criatura ecocéntrica en lugar de egocéntrica, y que acepta que existe un proceso mucho más grande que ella. Este es el tiempo oportuno para redefinir, en un nuevo intento, que es lo que pedimos y necesitamos de nuestra Tierra, y así alcanzar un nivel de humanidad sin precedentes hasta hoy, convirtiéndonos en verdaderos seres humanos, preocupados por la promesa de revelar un mañana con una vida mejor, a las generaciones futuras que no tienen voz en las decisiones actuales. REFERENCIAS 1.Cantú-Martínez, P.C. 1992. Contaminación ambiental. Ed. Diana 80 pp 2. Cantú-Martínez, P.C 2000. La revolución ambiental, hacia un nuevo paradigma ecológico. Ciencia UANL Vol. 3 No. 3 3. Bolaños, F. 1990. El impacto biológico. Coordinación General de Posgrado, Instituto de Biología, Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 UNAM 476 pp 4. Glantz, M.H. 1977. Desertification. Environmental Degradation in and aroun Arid Lands. Wertview Press 346 pp 5. Eckholm, E.P. y L.R. Brown 1980. Expansión de los Desiertos. Ed. Tres Tiempos. 57 pp 6. Iverson, J. 1975. 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Idem. 20. Idem. 21. Idem. 35 �Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado Parte II. Validación experimental Eugenio López Guerrero, Miguel Ruiz Silva* Abstract Since the study of machinability must be done under a particular criterium, we have chosen for this work the analysis of the chip geometry. In the first article of this serie was exposed also the mathematical model of the tool movement, and the influence on the machined surface. This second article presents the experimental results of the statistical study of the relationship between the parameters of the NC-code and chip thickness. This should allow part of the validation of the method presented in the first article. Key words: geometric modeling, machining, machinability, CNC. INTRODUCCIÓN En el artículo anterior se expusieron las razones por las cuales el análisis de la viruta, tanto de la morfología así como de otras propiedades, puede utilizarse para evaluar la calidad del maquinado. El análisis matemático ideal presupone que la viruta se comporta como un cuerpo rígido y que el corte ocurre en forma geométrica perfecta. La diferencia de posición de un álabe de la herramienta con respecto al anterior durante el proceso da como resultado el espesor de la viruta. Resultados estadísticos de un ensayo bajo condiciones de maquinado iguales a las del análisis mostraron cierta validez de la matemática propuesta. * Este trabajo presenta ensayos del mismo modelo bajo diferentes condiciones de maquinado, sus resultados y conclusiones. Un ejemplo del tipo de resultados que se discuten se muestra en la figura 1. OBJETIVOS Los objetivos del presente trabajo son: a) validar por medio de una serie de experimentos el modelo 36 Fig. 1. Superficie de probabilidades de ocurrencia para los espesores de rebaba de los ensayos. propuesto para el análisis de viruta y su influencia en los parámetros del proceso de maquinado, b) establecer una relación entre dicho modelo y las propiedades del proceso y de esta manera inferir resultados en situaciones de maquinado que puedan ser mejoradas. A continuación se muestra cómo alcanzar ambos objetivos. Trabajos posteriores deberán establecer las condiciones que permitan la aplicación de este método a nivel industrial. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Caracterización del material utilizado. El material usado en los experimentos fue un perfil extruído de aluminio comercial para maquinado que es usado en la región por talleres de maquinado para la fabricación de piezas de aluminio con aplicación de planta tales como guías, cajas de balero para correderas, etc. En la industria de la decoración tiene aplicaciones como piezas de ornato y soportes de carga, como lámparas de mesa y otros objetos de uso doméstico. * Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL E-mail: elopez@uanl.mx Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Eugenio López Guerrero, Miguel Ruiz Silva El análisis electroquímico identificó al material como aluminio 6063 de acuerdo a las tablas del Manual de Aluminios de la ASM. Los valores resultados de las pruebas a tensión revelan que el material es una aleación de aluminio tipo 6063 con tratamiento térmico clase T6 ó T8. Condiciones de maquinado. Para los experimentos se maquinó la barra de aluminio con condiciones de corte fijas utilizando un centro de maquinado EMCO VMC 300. El corte se hizo a 2.54 mm (0.1in). No se utilizó refrigerante. El resto de los valores de corte experimentales fueron los mismos que los usados en los cálculos teóricos (tabla I). Tabla I. Valores uti li zados para los cálculos y los experi mentos de maqui nado. Número de álabes N 2 Radi o de la herr. (mm) r 10 Veloci dad de gi ro (rpm) S 800 Profundi dad (mm) t 2.54 Se realizaron cinco experimentos, las velocidades de avance para cada uno de ellos se muestran en la tabla II. Tabla II. Valores de veloci dad de corte uti li zados en los experi mentos de maqui nado. Avance F mm/mi n Exp. #1 Exp. #2 Exp. #3 Exp. #4 Exp. #5 100 90 80 60 70 Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Fig. 2. Mediciones de diferentes puntos de cada rebaba por medio de programas de computadora. Utilizando un microscopio óptico NIKON a 5X y un programa computacional de análisis de imágenes digitales (figura 2) se hicieron tres mediciones por cada rebaba de cada ensayo. Se seleccionó el valor de espesor máximo de rebaba y se obtuvieron los datos de la figura 3. Las tendencias se denotan con aproximaciones lineales. Cálculos estadísticos. Los diagramas de frecuencia hechos para cada experimento se muestran en la figura 4. En general muestran dos poblaciones por experimento: “baja” y “alta” dimensión de espesor. La de más clara tendencia es la población “baja” para todos los casos, excepto el experimento #3, el cual tiene una diferencia de 90µm (=123-213)µm. Ya que la diferencia entre la situación de maquinado entre experimentos es solamente la velocidad de avan- 37 �Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado. Parte II. Validación experimental Fig. 3. Datos obtenidos de la medición de viruta de las muestras de cada situación de maquinado. Fig. 4. Diagrama de densidad de frecuencias de los espesores máximos de viruta para cada experimento. 38 Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Eugenio López Guerrero, Miguel Ruiz Silva ce, es posible construir la tercera dimensión como un eje adicional. La figura 1 muestra entonces la superficie de densidad probabilística de ocurrencia de los espesores de viruta en función de la velocidad de corte. A partir de ellos es posible contruir curvas de inferencia del comportamiento del espesor en función de la velocidad. Estas curvas se muestran en la figura 5. Los valores estadísticos de las poblaciones se muestran en la tabla III. DISCUSIÓN Tabla III. Medi a estadísti ca del espesor de vi ruta p a r a c a d a e xp e r i m e n t o c o n u n i n t e r va l o d e confi anza del 95%. E xp. Frec. baja (µm) Frec. alta (µm) Intervalo de confi anza de la medi a Medi a (µm) 0 133 361 110.0 189.1 149.5 1 160 256 177.3 213.0 195.1 2 136 192 154.5 196.2 175.3 3 122 213 156.1 192.4 174.2 4 90 209 153.8 174.5 164.2 5 90 196 169.4 192.3 180.8 Como era de esperarse, el valor de espesor de viruta máximo se incrementa conforme se aumenta la velocidad de corte (figura 5a). Sin embargo, presenta un comportamiento no lineal (figura 5b) que puede ser explicado como consecuencia del arranque del material por la herramienta al no alcanzar ésta a cortarlo adecuadamente debido a la velocidad, lo que explicaría la presencia de dos poblaciones por experimento (figura 4). La figura 5d muestra la relación entre la media estadística de las poblaciones con respecto a la velocidad de corte. Significativamente la tendencia de las figuras 5a, 5b y 5d es la misma, lo que demuestra la relación proporcional de la velocidad de corte con el espesor de la viruta. Los picos secundarios de los diagramas de frecuencia de la figura 4 pueden explicarse también como Fig. 5. Diagrama estadístico de mediciones de los espesores máximos contra velocidad de avance para cada experimento: a) población baja b) población alta, c) promedio de (a) y (b) y finalmente d) media estadística. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 39 �Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado. Parte II. Validación experimental diferencias posicionales de la viruta en el proceso de medición, lo que podría ocasionar el medir espesores fuera del plano de la sección transversal de cada viruta. Una forma sencilla de ver el intervalo del espesor de la viruta con respecto a la velocidad de corte es una vista en planta de la superficie de densidades de la figura 1, esta vista en planta se muestra en la figura 6. exhaustivos que permitan relacionar la morfología completa de la viruta con la situación de corte ni las propiedades de materiales. Es necesario considerar y validar la inferencia de la calidad del maquinado por medio de la características de la viruta tales como rugosidad y textura dentro del modelo propuesto. RECONOCIMIENTOS El presente trabajo fue realizado por los autores como parte de su proyecto de investigación en el Doctorado de Materiales FIME-UANL bajo el apoyo de PROMEP y PAICYT 2001 (contrato CA556-01), utilizando las instalaciones del Centro de Manufactura Integrada por Computadora y del Programa Doctoral de Materiales de la FIME UANL. Fig. 6. Vista en planta de la superficie de la fig. 1 que muestra claramente el intervalo de espesores de rebaba esperado a partir de los datos obtenidos de los experimentos. CONCLUSIONES Y RECOMENDACION El estudio de la maquinabilidad debe contemplar algo más que las propiedades de maquinado de un material bajo un análisis ortogonal simple. El desarrollo de nuevas tecnologías, criterios de evaluación y complejidad de productos obligan a replantear el estudio del proceso de maquinado en forma integral. Se ha demostrado que bajo condiciones de maquinado moderadas es posible pronosticar algunas características de viruta en función de la velocidad de corte. El presente trabajo no considera experimentos 40 Los autores agradecen la colaboración de los ingenieros Roberto Mireles, Francisco Delgado y Eleazar Sánchez de la Coordinación de Automatización; a los estudiantes del programa “Verano de Investigación UANL” Juan Manuel García Reyes y Ana Cristina de la Portilla; al Dr. Virgilio González del programa doctoral de materiales de FIME. BIBLIOGRAFÍA 1. López, E. Ruiz, M. Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado. Revista Ingenierías vol. IV, no. 13, 2001. 2. American Society of Tools Engineers. Tool Engineers Handbook. Mc Graw Hill, 1949. 3. Shaw, Milton. Metal cutting principles. Oxford University Press, 1984. 4. Stevenson, Robin and Stephenson, David. The effect of prior cutting conditions on the shear mechanics of ortogonal machining. Minerals, Metals and Materials Society, 1996. 5. Groover, Mikell P. Fundamentals of Modern Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Eugenio López Guerrero, Miguel Ruiz Silva Manufacturing, Ed. Prentice Hall, 1996. 6. V. Chiles, S.C. Black and Arnold. Principios de Ingeniería de Manufactura. CECSA, 1999. 7. Metals Handbook 9th edition, vol 6 “Aluminium”. ASM International, 1989. 8. Cavazos García, José Luis. Tratamiento térmico de una aleación de aluminio 6063. Tesis Doctoral FIME-UANL, 1998. 9. Metals Handbook 9th edition, vol 16 “Machining”. ASM International, 1989. 10. Degarmo, Paul E, Black, J.T. y Kohser, Ronald A. Materials and Process in Manufacturing. Ed. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Prentice Hall, 1997. 11.Boothroyd, Geoffrey. Fundamentos de Corte de Metales y de las Maquinas-Herramientas. Ed. 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The method proposed in this paper uses a neural network approach to solve the power swing identification task as a pattern-recognition problem, using information about the dynamic behavior of the apparent impedance measured by the relay. The results obtained are based on transient stability studies on a power system model using MATLAB. These results show that a neural network can identify very fast power swings. Keywords: Distance protection, protective relaying, power systems, neural networks, pattern recognition. I. INTRODUCCIÓN Una oscilación de potencia es un régimen anormal de operación que provoca alteraciones en los parámetros del sistema en ausencia de fallas. Las oscilaciones de potencia entre las máquinas síncronas de un sistema eléctrico de potencia se originan por lo general, como consecuencia de la desconexión tardía de un cortocircuito, o ya sea por la desconexión de una línea de enlace o una planta generadora. Este régimen se presenta también cuando se utilizan en el sistema dispositivos de recierre automático asíncrono de interruptores. Como consecuencia de una oscilación de potencia se origina la variación con el tiempo del ángulo de defasaje (δ) entre las fuerzas electromotrices (FEM), la corriente y el voltaje adquieren un carácter pulsante. La frecuencia de estas oscilaciones es del orden de 0.1 a 5 Hz. Las bajas frecuencias son características de sistemas eléctricos fuertes y de los primeros 42 instantes de la oscilación, y las altas frecuencias son típicas en sistemas débiles y en ciclos de oscilación posteriores al primero.1 Una oscilación de potencia no es en general simétrica debido a las asimetrías propias de los elementos del sistema, a las presencias de fallas asimétricas ó a disparos y recierres monopolares, además de que la frecuencia también varía durante la oscilación de potencia.2 Durante un cortocircuito la impedancia aparente medida por los relevadores de distancia coincide (en el caso ideal) con la impedancia de la sección de la * Programa Doctoral en Ingeniería Eléctrica de la FIME-UANL. jrcoutino@yahoo.com, evazquez@gama.fime.uanl.mx, ochacon@uanl.mx ** Schweitzer Engineering Laboratories Inc. haltuve@hotmail.com Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Josué Coutiño O., Ernesto Vázquez M., Óscar Chacón M., Héctor J. Altuve F. línea comprendida entre el punto de ubicación del relevador y el del cortocircuito, Zr = Vr Ir (1) En general la impedancia Zr es proporcional a la longitud de la sección de la línea comprendida desde el punto de ubicación del relevador hasta el punto del cortocircuito, es decir, proporcional a la distancia eléctrica hasta la falla. Al ocurrir un cortocircuito la corriente aumenta y el voltaje disminuye, por lo que Zr tiende a disminuir. Este efecto puede hacer que el relevador de distancia opere inadecuadamente, debido a que en las oscilaciones de potencia se presenta el mismo efecto, reducciones de voltaje e incrementos de corriente. En este trabajo se analizan algunos métodos de bloqueo por oscilaciones de potencia y se propone la utilización de una red de neuronas artificiales para identificar la condición anormal que está ocurriendo, y bloquear la operación del relevador si se trata de una oscilación de potencia. II. MÉTODOS DE BLOQUEO POR OSCILACIONES DE POTENCIA A. Medición de la razón de cambio de la impedancia. Este método se basa en el hecho de que los puntos que forman la trayectoria de impedancia aparente medida por el relevador se desplazan por el plano complejo con distintas velocidades en los casos de cortocircuitos y de oscilaciones de potencia. En este caso, el elemento de bloqueo tiene una característica que circunda a la del relevador de distancia en el plano complejo (figura 1). Cuando se origina una oscilación de potencia, el punto comienza a desplazarse de derecha a izquierda Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 X Pf P´´ P´ Po R Fig. 1. Principio de operación de un sistema de bloqueo de disparo por oscilaciones de potencia. por el plano complejo-impedancia (el generador equivalente detrás del relevador se acelera con respecto al sistema), pasa por las posiciones P´ y P´´, y entra en la zona de operación del relevador de distancia. Como el desplazamiento de P es relativamente lento hay un intervalo de tiempo apreciable entre los momentos en que P ocupa las posiciones P´ y P´´, lo que da tiempo a que la señal emitida por el relevador de bloqueo impida la puesta en funcionamiento del relevador de distancia. Cuando ocurre un cortocircuito trifásico en el punto Pf de la línea protegida, el punto P se desplaza a gran velocidad, por lo que los puntos P’ y P’’ son prácticamente simultáneos. La señal de bloqueo no tiene tiempo de originarse y el relevador de distancia está libre para operar, si el cortocircuito lo requiere. Este método tiene dificultades para discriminar entre cortocircuitos y oscilaciones de potencia muy rápidas, como las que ocurren durante las pérdidas de sincronismo en sistemas eléctricos débiles, sobre todo 2 después del primer ciclo de la oscilación. Este esquema de bloqueo funciona correctamente en el primer ciclo de una pérdida de sincronismo, sin embargo 43 �Identificación de oscilaciones de potencia utilizando reconocimiento de patrones puede llegar a fallar en ciclos posteriores permitiendo la operación incorrecta de relevadores de distancia. B. Medición de la razón de cambio de la resistencia aparente. Este método se basa en la medición de la razón de cambio de la resistencia aparente para identificar oscilaciones de potencia inestables (pérdidas de sincronismo) y proporcionar un medio de bloqueo en condiciones de oscilaciones de potencia estables.3,4 La ley de control basada en la razón de cambio de la impedancia se describe como: donde U1 es el control de la salida, Z es la magnitud U1 = (Z − Z1 ) + T1 dZ dt (2) de impedancia aparente medida por el relevador, Z1 y T1 son parámetros del relevador y dZ/dt se expresa como (3). Cuando la impedancia medida por el relevador (Z), 2 X X Z2 +  • • • dZ 2 δ 4 =Z =− δ =− dt X δ  sen 2   2 (3) es menor que su ajuste (Z1), la salida de control U1 cambia de un valor positivo a uno negativo. En un plano de fase, U1 representa la “frontera de decisión”. La operación tiene lugar cuando la trayectoria de impedancia aparente cruza la “frontera de decisión” de derecha a izquierda. El segundo término de la ley de control (2) se refiere a la razón de cambio de la separación angular de los generadores equivalentes en ambos ex- 44 tremos de la línea, y tiene por objetivo anticipar una probable inestabilidad en el sistema (un dZ/dt de valor pequeño corresponde a una pequeña razón de cambio angular y viceversa). Para una oscilación de potencia estable o de pequeña magnitud, el término dZ/dt será muy pequeño, y el esquema operará de forma similar al método anterior. Sin embargo, durante oscilaciones de potencia inestables y pérdidas de sincronismo, el término dZ/dt adquiere valores negativos de mayor valor que anticipa un disparo intencional por pérdida de sincronismo. El nivel de anticipación está determinada por T1, que representa el tiempo total de operación del esquema (relevador e interruptor). Por lo tanto, U1 se representa con una línea recta en el • plano de fase (Z, Z ). En la práctica, este método se ha implementado utilizando la razón de cambio de la resistencia aparente, con el fin de que el relevador sea insensible a la ubicación del centro eléctrico con respecto al punto donde está instalado el relevador. La discriminación entre fallas y oscilaciones se realiza con dos características de resistencia Rb1 y R b2, separadas en base al mayor valor negativo esperado de dR/dt durante una oscilación de potencia, a fin de tener al menos dos muestras de resistencia entre Rb1 y Rb2. Por lo tanto, si el tiempo transcurrido desde que la resistencia aparente es menor que Rb1 hasta que también se vuelve menor que Rb2 es mayor que un ajuste ∆ T, se determina que se trata de una oscilación de potencia y se bloquea la operación del relevador. Es importante mencionar que el esquema propuesto en este método tiene mayor énfasis en provocar el disparo intencional por pérdida de sincronismo, y que el método para la detección de la oscilación de potencia es similar al método de la razón de cambio de la impedancia (dos características de resistencia separadas un ∆R). Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Josué Coutiño O., Ernesto Vázquez M., Óscar Chacón M., Héctor J. Altuve F. C. Método de la razón de cambio de una componente de voltaje. Este método se basa en la variación abrupta de una componente del voltaje medida en la ubicación del relevador5. La componente del voltaje es Vcosϕ y tiene la característica que su variación es independiente de la localización del relevador. Considere el sistema de dos máquinas de la figura 2; E A y E B son las fuerzas electromotrices de cada generador y XA, XB las reactancias del circuito, tal que XAB=XA+XB, kX = XA / XB y kE = EA / EB. XA s r XB V E E locidad es positiva y para un intervalo amplio de δ la señal será negativa con un valor negativo grande en la vecindad de δ = π: señal = dq d ∂q ∆w = [V cos ϕ ] ≅ dt dt ∂δ (5) Para oscilaciones de potencia estables la desviación de la velocidad es positiva para un flujo de potencia positivo (r a s), cero cuando el flujo es cero y negativa para un flujo negativo (s a r). Como (5) es negativa para flujo positivo, ésta desaparece cuando el flujo es nulo y se vuelve positiva cuando el flujo es negativo. Cuando la señal desaparece y se vuelve positiva, la señal de bloqueo debe ser sostenida por un detector de falla. Los puntos s y r representan las terminales de envío y recepción de las líneas respectivamente, conectadas a una barra y con la dirección de flujo de potencia opuestos La expresión (4) ha sido derivada para la terminal de envío de la línea, mientras que para la terminal de recepción el signo de q es opuesto. En general es imposible predeterminar si una terminal es de envío o de recepción, en especial en redes malladas donde la dirección del flujo de potencia no es fijo y puede cambiar de acuerdo a la condición de operación. En estas circunstancias el relevador de bloqueo basado en Vcosϕ funciona mal, debido a que dq/dt tiene un signo erróneo. Del circuito se puede demostrar que para el extremo de envío: D. Método mejorado de la razón de cambio de una componente de voltaje. Fig. 2. Circuito equivalente de un sistema de potencia de dos máquinas. q = V cos ϕ = P = I E A senδ (4) k + 1 − 2k E cos δ 2 E Una propiedad importante de esta componente de voltaje es que no depende del coeficiente kX que representa la ubicación del relevador en la red. El criterio de operación de éste método está determinado por el decremento continuo de |Vcosϕ|. Cuando ésta disminución alcanza un valor de umbral, se genera una señal de bloqueo. Para operaciones asíncronas la desviación de ve- Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Un método alternativo para evitar los problemas asociados al signo de la señal q=Vcosϕ es utilizar una entrada adicional.6 La resistencia y la reactancia, en función del ángulo de potencia δ, vistas por el relevador de distancia están dadas por: R (t ) = ± X B k E ( k X + 1) senδ k E2 + 1 + 2k E cos δ X (t ) = ± X B k E2 − k X + k E (k X − 1) cos δ k E2 + 1 − 2k E cos δ (6) (7) 45 �Identificación de oscilaciones de potencia utilizando reconocimiento de patrones donde el signo (+) es con respecto a la terminal de envío y el signo (-) es con respecto a la terminal de recepción de la línea. En base al sistema de la figura 2 la dirección de la trayectoria de impedancia aparente medida por el relevador en una oscilación de potencia está dada por: dR dt (δ =π ) = ± XB k E (k X + 1) ∆ω (k E + 1) 2 (8) donde el signo (+) es con respecto a la terminal de envío y el signo (-) es con respecto a la terminal de recepción de la línea. Todos los factores en (8) son positivos y para una desviación de velocidad ∆ω > 0, dR/dt es negativa con respecto al extremo de envío y positiva con respecto al extremo de recepción de la línea. La conclusión de la consideración anterior es que el signo de la derivada con respecto al tiempo dR / dt ≅ ∆R / ∆t o simplemente el signo del incremento ∆R determina el signo de la señal de bloqueo. Por lo tanto, (5) se modifica como: señal = dq sign FD dt (9) donde FD es la señal del detector de falla y sign está determinado de la siguiente forma:  + 1,  sign =  0,  − 1,  ∆R < 0 ∆R = 0 ∆R > 0 (10) Esta modificación provoca que en operaciones asíncronas (9) sea negativa para ambos tipos de nodos de envío y de recepción. Por otra parte para oscilaciones de potencia síncronas la señal es negativa para direcciones de flujo en ambos sentidos, ya que el signo de ∆R para flujo negativo (s a r) es opuesto al signo del flujo positivo y compensa los cambios de signo de la desviación de la velocidad. 46 III. MÉTODO PROPUESTO El problema de identificación de oscilaciones de potencia para funciones de bloqueo de relevadores de distancia tiene características que sugieren su posible solución mediante técnicas de inteligencia artificial, y, en particular, utilizando redes de neuronas artificiales (RNA). En este sentido, la discriminación entre cortocircuitos y oscilaciones de potencia puede concebirse como un problema de reconocimiento de patrones, área donde las RNA han probado ser adecuadas.7 El enfoque propuesto en este artículo consiste en entrenar una red de neuronas artificial (RNA) utilizando como información de entrada las variables eléctricas correspondientes a oscilaciones de potencia (condición de bloqueo, identificada como una salida +1 de la RNA) y cortocircuitos (condición de no bloqueo, que se identifica como una salida -1) en el sistema eléctrico de potencia. A fin de evaluar el impacto del procesamiento digital de señales utilizado en los modernos relevadores de distancia, se simuló el filtrado analógico anti-aliasing, el proceso de muestreo y el filtrado digital8 como etapas previas a la RNA. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto la capacidad de generalización de la RNA para discriminar entre las trayectorias de impedancia correspondientes a oscilaciones de potencia y fallas, lo que representa la base de un nuevo método de bloqueo de disparo por oscilaciones de potencia que no es afectado por la frecuencia de oscilación. A. Estructura de la RNA. Las neuronas de la red fueron implementadas utilizando funciones de activación sigmoidales bipolares que en previos trabajos de investigación han demostrado tener un mejor comportamiento para el mapeo no lineal.9 Con respecto a la arquitectura de la red, se decidió utilizar una estructura de propagación hacia delante (no recurrente) con dos capas de perceptrones (figura 3). Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Josué Coutiño O., Ernesto Vázquez M., Óscar Chacón M., Héctor J. Altuve F. 1: B loqueo -1: N o B loqueo P 100 M V A 20 K V H = 5.6 Z −1 0.319+ j1.5 R Falla 3 φ Z −1 C apa de entrada C apa oculta C apa de salida Fig. 3. Estructura de la RNA propuesta. La estructura propuesta consiste en una RNA con dos capas de neuronas, cinco neuronas en la capa oculta y una en la capa de salida, debido a que se trata de una decisión binaria (bloqueo, no bloqueo). La estructura de la RNA fue determinada por regularización;10 esta técnica permite, a partir de la información de entrada, determinar el número mínimo de conexiones entre neuronas que asegure el entrenamiento de la red. Fig. 4. Sistema de Potencia. Los patrones de entrada (P) se formaron a partir de las muestras de la impedancia medida por el relevador (figura 4) de manera que cada uno está compuesto por 5 muestras de resistencia y 5 muestras de reactancia como Pi=[Ri,...,Ri+4,Xi,...,Xi+4]t (ver figura 5). La salida de la RNA se seleccionó como +1 para oscilaciones de potencia (bloqueo) y –1 para fallas (no bloqueo). En total se generaron 906 patrones de entrenamiento, de los cuales 311 fueron de fallas y 595 de oscilaciones. El proceso de entrenamiento redujo el error a los valores límite de 2x10-8 en un tiempo aproximado de 2.5 segundos utilizando el método de Levenberg-Marquardt.11 B. Entrenamiento de la RNA. La perturbación aplicada al sistema fue un cortocircuito trifásico al final de la línea, el cual era liberado posteriormente. Las trayectorias de la impedancia aparente correspondientes a fallas y oscilaciones de potencia vistas por el relevador se generaron con diferentes tiempos de liberación de la falla. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 0 .3 2 P1 0 .3 1 P2 0 .3 P3 0 .2 9 R e a c ta n c ia (p u ) Para la generación de patrones de entrenamiento de la RNA se hizo la simulación en MATLAB del sistema de potencia de prueba mostrado en la figura 4. Está compuesto por un generador conectado a un sistema infinito a través de una línea de transmisión. El período de integración utilizado es de 1 ms, de modo que se obtienen valores fasoriales de voltaje y corriente espaciados 1 ms. Esto equivale a la información que se obtiene en un relevador digital con una frecuencia de muestreo de 960 Hz (16 muestras por ciclo), que es muy utilizada en relevadores comerciales. 0 .2 8 0 .2 7 0 .2 6 0 .2 5 0 .2 4 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 R e s is te n cia (p u ) 1 1 .1 1 .2 1 .3 1 .4 Fig. 5. Patrones de entrenamiento. 47 �Identificación de oscilaciones de potencia utilizando reconocimiento de patrones El retardo de tiempo introducido por las etapas de filtrado de un relevador digital ocasiona que la impedancia aparente medida por el relevador presente una variación más lenta de lo que en realidad es. Este comportamiento puede ocasionar que la RNA confunda un cortocircuito con una oscilación de potencia, provocando la operación incorrecta del esquema de bloqueo. Para evaluar este efecto se simularon las etapas de filtrado analógico anti-aliasing, el proceso de muestreo y el filtrado digital, tal y como se muestra en la figura 6. I L 1 = 8.75+ 125j F iltro an tialiasing A /D F iltro digita l T1 RNA (D e term in a ció n d e l fa so r d e im p e da n cia ) Fig. 6. Proceso de filtrado de señales en un relevador digital. La información de voltaje y corriente se obtiene (por simulación) como una secuencia de muestras correspondiente a una frecuencia de muestreo de 28.8 KHz. Esta señal “analógica” es aplicada al modelo digital de un filtro anti-aliasing (Butterworth de cuarto orden y 90 Hz. de frecuencia de corte) y posteriormente es diezmada (razón 1/30), para simular el proceso de muestreo a una frecuencia de 960 Hz., típica en relevadores digitales de distancia. Los fasores de voltaje y corriente así como la impedancia medida se obtienen con un filtro digital tipo coseno, con una ventana de datos rectangular de 16 muestras.12 Es importante hacer énfasis en que la RNA fue entrenada sin considerar el retardo de tiempo introducido por las etapas de filtrado y se analizó su comportamiento en la discriminación entre oscilaciones de potencia y cortocircuitos tomando en cuenta este efecto. 48 Se realizaron diversas pruebas para analizar el comportamiento de la RNA utilizando el sistema trifásico que se muestra en la figura 7, el cual fue simulado con el programa EMTDC.13 Una de estas pruebas consistió en analizar la respuesta de la RNA ante una oscilación inestable (pérdida de sincronismo) provocada por la liberación tardía de una falla. Para ello se simuló una falla trifásica en el nodo del transformador T2 a los 0.1 segundos, sostenida durante 20 ciclos y liberada con la apertura de la línea L1. T2 R 100 M V A 20 K V H = 3.1 L 3 = 2.625+ 37.5j L 4 = 2.625+ 37.5j L 2 = 3.5+ 50j BI F alla 3 φ Fig. 7. Sistema de prueba. En la figura 8 se puede apreciar el comportamiento transitorio de la impedancia aparente durante la falla y la oscilación de potencia originada por la apertura Trayectoria de Z 5 4 3 2 1 Reactancia (pu) V IV. RESULTADOS 0 -1 -2 -3 -4 -5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Resistencia (p u) Fig. 8. Trayectoria de impedancia aparente medida por el relevador. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Josué Coutiño O., Ernesto Vázquez M., Óscar Chacón M., Héctor J. Altuve F. de L1. Los valores de impedancia están normalizados con respecto a la impedancia de la línea L2, donde está conectado el relevador. A fin de restringir la función de bloqueo a las oscilaciones de potencia (estables o inestables) que crucen por la impedancia de la línea, se definió una ventana en el plano complejo impedancia en forma de un cuadrado de 3 pu de lado (ver figura 8), centrado en el origen de coordenadas. La suposición en este caso es que si la línea protegida tiene 1 pu de impedancia, la acción de bloqueo puede restringirse a esa área solamente. Esto significa que cuando la impedancia aparente está fuera de la zona de bloqueo, la RNA permanece desactivada (la salida es –1). En la figura 9 se muestra la salida de la RNA. En este caso se puede observar como la RNA inhibe el bloqueo cuando la impedancia aparente medida por el relevador penetra en la zona de bloqueo, ya que se trata de un cortocircuito. Una vez que el Este caso es una evidencia clara de cómo la RNA es capaz de discriminar entre un cortocircuito y una oscilación de potencia, aun cuando ambos fenómenos ocurren dentro de la zona de bloqueo. La identificación de oscilaciones de potencia es primordial debido a que éstas, en sistemas débiles, pueden alcanzar frecuencias altas en el cual el proceso puede confundirse con un cortocircuito. 1 0 .5 S a lida d e la R N A Se aprecia también como la RNA activa el bloqueo cuando la impedancia aparente penetra por segunda vez en la zona de bloqueo durante la pérdida de sincronismo en el sistema. V. CONCLUSIONES 1 .5 El método propuesto se basa en la identificación de oscilaciones de potencia mediante RNA. La información de entrada está formada por valores de resistencia y reactancia que corresponden a trayectorias de impedancia aparente que se describen en el plano complejo como resultado de oscilaciones y cortocircuitos; este método a diferencia de otros, no requiere de ningún ajuste para su buen desempeño. 0 -0 .5 -1 -1 .5 corto circuito es liberado con la apertura de la línea L1, inicia la oscilación de potencia, (que posteriormente deriva en perdida de sincronismo); en la figura 9 se puede apreciar como la RNA identifica el cambio de condición y habilita la función de bloqueo para evitar la operación incorrecta del relevador. No obstante, este proceso retarda 5 ms después de liberada la falla, que es el tiempo que transcurre para que la RNA procese la información completa de la oscilación de potencia. 0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 T ie m p o (s) 0 .5 0 .6 0 .7 Fig. 9. Respuesta de la RNA a la perturbación mostrada en la fig. 8. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Los resultados obtenidos de las simulaciones demuestran el buen desempeño de las RNA para detectar las oscilaciones e impedir la operación incorrecta de los relevadores de distancia durante estas condiciones. 49 �Identificación de oscilaciones de potencia utilizando reconocimiento de patrones VI. AGRADECIMIENTO Los autores desean agradecer al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) el apoyo para la realización de este trabajo a través del proyecto 28562-A. VII. REFERENCIAS 1. E. W. Kimbark, Power System Stability: Synchronous Machines, NY: Dover Publications, 1956. 2. H. J. Altuve, Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia, Monterrey: DIE-UANL, 1996. 3. J. M. Haner, T. D. Laughlin and C. W. Taylor, “Experience with the R-Rdot out-of-step relay,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. PWRD-1, no. 2, April 1986, pp. 35-39. 4. C. W. Taylor, J. M. Haner, L. A. Hill, W. A. Mittelstadt and R. L. Cresap, “A new out-of-step relay with rate of change of apparent resistance augmentation,” IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-102, no. 3, March 1983, pp. 631-639. 5. F. Ilar, “Innovations in the detection of power swings in electrical networks,” Brown Boveri Review, no. 68, 1981. 6. J. Machowski and D Nelles, “New power swing 50 blocking method,” Proceedings of the Developments in Power System Protection, March 1997, pp. 218-221. 7. E. Vázquez, O. Chacón, H. Altuve y J. Ramírez, “Nuevo método de bloqueo de relevadores de distancia por oscilaciones de potencia utilizando redes de neuronas artificiales,” Memoria Técnica de la XI Reunión de Verano de Potencia del IEEE Sección México, Acapulco, México, Tomo III, Julio 1998, pp. 215-222. 8. Y. H. Pao, Adaptive Pattern Recognition and Neural Networks, Reading, MA:Addison-Wesley, 1989. 9. J. M. Zurada, Artificial Neural Systems, USA:West Publishing Co., 1992. 10. Mackay, D. J. C., “Bayesian interpolation,” Neural Computation, vol. 4, no. 3, pp. 415-447, 1992. 11. The MathWorks, Inc, Neural Network Toolbox 2.0, MA:MathWorks, 1998. 12. E. O. Schweitzer and Daqing Hou, “Filtering for protective relays,” 19th Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, Washington, October 1992. 13. Manitoba HVDC Research Centre, PSCAD/ EMTDC Getting started, Winnipeg, 1999. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Business leadership and higher purpose♦ Foundations for business ethics Lorin Loverde* Resumen Una adecuada visión de negocios requiere una misión corporativa que incluya, además de elevados valores morales, altos propósitos. Como propósitos básicos podemos mencionar: utilidades para la empresa y sus accionistas, un desempeño eficiente, e incluso satisfacer las necesidades básicas de los clientes. Los propósitos superiores incluyen el apoyar el desarrollo creativo de los individuos para ser competitivos en mercados dinámicos y la búsqueda del bien común. Palabras clave: negocios, ética, bien común, desarrollo organizacional, liderazgo, libre mercado. Lawrence Miller INTRODUCTION This article is written for business people who believe in Capitalism but who also assume that they do not have to make ethical choices about society in order to be successful in the business environment. That is, they assume one or more supports are adequate: (1) that the economic system itself will self-regulate through the value choices made by participants in the marketplace, (2) that the government will protect the public interest through laws, regulatory agencies, and courts, (3) that some other social institution will be sufficient to guide value choices, such as an organized Church. Indirectly, this article also responds to critics of Capitalism who assume that it is only an exploitative mechanism of profit-making, without moral values. While there are individual business people who do not go beyond profit-making activities, this article will argue that there is also a new paradigm for business developing that entails two diverse activities: (a) pursuit of the common good and (b) an increase of the kind of competitive advantage required to face dynamic markets and world-class competitors. ♦ Extracto del capítulo 9 del libro «New planetary culture», en preparación. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 SEIZE THE MORAL HIGH GROUND AND LEAD THE CULTURE Lawrence Miller noted that it is of the utmost importance for business to motivate managers and workers alike with higher purposes that are human, emotional, and altruistic.1 Do business people really care about such things? Frequently, critics of the Capitalistic system cite the old paradigm found in the gurus of industrial efficiency, such as Frederic W. Taylor, who treated humans cruelly as part of the machine process. Even defenders of capitalism may find micro-companies preferable to global companies simply because they believe that the significant changes of the future (e.g. ecological consciousness and distributed leadership) are not typical of multinational corporations.2 Such critics have missed the significant impacts of changes such as new paradigm management3 and total quality management.4 This article will argue that pursuing a higher purpose is good management, but * Director, Express English Language and Express Business Consultants. E-mails: lorinloverde@att.net.mx, and lorinloverde@hotmail.com 51 �Business leadership and higher purpose. Foundations for business ethics it also will help both micro and macro businesses take a leading role in promoting a world community. 2. The pursuit of the common good that we can now identify, including the local community, the nation, and the largest environment (whether now being planet as a whole or in the future being also the areas which we inhabit in outer space). This is a process that requires transformation of consciousness in order to be capable of including more and more in our horizon of possibilities, described in one way by Mihaly Csizszentmihalyi: “The task of the next decades and centuries is to realize the underdeveloped component of the mind. Just as we have learned to separate ourselves from each other and from the environment, we now need to learn how to reunite ourselves with other entities around us without losing our hard-won individuality...Recognizing the limitations of human will, accepting a cooperative rather than a ruling role in the universe, we should feel the relief of the exile who is finally returning home. The problem of meaning will then be resolved as the individual’s purpose merges with the universal flow.”6 3. The pursuit of the highest good, which means evolution of consciousness in order to envision our future directionality and course of spiritual evolution, which Walter Stace described in this way: “For all selfishness and cruelty and evil result from the separateness of one human being from another. This separateness of individuals breeds egoism and the war of all against all.”7 What is a higher purpose? We can approach it first by defining its opposite: a lower purpose for business is the company working to fulfill its own self-interests as a company. Lower purposes include corporate profits, additional dividends for shareholders, efficient output, and even fulfilling basic needs of customers. Higher Purpose: the company can also work to fulfill additional factors, such as: 1. Higher needs of individual employees, managers, customers, and the many stakeholders that the company affects, an important aspect of this individual is summarized by Carl Rogers: “He trusts and values the complex inner processes of himself, as they emerge toward expression. He is creatively realistic, and realistically creative. He finds that to be this process in himself is to maximize that rate of change and growth in himself…to feel a growing pride in being a sensitive, open, realistic, inner-directed member of the human species, adapting with courage and imagination to the complexities of the changing situation.”5 Miller noted a higher purpose that was on a smallerscale, which even though was modest in its efforts, still positively affected motivation. Over and above Miller’s approach, if business leaders pursue the three types of higher purpose listed above, they can also promote: • Carl Rogers 52 Positive Skills: people will develop higher skills, talents, and capabilities because they Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Lorin Loverde identify with the company • Positive Motivations: people will work harder and smarter because they have better skills and they believe more in the company mission when it goes beyond merely making the company owners richer • Reduction of Turnover: people will be less likely leave a company with which they identify and which they believe cares for them as people, not merely as resources. “These perks signal the company’s acknowledgement that its people are human beings, not just workers.”8 • Competitive Advantage: companies perform better when they have innovative, adaptive, creative, trustworthy, dedicated, committed and cooperative workers, managers and leaders • Sustainable Growth: we need to guard the viability of the environment or else we will destroy the very source of our life • Justice: we need to dedicate ourselves to a purpose that transcends the limits of materialism, racism and religious differences or else face their offspring in the forms of terrorism and wars of vengeance This brings us closer to our theme that business leaders must seize the moral high ground and show how business can serve society and transcendent purposes. We may then ask business leaders to begin to orient the corporate mission towards these higher purposes. One answer is to understand what it takes to express these higher goals. John Clancy has researched the use of metaphors, purposes and paradigms in the language of business leaders. Clancy recognizes that business activities are conceptualized (and communicated) in terms of certain key metaphors. “The business leaders’ basic view of their business must be ultimately traceable to their basic view Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 John Clancy of the world, their notion of their own place in the world, and their conception of the place that the business holds in that world. Very closely tied to this, in my view, is the fundamental purpose that they see for the business. I believe that the purpose the leaders see for their business is inextricably bound with the paradigm that lies at the basis of their thought.”9 In other words, business leaders need to understand their own unconscious assumptions and beliefs before they can begin to espouse new ones. ACTION ITEM: ARTICULATE A TRANSCENDENT PURPOSE Nothing could be more important than understanding unconscious assumptions; the business view is grounded in the worldview, and the worldview uses one or more key paradigms. The new paradigm in business10 describes what is changing in the rationales, perceptions, and values of business. At this point, in considering an action plan, the additional question is: How does a business leader seize the moral high 53 �Business leadership and higher purpose. Foundations for business ethics ground and articulate a transcendent purpose? As more and more business leaders do this for practical purposes in their specific companies, then business as a social institution will have the opportunity to do the same for the new planetary culture. Clancy cites only three purposes for business: 1.- to generate wealth, 2.- to produce goods and services that satisfy the needs of customers, and 3.- to build a corporate institution of indefinite duration as a perpetuation of one or more business peoples’ own interests, values, and family. All three of these are lower or self-interested purposes. The need for a purpose higher than rational, materialistic profit-making was also expressed by Lawrence Miller, but note that even with a noble aim he limited his vision of the higher level to a variation of Clancy’s second option about production: “The financially oriented are satisfied with the proof of financial success. Unfortunately, the masses of people, within our society or within our corporations, are not primarily motivated by what is rational. It is the emotional–the appeal to selfesteem, the spirit–that is the prime mover. We must learn to create and utilize purpose in the management of our business and our nation. Business enterprises do have a noble purpose and we should recognize and proclaim it. The purpose of business is the creation of wealth–not for a few, but for all. Wealth is not money. It is the goods and services that business provides. It is we who are able to produce wealth who will eliminate poverty, disease, and ultimately war, who will free humanity from the chains of mindless toil so that we can pursue and utilize our higher capacities of mind and soul.”11 Clancy pointed out that dynasty building can be another higher purpose, though it may not free humanity from the chains of mindless toil. In one sense, Miller is correct that there must be a productive en- 54 terprise. We must distinguish between business people as producers and others (politicians, academics, churchmen, charities, etc.) as dependent on the wealth producers. But as important as wealth production may be, it does not in and of itself know how to apply wealth, goods and services to the purposes of the common good. That is, humanity needs to find the right direction, so we are interested not only in profits (the rational, materialistic purpose) or wealth (the expansive purpose) or even dynasties (the institutional purpose) but also something higher: humanity needs business to lead us to a better future. In classical economic theory, the units of the economy were rational agents who had enough information to pick the best choice among competing options. In that view, the common good was supposed to be automatically fulfilled because every individual unit was an ideal unit defined as a rational being seeking the self-interest of the best price.12 The complexities of human motives, misinterpretations, and unfortunate historical momentums were ignored. But, if the neoclassical economists did not ignore those complexities, they could not do their calculations and model the economy. When they modeled the economy on the principles of free market choice and diminishing returns, they could make their equations “come out right.” The problem was that people were not perfectly rational units. The chaos mathematician, Brian Arthur, has applied an alternative view to economics: “The free-market ideal had become bound up with American ideals of individual rights and individual liberty: both are grounded in the notion that society works best when people are left alone to do what they want. “Every democratic society has to solve a certain problem,” says [Brian] Arthur. “If you let people do their own thing, how do you assure the common good?” Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Lorin Loverde But increasing returns cut to the heart of that myth. If small chance events can lock you in to any of several possible outcomes, then the outcome that’s actually selected may not be the best. And that means that maximum individual freedom–and the free market –might not produce the best of all possible worlds.”13 The point relevant to the topic of business purpose is that capitalism has used an economic theory that implies how the common good, or the “best of all possible worlds,” is supposed to come about automatically through the free market. But on that basis, however good this “hidden hand” in economics really is, the planet has been brought to the brink of world war, world-wide pollution, and world revolutions such as the haves vs. the have nots or the selfindulgent materialists vs. the religious fanatics willing to commit acts of terrorism against the establishment and die for their beliefs. The brinkmanship of capitalism can proceed blindly by assuming that somehow business leaders do not have to make value choices about what kind of world is good and what is the common good for humanity as a whole (and the planet as a whole). Our traditional and neo-classical economic assumptions, woven in with Western theology and politics, may seduce business leaders into believing the lowest of the moral low ground that “the business of business is business,” but at this historical cross-roads, we cannot afford to ignore the possibility that something more than survival of the technologically strong is needed for planetary survival. Jerry Mander used a cross-cultural approach to identify some of this fallacious thinking by contrasting it with the world view of the American Indians: “If you can use the machine better than the next fellow or the next culture, you survive and they die. This may be sad, the reasoning goes, but that’s the way it is in today’s world. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Jerry Mander This view sees Western technological society as the ultimate expression of the evolutionary pathway, the culmination of all that has come before, the final flowering. We represent the breakthrough in the evolution of living creatures; we are the conscious expression of the planet. Indians helped the process for a while, but they gave way to more evolved, higher life forms. Our assumption of superiority does not come to use by accident. We have been trained in it. It is soaked into the fabric of every Western religion, economic system, and technology. They reek of their greater virtues and capabilities. Judeo-Christian religions are a model of hierarchical structure: one God above all, certain humans above other humans, and humans over nature. Political and economic systems are similarly arranged: Organized along rigid hierarchical lines, all of nature’s resources are regarded only in terms of how they serve the one god–the god of growth and expansion. In this way, all of these systems are missionary; they are into dominance. And through their mutual collusion, they form a seamless web around our lives. They 55 �Business leadership and higher purpose. Foundations for business ethics are the creators and enforcers of our beliefs. We live inside these forms, are imbued with them, and they justify our behaviors. In turn, we believe in their viability and superiority largely because they prove effective: They gain power. But is power the ultimate evolutionary value? We shall see. The results are not yet in.”14 Wealth-generation, production, and institutionbuilding were Clancy’s three self-interested purposes for capitalism cited above, and they are based on such an assumption and the somewhat blind hope that there will not be an ecological collapse or a chaos of revolution. Such presuppositions and brinkmanship are endangering the planet. The idea of dominance cited above by the ecologist, Jerry Mander, is indeed soaked into the fabric of Western Civilization. If we seek a higher purpose, we can take a moral stand against dominance and improve our organizational capability. What does it mean to seize the moral high ground? It means to define and do good before revolutionaries define it and impose it on you. REFERENCES 1. Miller, Lawrence M., American Spirit: Visions of a New Corporate Culture, William Morrow and Company, Inc., New York: 1984, p. 44. 2. Zaid, Gabriel, ”El futuro de la revolución industrial”, Ingenierías, Revista de Divulgación de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, México, Vol IV:13, Oct-Dic, 2001 (http://www.uanl.mx/ publicaciones/ingenierias) 3. Ray, Michael and Alan Rinzler, eds, The New Paradigm in Business: Emerging Strategies for Leaders and Organizational Change, Jeremy P. Tarcher Books, Putnam Publishing Group, New York: 1993. 4. 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Ray, Michael and Alan Rinzler, eds, The New Paradigm in Business: Emerging Strategies for Leaders and Organizational Change, Jeremy P. Tarcher Books, Putnam Publishing Group, New York: 1993 11. op. cit. , Miller, p. 44. 12. This concept is based on the earlier cultural presupposition called the mathematization of nature, which is discussed subsequently in the Part 8 of the New Planetary Culture on ontology. 13. Waldrop, M. Mitchell, Complexity: the Emerging Science at the Edge of Order and Chaos, Simon and Schuster, New York: 1993, p. 47-48. 14. Mander, Jerry, In the Absence of the Sacred: the Failure of Technology & the Survival of the Indian Nations, Sierra Club Books, San Francisco: 1991, p. 209-210. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Autoafinidad de superficies de fractura en una aleación aluminio-silicio♦ Jorge A. Aldaco Castañeda, Moisés Hinojosa Rivera* Abstract The self-affine analysis of the fracture surface of an A319 casting alloy was investigated in this work. Fracture surfaces were analyzed using a scanning electron microscopy, contact atomic force microscopy and a stylus profilometer. To our knowledge, the first quantitative self-affinity analysis was performed for length scales spanning over seven decades, from the nanometer to the centimeter scales. The variable bandwidth method was applied to calculate the roughness exponent and the correlation length for this alloy. For the roughness exponent, a value of ζ≈ 0.8 was obtained, which is close to that reported for other materials broken under similar kinetic conditions. The correlation length was found to be correlated with the largest characteristic lengths of the microstructure. Keywords: Roughness exponent, Self-affinity analysis, fracture surfaces, statistical topography. INTRODUCCIÓN El conocimiento que se tiene acerca de las causas y/o mecanismos de la fractura en materiales heterogéneos se basa principalmente en los estudios realizados a lo largo de los años sobre la apariencia morfológica de las superficies de fractura, estos estudios están encaminados a ligar la apariencia con los parámetros microestructurales del material fracturado; dentro de estos estudios fractográficos tradicionales se han aplicado análisis topográficos basados en métodos dependientes de factores de escala como la rugosidad raíz-media-cuadrada (Root Mean Square RMS). ♦ Trabajo galardonado con el «Premio a la Mejor Tesis de Maestría UANL 2000», en la categoría de Ciencias Exactas, entregado en la sesión solemne del H. Consejo Universitario del 12 de septiembre 2001. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Superficie de fractura típica en aluminio. Sin embargo, es en 1984 que Mandelbrot1 sugiere que estos objetos rugosos, las fracturas, presentan rasgos de fractalidad empleando el método de la dimensión fractal, que ya había sido probado por él mismo con resultados satisfactorios en la descripción de algunos objetos naturales como las líneas costeras, para estudiar superficies de fractura de materiales con tenacidades diferentes. Esta investigación parecía proveer de un método adecuado, independiente de factores de escala, para caracterizar estos fractales anisotrópicos, lo que generó una expectación en el ambiente científico acerca de la posible correlación entre la tenacidad del material y la dimensión fractal de sus superficies de fractura. Sin embargo ésta esperada correlación no llegó debido a que en experimentos similares a los de Mandelbrot realizados por Bouchaud2 en 1990 concluían, en base a resultados provenientes de análisis estadísticos refinados como la función de autocorrelación, que la dimensión fractal no era tan “apropiada” para la descripción de estos objetos rugosos. La descripción de estos objetos se ajusta más bien a una transformación afín de d-1 exponentes, denominados exponentes de Hurst ζ en el plano d-dimensional para llevar a cabo la caracterización, Bouchaud encontró que el exponente de Hurst ζ * Doctorado en Materiales de la FIME-UANL. 57 �Autoafinidad de superficies de fractura en una aleación aluminio-silicio perpendicular a la dirección de avance del frente de grieta presenta un valor universal ≈ 0.8 para las superficies fracturadas en condiciones de propagación de grieta rápidas y en escalas de longitudes consideradas grandes –micrómetros a milímetros-. Con estos * resultados pareciera que no existe relación entre los parámetros autoafines y las heterogeneidades del material, pero Hinojosa3, en 1999 publica que el valor límite de la conducta autoafín es igual en orden de magnitud al tamaño de las mayores heterogeneidades de una superaleación de níquel N18. Teniendo como antecedentes las técnicas autoafines implementadas por los investigadores citados, entre otros, se pretende al realizar esta investigación encontrar una relación definitiva entre la microestructura de un material dendrítico de uso ingenieril y su longitud de correlación, abarcando la mayor cantidad posible de décadas de escala de longitud de observación, lo que se trata de alcanzar con el uso de técnicas experimentales fractográficas apoyadas de microscopía de fuerza atómica, microscopía electrónica de barrido y perfilometría para la recopilación de datos topográficos de las superficies fracturadas de una aleación aluminio-silicio tipo A319. DESARROLLO EXPERIMENTAL En esta investigación se efectuó un estudio y caracterización de las superficies de fractura de un material de uso ingenieril por medio del exponente de Hurst (ζ) y de la longitud de correlación (ξ) con el propósito de examinar la hipótesis de que en un material dendrítico las mayores heterogeneidades presentes se encuentran relacionadas a la longitud de correlación de la superficie de fractura. Las muestras empleadas en la experimentación fueron extraídas de piezas de aluminio-silicio vaciado tipo A319, su composición química se presenta en la tabla I. 58 Tabla I.- Composiciones químicas de las muestras a investigar (% peso) Elemento Si Cu Fe Zn Mn Ni Ti Mg Sr Otros Al Muestras ensayadas por impacto 7.147 3.261 0.612 0.664 0.374 0.041 0.154 0.313 0.014 0.114 Balance Ensayadas por tensión 6.497 2.901 0.318 0.182 0.125 0.015 0.181 0.275 0.013 0.003 Balance Como medio para la obtención de las superficies de fractura se realizaron ensayos de tensión y de impacto. Para la observación metalográfica se siguieron las técnicas indicadas por la norma ASTM E-3 en cuanto a preparación de la muestra, finalizando con un pulido mediante suspensión de diamante de 0.25 µm en paños de rayón. Para la identificación de cada fase de la aleación aluminio-silicio se utilizó un microscopio electrónico de barrido: Esta identificación se efectuó mediante comparación morfológica apoyada con la técnica de espectrometría de rayos X en dispersión de energía del MEB. Una vez que se tenía plenamente identificada cada fase se procedió a su caracterización mediante microscopía óptica y análisis de imágenes. Las observaciones de la microestructura se efectuaron en un microscopio óptico conectado a un equipo de análisis de imágenes. Las imágenes fueron registradas a 100x, esta magnificación resultó adecuada para diferenciar las diversas fases presentes. Se pro- Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Jorge A. Aldaco Castañeda, Moisés Hinojosa Rivera cedió a calcular el diámetro de Feret, fracción de área y factor de forma de los granos (revelados con el reactivo de Keller durante 8 minutos), los brazos dendríticos primarios, los brazos dendríticos secundarios, el espaciamiento dendrítico secundario y las otras fases presentes. El estudio fractográfico se realizó mediante el microscopio electrónico de barrido bajo la técnica de electrones secundarios, sin ninguna preparación especial de las muestras fracturadas, se emplearon magnificaciones 100, 200, 400, 1000, 2000, 4000, 8000 y 10000X las cuales se digitalizaron en imágenes grises de 256 tonos (1024 x 480 pixeles). Para la adquisición de los perfiles topográficos de la superficie de fractura en escalas de longitudes de observación pequeña, específicamente en escalas submicrométricas, se utilizó la técnica del microscopio de fuerza atómica, en modo de contacto en aire. No se requirió de alguna preparación especial de la muestra. Se obtuvieron diversas imágenes en tres dimensiones con tamaños de barridos de 1 x 1 µm hasta 10 x 10 µm, cada imagen corresponde a una matriz discreta de datos de altura, obteniendo una resolución lateral de 20 Å aproximadamente. Para la adquisición de datos topográficos en longitudes de escala micrométrica-milimétrica se utilizó un microscopio electrónico de barrido usando electrones retrodispersados, los cuales permiten la distinción entre elementos con diferente número atómico. Gracias a una técnica de recubrimiento electrolítico de níquel aplicada en las superficies de fractura (previamente cortadas a 0.01 x 0.01 x 0.01 m) se obtuvieron altos contrastes de intensidad de tonos de la imagen adquirida. Enseguida, las muestras fueron introducidas al MEB obteniendo imágenes digitalizadas, de 512 x 480 pixeles, del perfil de la fractura hasta magnificaciones de 2000 X con resolución lateral de 0.06 micrómetros en tamaño de imágenes de 62.5 µm por 62.5 µm. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Una vez obtenidas las imágenes por medio del MEB, se procedió a efectuar la detección del perfil de fractura por medio del analizador de imágenes, ver figura 1, obteniendo perfiles de 512 pixeles de longitud. También se construyeron perfiles extensos mediante la unión de imágenes de campos adyacentes ligeramente traslapados obteniendo perfiles de una longitud aproximada a 3.7 mm con una cantidad de 3070 datos puntuales al utilizar las imágenes de 100X. Una vez que se tenían los datos de los perfiles de las muestras se almacenaron en disco para su posterior análisis de autoafinidad. (a) (b) Fig.1. a) Imagen gris de 256 niveles de grises obtenida por MEB a 100X, b) Aislamiento del perfil de fractura eliminando las fases indeseables. 59 �Autoafinidad de superficies de fractura en una aleación aluminio-silicio La adquisición de datos en la escala de longitud desde milímetros hasta centímetros, fue efectuada mediante un equipo de perfilometría, el cual posee una aguja con un radio de punta de 2 µm del tipo cónico. Se efectuaron barridos en dirección perpendicular al avance de la grieta para el caso de las probetas fracturadas en impacto, para las probetas fracturadas en tensión se efectuaron los barridos en direcciones aleatorias; obteniendo como máxima resolución lateral 0.25 micrómetros en barridos ≈ 1 cm con 28841 datos puntuales. Una vez que se tenían los datos de los perfiles de las muestras se almacenaron en disco para su posterior análisis de autoafinidad. Para la determinación del exponente de rugosidad así como de la longitud de correlación, se siguió el procedimiento descrito a continuación: Los perfiles de fractura obtenidos mediante las diversas técnicas experimentales MEB, MFA y perfilometría en unidades de micrómetros (tanto para el espaciamiento entre puntos muestrales de longitud en el eje X como para los datos de altura en el eje Y) se alimentaron en un programa diseñado para eliminar las tendencias presentes en cualquier superficie. Para la determinación de los parámetros autoafines se utilizó el método de banda de ancho variable, el cual ha sido probado en la determinación de mediciones autoafines resultando en un error (exponente de entrada - exponente de salida) ≤ ± 0.05 en perfiles con más de 1,000 datos.4 Establecido el método de caracterización autoafin, Zmax o banda de ancho variable, se implementó un programa al cual se alimentan los perfiles de fractura. Estos resultados se introducen en un gráfico logarítmico obteniendo una dispersión de puntos que siguen un comportamiento lineal, al determinar la pendiente se obtiene el exponente de Hurst ζ mediante Zmax (r) α r ζ ∴ log Zmax (r) α ζ log r La longitud de correlación es el límite superior del comportamiento autoafín, ver figura 2. 60 Fig. 2. Gráfico típico de salida obtenida al representar todos los datos de los perfiles (MFA, MEB y perfilometría). RESULTADOS La figura 3 muestra la microestructura típica de la aleación Aluminio-Silicio modificada y refinada de las muestras usadas en las probetas de impacto y tensión. De la microestructura fue posible distinguir 6 fases presentes, éstas son las fases aluminio alfa, silicio, eutéctico, Al2Cu, Al5FeSi y Al15(MnFe)3Si2. En la tabla II las mediciones de espaciamiento secundario dendrítico, la longitud de brazos primarios de la fase aluminio alfa y el tamaño de grano. En las muestras fracturadas mediante el ensayo de impacto, ver la figura típica 4a se presentó una fractura tipo granular (fractura por clivaje), esto se puede observar en la imagen ya que se presenta una alta reflectividad y brillantez junto a una carencia de huecos (fractura por corte) este modo de propagación ocurrió a través de los granos. En la parte externa de la superficie de fractura se presentó la tendencia a la formación de labios de corte (fractura por corte) en un grado pequeño estableciéndose con esto que se presenta una fractura mixta.5 Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Jorge A. Aldaco Castañeda, Moisés Hinojosa Rivera 100 µm Fig. 3. Microestructura típica de las muestras de la aleación Aluminio-Silicio. En las muestras fracturadas por tensión, ver figura típica 4b, se presentó un modo de fractura dúctil de coalescencia de microhuecos, los cuales presentan una forma esférica señal del esfuerzo tensil axisimétrico.6 La figura 5 muestra dos imágenes de MFA donde es posible observar un cierto grado de similitud al variar la escala de medición en las imagenes. Tabla II.- Resultados de las mediciones de la longitud de los brazos p ri ma ri o s y d e l e s p a c i a mi e nto s e c und a ri o d e nd ríti c o e n la fa s e aluminio alfa, así como del tamaño de grano. Ensayadas por tensión Ensayadas por impacto Longitud de los brazos primarios (µm) 220.9 313.9 Espaciamiento dendrítico secundario (µm) 31.3 51.6 Tamaño de grano (µm) 364.1 445.8 Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Fig. 4. Imágenes típicas de las superficies de fractura de los ensayos de impacto (a) y de las superficie de fractura por tensión (b) obtenidas mediante MEB en electrones secundarios a 1000X. En (a) se presenta un modo de fractura mixta y en (b) se presenta una fractura dúctil indicada por los diversos microhuecos presentes en toda la muestra. En las figuras 6 y 7 se muestran los resultados del análisis de autoafinidad para las muestras de fractura de impacto y de tensión. Los resultados de autoafinidad de los datos provenientes de MFA, MEB y de rugosimetría resultaron cuantitativamente compatibles y permitieron la construcción de una curva única para cada caso, superficies de fractura por tensión y por impacto, sobre cerca de 7 décadas de escalas de longitud. 61 �Autoafinidad de superficies de fractura en una aleación aluminio-silicio Fig. 6. Curva autoafín para las muestras de la aleación Aluminio-Silicio fracturadas por ensayos de impacto. Los puntos experimentales se ajustan correctamente a una función Zmax α r0.81 . Fig. 5. Imágenes típicas MFA de la superficie de fractura Charpy, en las que se puede observar un grado de similitud al variar la escala de medición. En (a) el barrido es de 10 x 10 µm, en (b) es de 3 x 3 µm. El graficar logarítmicamente Zmax versus r permite observar el dominio del régimen autoafín hasta una longitud superior límite, denominada longitud de correlación ξ. Se observa en las gráficas que el valor de longitud de correlación es del orden de 456 µm para las superficies obtenidas de las pruebas de impacto, mientras que en el caso de las superficies de fractura de tensión, se presenta un valor de longitud de correlación de 372 µm, estos valores son del orden del tamaño de las mayores estructuras del material. 62 Fig. 7. Curva autoafín para las muestras de la aleación Aluminio-Silicio fracturadas por ensayos de tensión. Los puntos experimentales se ajustan correctamente a una función Zmax α r0.79 . En ambos casos se encuentra que el comportamiento de las superficies se ajusta a una ley de potencia donde el exponente característico del régi- Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Jorge A. Aldaco Castañeda, Moisés Hinojosa Rivera men autoafín ζ presenta un valor del orden de ζ = 0.8 ± 0.01, este resultado es consistente con el reportado por otros investigadores para superficies de fractura obtenidas mediante condiciones similares de propagación de grieta.2-3,7-17 DISCUSIÓN Dentro de la caracterización microestructural se encontró que el tamaño característico de los granos, representado por el tamaño de grano medido mediante el método de intersección de líneas18, presenta un valor del orden de 445 µm en las muestras ensayadas por impacto y en las muestras ensayadas por tensión se presenta un tamaño de grano del orden de 364 µm, siendo estas las heterogeneidades de mayor tamaño dentro del material investigado. La conducta autoafín se confirmó y cuantificó al efectuar análisis estadístico mediante el cálculo del momento de orden infinito Zmax sobre la distribución de las alturas de las superficies de fractura recopiladas por MEB, MFA y perfilometría. Al graficar logarítimicamente los resultados del análisis estadístico, Zmax versus tamaño de ventana, se logró la construcción de una curva única con las curvas provenientes de MEB, MFA y perfilometría, sobre cerca de siete décadas de escala de longitud, probando que los resultados de estas tres herramientas resultan ser cuantitativamente compatibles, la conducta seguida por las superficies se ajustó a un régimen lineal dinámico con pendiente de ζ = 0.8 ± 0.01 lo que establece el carácter autoafín para estos objetos naturales. El valor obtenido para la pendiente, exponente de rugosidad, en las dos curvas únicas de tensión y de impacto se encuentra que es del orden de magnitud del establecido por otros investigadores sobre fracturas estudiadas en condiciones similares de propagación de grieta. Así mismo, de las curvas únicas se establece que la longitud límite del carácter autoafín –longitud de Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 correlación– presenta valores de 372 µm y 456 µm para las muestras fracturadas por tensión y por impacto. Estos valores son similares al tamaño de grano en estas muestras, tensión e impacto respectivamente, lo que lleva a pensar que la longitud de correlación se encuentra ligada directamente con el tamaño de las heterogeneidades del material estudiado las que impiden que el comportamiento autoafín se observe sobre mayores longitudes ya que estas heterogeneidades al interactuar con el frente de grieta hacen que la superficie que se genera presente un carácter de planicidad. Este pensamiento intuitivo se confirma al cotejar el valor máximo del diámetro de Feret de las heterogeneidades contra la longitud de correlación, concluyendo que el valor de las heterogeneidades de mayor tamaño, tamaño de grano, corresponde a la longitud de límite del comportamiento autoafín. CONCLUSIONES Las superficies de fractura presentan un carácter fractal anisotrópico que puede ser caracterizado apropiadamente mediante el método de banda de ancho variable. El valor del exponente de rugosidad o de Hurst ζ utilizado para la caracterización de superficies de fractura obtenidas mediante pruebas en las que la grieta se propaga a velocidades altas como en los ensayos de impacto y de tensión resultó en un valor de ζ = 0.80 ± 0.01 lo que está de acuerdo con resultados obtenidos por otros investigadores como Daguier, Bouchaud y Maloy. Para las superficies de fractura caracterizadas en esta investigación mediante análisis autoafín se determinó por primera vez en estudios similares un valor de longitud de correlación que se extiende sobre cerca de siete décadas de escala de longitud desde 1 x 10-3 µm hasta 1 x 104 µm. El valor límite del dominio autoafín, denominado longitud de correlación, se encuentra que corresponde al tamaño de las mayores heterogeneidades del material frac- 63 �Autoafinidad de superficies de fractura en una aleación aluminio-silicio turado, en el caso de esta investigación es correspondiente al tamaño de grano. Con este resultado se determina una relación entre los parámetros autoafines y la microestructura. REFERENCIAS 1. Mandelbrot B. B., Passoja D. E., and Paullay A. J., Fractal Character of Fracture Surfaces of Metals, Nature 308, pp. 721-722, 1984. 2. Bouchaud E., Lapasset G., and Planès J., Europhys. Lett. 13 73, 1990. 3. Hinojosa M., Bouchaud E., and Nghiem B., Long Distance Roughness of Fracture Surfaces in Heterogeneous Materials, Materials Research Society Symposium Proceedings Vol. 539, pp. 203-208, 1999. 4. Schmittbuhl Jean, Vilotte Jean-Pierre, Roux Stéphane, Reliability of Self-affine Measurements, Physical Review E, Vol. 51, No. 1, 1995. 5. Dieter George Ellwood, Mechanical metallorgy, Si metric edition. Mc Graw Hill, pp. 471-475, 1988. 6. Hertzberg, R. W., Fracture Surface Micromorphology in Engineering Solids, Fractography of Modern Engineering Materials: Composites and Metals, ASTM STP 948, J. E. Masters and J. J. Au, Eds, pp. 5-36, 1987. 7. Dauguier Pascal, Effets D’ Echelle Dans La Rupture Des Matériaux Hétérogènes, These de Doctorat de l’Université Paris 6, pp. 11-13, Novembre 1997. 64 8. Bouchaud Elisabeth, Scaling Properties of Cracks, J. Phys.: Condens. Matter Vol. 9, pp. 4319-4344, 1997. 9. Maloy K. J., Hansen A., Hinrichsen E. L. And Roux S., Phys. Rev. Lett. Vol. 68, p. 213, 1992. 10. Lemaire E., Ould Mohamed Abdelhaye Y., Laure J., Benoit R., Levitz P. An Van Damme H., Fractals Vol. 1, p. 968, 1993. 11. Schmittbulh J., Gentier S., and Roux S., Geophys. Res. Lett. Vol. 20, p. 8, 1993. 12. Schmittbulh J., Roux S., and Berthaud Y., Europhys. Lett. Vol. 28, p. 585, 1994. 13. Bouchaud E., Lapasset G., Plànes J., and Navéos S., Phys. Rev. B. Vol. 45, p. 2917, 1993. 14. Daguier Pascal, Henaux Stéphane, Bouchaud Elisabeth and Creuzet Francois, Quantitative Analysis of a Fracture Surface by Atomic Force Microscopy, Physical Review E. Vol. 53, No. 6, 1996. 15. Reyes Melo M. E., Autoafinidad de Superficies de Fracturas en Materiales Poliméricos, Tesis de Maestría de la Universidad Autónoma de Nuevo León, 1999. 16. Bouchaud J. P., Bouchaud E., Lapasset G., and Planès J., Phys. Rev. Lett. Vol. 71, p. 2240, 1993. Bouchaud E., Bouchaud J.-P., Lapasset G., and Planès J., Fractals Vol. 1, p. 1051 1993. 17. Ertas D., and Kardar M., Phys. Rev. Lett. Vol. 69, p. 929, 1992. 18. Vander Voort, G. F., Grain Size Measurement, Practical Applications of Quantitative Metallography, ASTM STP 839, J. L. McCall and J. H. Steele, Jr., Eds, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, pp. 85-131, 1984. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Documentos Declaración sobre la ciencia y el uso del saber científico Parte I. ♦ PREAMBULO 1. Todos vivimos en el mismo planeta y formamos parte de la biosfera. Reconocemos ahora que nos encontramos en una situación de interdependencia creciente y que nuestro futuro es indisociable de la preservación de los sistemas de sustentación de la vida en el planeta y de la supervivencia de todas las formas de vida. Los países y los científicos del mundo deben tener conciencia de la necesidad apremiante de utilizar responsablemente el saber de todos los campos de la ciencia para satisfacer las necesidades y aspiraciones del ser humano sin emplearlo de manera incorrecta. Tratamos de recabar la colaboración activa de todos los campos del quehacer científico, a saber, las ciencias naturales, como las ciencias físicas, biológicas y de la tierra, las ciencias biomédicas y de la ingeniería y las ciencias sociales y humanas. Aunque el marco general de acción hace hincapié en las promesas, el dinamismo, pero también los posibles efectos negativos que pueden acarrear las ciencias naturales, y en la necesidad de comprender sus repercusiones en la sociedad y sus relaciones con ella, el compromiso con la ciencia, así como las tareas y responsabilidades recogidas en esta Declaración corresponden a todos los campos del saber científico. Todas las culturas pueden aportar un conocimiento científico de valor universal. Las ciencias deben estar al servicio del conjunto de la humanidad y contribuir a dotar a todas las personas de una comprensión más profunda de la naturaleza y la sociedad, una mejor calidad de vida y un entorno sano y sostenible para las generaciones presentes y futuras. ♦ Por considerarlo de singular interés e importancia, transcribimos este documento que recoge parte de las conclusiones de la Conferencia Mundial de la Ciencia, organizada por la UNESCO y el Consejo Internacional para la Ciencia (ICSU) y llevada a cabo los días del 26 de junio al 1º de Julio de 1999 en Budapest, Hungría. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 2. El saber científico ha dado lugar a notables innovaciones sumamente beneficiosas para la humanidad. La esperanza de vida ha aumentado de manera considerable y se han descubierto tratamientos para muchas enfermedades. La producción agrícola se ha incrementado enormemente en muchos lugares del mundo para atender las crecientes necesidades de la comunicación, tratamiento de la información e informática han suscitado oportunidades y tareas sin precedentes para el quehacer científico y para la sociedad en general. La profundización ininterrumpida de los conocimientos científicos sobre el origen, las funciones y la evolución del universo y de la vida dota a la humanidad de enfoques conceptuales y pragmáticos que ejercen una influencia profunda en su conducta y sus perspectivas. 3. Además de sus ventajas manifiestas, las aplicaciones de los avances científicos y el desarrollo y la expansión de la actividad de los seres humanos han provocado también la degradación del medio ambiente y catástrofes tecnológicas y han contribuido al desequilibrio social o la exclusión. Un ejemplo: el progreso científico ha posibilitado la fabricación de armas muy perfeccionadas, lo mismo tradicionales que de destrucción masiva. Existe ahora la posibilidad de instar a una reducción de los recursos asignados a la concepción y fabricación de nuevas armas y fomentar la transformación, al menos parcial, de las instalaciones de producción e investigación militares para destinar- 65 �Declaración sobre la ciencia y el uso del saber científico. Parte I las a fines civiles. Las Naciones Unidas proclamaron el año 2000 Año Internacional para la Cultura de la Paz y el Año 2001 Año de las Naciones Unidas del Diálogo entre Civilizaciones como pasos hacia la instauración de una paz duradera. La comunidad científica, junto con otros sectores de la sociedad, puede y debe desempeñar un papel fundamental en este proceso. 6. Nosotros, los participantes en la Conferencia Mundial sobre “La ciencia para el siglo XXI: un nuevo compromiso”, reunidos en Budapest, Hungría, del 26 de junio al 1º de julio de 1999, con los auspicios de la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) y el Consejo Internacional para la Ciencia (ICSU) 4. En nuestros días, aunque se perfilan avances científicos sin precedentes, hace falta un debate democrático vigoroso y bien fundado sobre la producción y la aplicación del saber científico. La comunidad científica y los políticos deberían tratar de fortalecer la confianza de los ciudadanos en la ciencia y el apoyo que le prestan mediante ese debate. Para hacer frente a los problemas éticos, sociales, culturales, ambientales, económicos, sanitarios y de equilibrio entre los géneros, es indispensable intensificar los esfuerzos interdisciplinarios recurriendo a las ciencias naturales y sociales. El fortalecimiento del papel de la ciencia en pro de un mundo más equitativo, próspero y sostenible requiere un compromiso a largo plazo de todas las partes interesadas, sean del sector público o privado, aumentando las inversiones, revisando en consecuencia las prioridades en materia de inversión y compartiendo el saber científico. CONSIDERANDO 5. La mayor parte de los beneficios derivados de la ciencia están desigualmente distribuidos a causa de las asimetrías estructurales existentes entre los países, las regiones y los grupos sociales además de entre los sexos. Conforme el saber científico se ha transformado en un factor decisivo de la producción de bienestar, su distribución se ha vuelto más desigual. Lo que distingue a los pobres (sean personas o países) de los ricos no es sólo que poseen menos bienes, sino que la gran mayoría de ellos está excluida de la creación y de los beneficios del saber científico. 66 7. El lugar que ocupan las ciencias naturales en la actualidad y la dirección que están tomando, el impacto social que han tenido y lo que espera de ellas la sociedad. 8. Que en el siglo XXI la ciencia debe convertirse en un bien compartido solidariamente en beneficio de todos los pueblos, que la ciencia constituye un poderoso instrumento para comprender los fenómenos naturales y sociales y que desempeñará probablemente un papel aún más importante en el futuro a medida que se conozca mejor la complejidad creciente de las relaciones que existen entre la sociedad y el medio natural, 9. La necesidad cada vez mayor de conocimientos científicos para la adopción de decisiones, ya sea en el sector público o en el privado, teniendo presente en particular la influencia que la ciencia ha de ejercer en la formulación de decisiones de carácter normativo o regulatorio. 10. Que el acceso al saber científico con fines pacíficos desde una edad muy temprana forma parte del derecho a la educación que tienen todos los hombres y mujeres, y que la enseñanza de la ciencia es fundamental para la plena realización del ser humano, para crear una capacidad científica endógena y para contar con ciudadanos activos e informados Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Declaración sobre la ciencia y el uso del saber científico. Parte I 11. Que la investigación científica y sus aplicaciones pueden tener repercusiones considerables con vistas al crecimiento económico y al desarrollo humano sostenible, comprendida la mitigación de la pobreza, y que el futuro de la humanidad dependerá más que nunca de la producción, la difusión y la utilización equitativas del saber. 12. Que la investigación científica es una fuerza motriz fundamental en el campo de la salud y la protección social y que una mayor utilización del saber científico podría mejorar considerablemente el nivel de salud de la humanidad. 13. El actual proceso de mundialización y la función estratégica que en él desempeña el conocimiento científico y tecnológico. 14. La imperiosa necesidad de reducir las disparidades entre los países en desarrollo y los desarrollados mejorando las capacidades e infraestructuras científicas de los países en desarrollo. 15. Que la revolución de la información y la comunicación ofrece medios nuevos y más eficaces para intercambiar los conocimientos científicos y hacer progresar la educación y la investigación. 16. La importancia que tiene para la investigación y la enseñanza científica el acceso libre y completo a las informaciones y los datos de dominio público. 17. La función que desempeñan las ciencias sociales en el análisis de las transformaciones sociales relacionadas con la evolución científica y tecnológica y en la búsqueda de soluciones a los problemas que ese proceso provoca. Declaración Universal de Derechos Humanos y a la luz de la Declaración Universal sobre el Genoma Humano y los Derechos Humanos. 20. Que algunas aplicaciones de la ciencia pueden ser perjudiciales para las personas y la sociedad, el medio ambiente y la salud de los seres humanos e incluso poner en peligro la supervivencia de la especie humana, y que la contribución de la ciencia es indispensable a la causa de la paz y el desarrollo y a la protección y la seguridad mundiales. 21. Que incumbe a los científicos, junto a otros importantes agentes, una responsabilidad especial tocante a tratar de evitar las aplicaciones de la ciencia que son erróneas éticamente o que tienen consecuencias negativas. 22. La necesidad de practicar y aplicar las ciencias de acuerdo con normas éticas apropiadas, fundadas en un amplio debate público. 23. Que la prosecución de la ciencia y el uso del saber científico deben respetar y preservar todas las formas de vida y los sistemas de sustentación de la vida de nuestro planeta. 24. Que existe un desequilibrio tradicional en la participación de hombres y mujeres en todas las actividades relacionadas con la ciencia. 25. Que existen obstáculos que han impedido la plena participación de otros grupos, de ambos sexos, entre otros las personas discapacitadas, los pueblos indígenas y las minorías étnicas, denominados en adelante grupos desfavorecidos. 18. Las recomendaciones de las grandes conferencias convocadas por las organizaciones del sistema de las Naciones Unidas y otras entidades y de las reuniones asociadas a la Conferencia Mundial sobre la Ciencia. 19. Que la investigación científica y el uso del saber científico deben respetar los derechos humanos y la dignidad de los seres humanos, en consonancia con la Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 67 �Declaración sobre la ciencia y el uso del saber científico. Parte I 26. Que los sistemas tradicionales y locales de conocimiento, como expresiones dinámicas de la percepción y la comprensión del mundo, pueden aportar, y lo han hecho en el curso de la historia, una valiosa contribución a la ciencia y la tecnología, y que es menester preservar, proteger, investigar y promover ese patrimonio cultural y ese saber empírico. 27. Que son necesarias unas nuevas relaciones entre la ciencia y la sociedad para resolver apremiantes problemas mundiales como la pobreza, la degradación del medio ambiente, la insuficiencia de los servicios de salud pública, y la seguridad del suministro de alimentos y agua, especialmente relacionados con el crecimiento demográfico. 28. La necesidad de que los gobiernos, la sociedad civil y el sector de la producción asuman un compromiso firme con la ciencia y de que los investigadores científicos asuman igualmente un firme compromiso en pro del bienestar de la sociedad, Proclamamos lo siguiente: I. LA CIENCIA AL SERVICIO DEL CONOCIMIENTO; EL CONOCIMIENTO AL SERVICIO DEL PROGRESO 29. La función inherente al quehacer científico consiste en estudiar de manera sistemática y profunda la naturaleza y la sociedad para obtener nuevos conocimientos. Estos nuevos conocimientos, fuente de enriquecimiento educativo, cultural e intelectual, generan avances tecnológicos y beneficios económicos. La promoción de la investigación fundamental y orientada hacia los problemas es esencial para alcanzar un desarrollo y un progreso endógenos. 30. Mediante políticas nacionales de ciencia y como catalizadores que facilitan la interacción y la comunicación entre las partes interesadas, los gobiernos deben reconocer la función esencial que desempeña la investigación científica en la adquisición del saber, la 68 formación de científicos y la educación de los ciudadanos. La investigación científica financiada por el sector privado se ha convertido en un factor clave del desarrollo socioeconómico, pero no puede excluir la necesidad de la investigación financiada con fondos públicos. Ambos sectores deben colaborar estrechamente y considerarse complementarios para financiar las investigaciones científicas que persigan objetivos a largo plazo. II. LA CIENCIA AL SERVICIO DE LA PAZ 31. En esencia, el pensamiento científico consiste en la capacidad de examinar los problemas desde distintas perspectivas y en buscar explicaciones a los fenómenos naturales y sociales, sometidos constantemente a análisis críticos. La ciencia se basa, pues, en una reflexión crítica y libre, fundamental en un mundo democrático. La comunidad científica, que desde hace largo tiempo comparte una tradición que trasciende las naciones, las religiones o las etnias, tiene el deber, como afirma la Constitución de la UNESCO, de promover la “solidaridad intelectual y moral de la humanidad”, base de una cultura de paz. La cooperación entre los investigadores de todo el mundo es una aportación valiosa y constructiva a la seguridad mundial y al establecimiento de relaciones pacíficas entre las diferentes naciones, sociedades y culturas, y puede fomentar la adopción de nuevas medidas en pro del desarme, comprendido el desarme nuclear. 32. Los gobiernos y la sociedad en general deben tener conciencia de la necesidad de usar las ciencias naturales y sociales y la tecnología como herramientas para atacar las causas profundas y los efectos de los conflictos. Hay que aumentar las inversiones en las investigaciones científicas sobre esas cuestiones. En el siguiente número de INGENIERÍAS se publicará la parte final de esta declaración. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �La FIME de la UANL cumple 54 años José Luis Arredondo Díaz* La FIME celebró, del 20 al 26 de Octubre del 2001, el quincuagésimo cuarto aniversario de su fundación con una serie de actividades académicas, culturales, deportivas y sociales. El día 20 se realizó el almuerzo de la Fraternidad en el restaurante Regio Gonzalitos, en donde convivieron ex–alumnos de las distintas generaciones, el cual fue presidido por el Director Ing. Cástulo E. Vela Villarreal; en dicho evento se reconoció a tres integrantes de la 1ª Generación por sus 50 años de haber egresado de las aulas de nuestra Facultad. El Ingeniero Cástulo E. Vela Villarreal, Director de la FIME, dirigiendo un mensaje a los asistentes al almuerzo de la Fraternidad, el día 20 de Octubre de 2001. Reconocimiento a ex-alumnos de la primera generación de egresados de nuestra facultad. El día 22 se inició un Simposium sobre Educación, Ciencia y Tecnología, siendo sede la Biblioteca Uni- Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 versitaria “Raúl Rangel Frías”, en donde se desarrollaron 2 páneles, uno sobre Investigación y otro sobre Vinculación, participando en el primero los destacados investigadores: Dra. Julia Verde Star, Dr. Rodolfo Quintero Ramírez, Dr. Pablo Longoria Treviño e Ing. José G. Bocanegra Rojas, y en el panel sobre Vinculación Universidad-Industria el Dr. Paul Burgo, el Ing. Ricardo Benavides Pérez, el Ing. Fernando Echeagaray Moreno y el Dr. Tushar Kanti Das Roy. Participantes del panel de Vinculación Escuela-Industria. Del martes 23 de Octubre al viernes 26, se desarrollaron dentro de las instalaciones de la Facultad, conferencias sobre diversos tópicos que tienen relación con la Ingeniería, como: «Microelectrónica y sus aplicaciones», «Mantenimiento industrial», «Administración de proyectos», «El encuentro del joven ingeniero y la empresa», «Factores de éxito en la vida profesional del ingeniero», entre otras, dichas conferencias fueron disertadas por destacados profesionistas del sector productivo nacional e internacional. Dentro de las actividades deportivas se desarrollaron varios encuentros de las diferentes disciplinas, destacando el partido de Futbol soccer entre los tigres de 1ª “A” y los Osos de Mecánica; así como la entrega del Trofeo Universidad. * Secretario de Relaciones Públicas de la FIME-UANL. 69 �La FIME de la UANL cumple 54 años En los Auditorios de FIME se desarrollaron varios páneles como: el de «La presencia de la mujer en la sociedad», donde estuvieron como panelistas la Lic. Ninfa Delia Domínguez, Silvia Graciano de Andonie, Ing. Ma. Eugenia Cavazos (1ª maestra de la Facultad), Ing. Adela M. González (Ex–alumna que se desarrolla en el sector Empresarial) y Lic. Mayela Gpe. Rodríguez González y como moderadora Lic. Ma. Elena Meza Gutiérrez (Conductora y productora de noticias de Multimedios Estrellas de Oro). El Ingeniero Cástulo E. Vela Villarreal mostrando orgullosamente el trofeo Universidad. También se realizó el tradicional certamen FIMECANTA, en donde los alumnos participantes presentaron una melodía creada por ellos mismos. El jurado estuvo integrado por elementos del grupo la FIRMA, de la Rondalla de FIME, y otras personalidades del medio musical siendo la ganadora la Srita. Adela Padilla Cervantes, quien cursa el 4º Semestre de la carrera de Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones, con la canción creada e interpretada por ella misma y titulada “mi amor por ti”. Otro panel que se llevó a cabo fue el “Por qué obtener un doctorado” participando destacados Doctores, algunos egresados de la propia Facultad, cuyo objetivo fue interesar e invitar a los alumnos a seguir preparándose para contribuir en una forma más destacada en el desarrollo del País. Panel «Por qué obtener un doctorado» realizado en el auditorio Dr. Raúl G. Quintero Flores. La ganadora del concurso FIME-CANTA versión 2001, flanqueada por autoridades de FIME y miembros del jurado calificador. 70 El viernes 26 de Octubre se realizó la Clausura del 54 Aniversario en el Auditorio Dr. Raúl G. Quintero Flores, a cargo del Ing. Rogelio G. Garza Rivera Subdirector de FIME, acompañado de diversas autoridades de la misma Facultad. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Reconocimientos Luis Manuel Martínez Villarreal* Fernando Javier Elizondo Garza* I. MENCIONES HONORÍFICAS FEB-JUL ´2001 Por su desempeño académico, el 25 de octubre del 2001, recibieron una Mención Honorífica los siguientes alumnos. Se indica también la carrera y su calificación promedio. Luis Gerardo Díaz Samaniego Alfonso Dávila Márquez Carlos Alberto de la Cruz Segura Cesar Andrei Méndez Saldaña Eduardo Domínguez Gámez Mirla Elena González Solís Liliana Karina Garza Martínez Jonathan Sánchez Cárdenas Cristian Iván Flores Mascorro IME IME IME IME IME IMA IMA IMA IMA 95.56 95.30 94.88 94.81 94.31 95.93 94.68 93.54 93.38 Daniel Jaime Perales González Luis Ángel de León Almazán Claudia Lizbeth Martínez Ascencio IMA IEC IEC 92.83 91.61 91.22 II. MÉRITO ACADÉMICO FEB-JUL ´2001 En ceremonia realizada el 25 de octubre del 2001 se entregaron también los Reconocimientos al Mérito Académico a los alumnos que a continuación se listan. Javier Alejandro Aparicio Ramírez Irma Isabel Reyes Robledo Javier Antonio Vázquez Machuca Rosa Idolina López Solís Leonardo Chávez Guerrero IME IMA IEC IAS IMM 95.58 95.95 93.70 93.73 90.69 Alumnos que recibieron Reconocimientos al Mérito Académico y Mención Honorífica, acompañados de Directivos de FIME. * Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL. 71 �Reconocimientos III. TECNOS 2001: MÉRITO AL DESARROLLO TECNOLÓGICO El 7 de noviembre del 2001en CINTERMEX se llevó a cabo la novena entrega del Reconocimiento al Mérito al Desarrollo Tecnológico en un evento presidido por el C. Gobernador Constitucional del Estado de Nuevo León, Lic. Fernando Canales Clariond. Este galardón es ofrecido anualmente por instituciones que contribuyen y participan activamente en el desarrollo tecnológico de la región y del país. En esta ocasión la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, se hizo acreedora al «Premio Tecnos 2001» en la rama de «Tecnos Educativo», por el libro de «Prácticas de laboratorio de electrónica lógica I» elaborado por el equipo integrado por M.C. Juan Ángel Garza Garza, M.C. Guadalupe Ignacio Cantú Garza, Sergio Martínez Luna y Julián Hernández Venegas. Este libro de Prácticas fue diseñado de tal forma que permita al estudiante reforzar los objetivos de la clase y, al mismo tiempo, desarrollar habilidades y actitudes. Además del libro, el paquete didáctico incluye un CD que contiene documentos didácticos de apoyo tales como: foto, videos, presentaciones, información técnica, de tal manera que se ofrece un espa- El equipo de catedráticos de la FIME ganador del premio Tecnos acompañados del Gobernador, Rector y Director. cio adicional de aprendizaje con lo cual el estudiante continúa aprendiendo fuera del salón de clase, desarrollando la habilidad del autoaprendizaje. El libro surge de la experiencia adquirida por más de 24 años de trabajo en la docencia y el diseño de sistemas digitales. Presidium de la entrega de los premios Tecnos 2001. 72 Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Enero–Agosto 2001 Roberto Villarreal Garza* Martha Verónica Valdez Macías, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Instrumentos de crédito”, 26 de Enero del 2001. Tomás Salinas Rodríguez, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Diseño Mecánico, “Diseño de un transportador de carga”, 25 de Abril de 2001 Patricia Elke Rodríguez, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Análisis de las causas de deserción en los estudios de licenciatura en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y estrategias para su abatimiento”, 1 de Febrero del 2001. Mónica Alejandra Mireles Cano, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Evaluación de los instrumentos de selección de estudiantes para el ingreso en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica”, 1 de Febrero del 2001. Jesús Herrera Bocanegra, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Influencia de los concentradores de esfuerzo sobre un acero AlSi 1045 tratado térmicamente”, 30 de Marzo de 2001. Xavier Enrique Guerrero Dib, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Propagación de grietas autoafines en una aleación de aluminio: caso bidimiensional”, 3 de Abril de 2001 Hilario García González, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Protección contra sobretensiones de una subestación eléctrica en 400 kv localizada en la planta de HYLSA “, 5 de Abril de 2001. Oscar Alfonso Reyes Martínez, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Desarrollo de un modelo de generador síncrono con transformador saturable para el análisis de sobre voltajes transitorios en sistemas de mediana tensión”, 6 de Abril de 2001. Minerva C. Puente Valdivia, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Guía para la creación de un programa de marketing organizado en torno a las necesidades y objetivos de las pequeñas y medianas empresas”, 23 de Abril de 2001. Joel Puente Sánchez, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad en Diseño Mecánico, “diseño de un transportador de carga“, 25 de Abril de 2001 Daniel Eduardo Salazar Tamez, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “Administración operativa del centro de cómputo: en una empresa manufacturera mexicana”, 24 de Abril de 2001. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Jorge R. Martínez Navarro, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Creación de un departamento de mantenimiento para una planta de alta tecnología”, 30 de Abril de 2001. Julián Rodríguez Hernández, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad materiales, “Propagación de grietas en un acero inoxidable AISI 304 recubierto con una aleación resistente al desgaste”, 10 de Mayo de 2001. Manuel Guadalupe Rodríguez Rodríguez, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Caracterización térmica y visioplástica de aceros”, 11 de Mayo de 2001. Adolfo Omaña Garza, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia “Determinación y análisis de ahorro de energía en Industrias del Alcali, S.A. de C. V.”, 11 de Mayo de 2001. Aminta Garza Pinal, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Estudio comparativo de contralores para procesos de galvanización”, 14 de Mayo de 2001. Mario Sánchez Monroy, M.C. Ingeniería, especialidad Telecomunicaciones, “Codificación de voz en subbandas”, 14 de Mayo de 2001 Marco Antonio L. Hernández Rodríguez, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Fases intermetálicas en aleación ASTM F-75 para prótesis”, 23 de mayo de 2001. * Sub-Director de Postgrado de la FIME-UANL. 73 �Titulados a nivel Maestría en la FIME. Enero-Agosto 2001 Omar García Rincón, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad en Materiales, “Influencia del tratamiento térmico en el comportamiento tribológico de las aleaciones CO-CR-MO-C para usos en implantes”, 31 de mayo de 2001. Javier Rodrigo González López, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Efecto de la temperatura sobre las propiedades físicas de moldes y corazones producidos por el proceso fenol-uretano en caja fría”, 1 de junio de 2001. Ricardo Joel Salazar Garza, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Térmica y Fluidos, “Compresores centrífugos”, 5 de Junio de 2001. Carlos Eduardo Gamboa Mireles, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “Estudio de los factores críticos de éxito para la función de informática en el sector gubernamental”, 6 de junio de 2001. Luis Enrique Hernández Castillo, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Modelo bidimensional del enfriamiento de cinta de acero laminada en caliente” 7 de junio de 2001. Rodolfo Arrieta Tamez, M.C. Administración, especialidad Producción y calidad, “Maquila de compresores herméticos para refrigeración en una industria metal mecánica y su impacto en calidad, producción y costo”, 7 de junio de 2001. Elda Carolina Cantú Martínez, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “Aplicación de la tecnología como base para la simplificación de procesos administrativos”, 8 de junio de 2001. José Ramírez Lozano, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Diseño Mecánico, “Diseño de elementos flexibles para la transmisión de potencia mecánica”, 11 de junio de 2001. 74 Javier Alonso López Cavazos, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Simulación del proceso de formado de tubos sin costura por el método de elemento finito”, 14 de junio de 2001. Ramón Lara Cerda, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Manual de administración y fortalecimiento de competencias medulares”, 18 de junio de 2001. Rigoberto Américo Garza López, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Estudio del ejercicio en una empresa petroquímica”, 18 de junio de 2001. Arturo Báez Villarreal, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “La producción y el control de calidad de una empresa fabricante de película plástica coextruida para empaque de alimentos”, 18 de junio de 2001. Anabell Garza Leal, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Estrategias motivacionales para el personal de las empresas”, 20 de junio de 2001. Nahielly Alejandra Marín González, M.C. Administración especialidad Relaciones Industriales, “El perfil del líder académico en la facultad de arquitectura”, 23 de mayo de 2001. Graciano González Alaniz, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Productividad y calidad de vida en una empresa cementera de clase mundial”, 22 de junio de 2001. Jesús Evaristo Ramírez Rodríguez, M.C. Ingeniería, especialidad Telecomunicaciones, “Tecnología e interconexiones de redes de telecomunicaciones”, 29 de junio de 2001. Carlos A. Campos Garza, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en materiales, “Variables que afectan las propiedades de soldabilidad e integridad del recubrimiento de galvanneal en un acero IF”, fecha: 2 de julio de 2001. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Roberto Villarreal Garza Andrés Fernando Rodríguez Jasso, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad Materiales,“análisis microestructural de una aleación Al-Si del tipo A319”, 3 de julio de 2001. Jesús Rodolfo Benavides Ortiz, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Caracterización mecánica en aluminio, acero y latón”, 3 de julio de 2001. Pedro Álvarez Reyna, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Caracterización mecánica en aluminio, acero y latón”, 3 de julio de 2001. Joel Pérez Padrón, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Seguimiento de trayectoria por esquema difuso takagi-sugeno: un enfoque de control óptimo inverso”, 6 de julio de 2001. Guillermo Nieto Dávalos, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Diseño, “Desarrollo e implementación de un programa de diseño mecánico para transformadores de potencia”, 11 de julio de 2001. Erika Liliana Morales González, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Modelo de aseguramiento de calidad para una empresa productora de envases”, 16 de julio de 2001. David Garza Castaño, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “La contaminación industrial y la comunidad”, 2 de Agosto de 2001. Antonio Luis Galicia Cavazos, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Modelo de atención al personal para una industria del ramo del vidrio localizada en el área metropolitana de Monterrey”, 6 de agosto de 2001. José Iván Suárez Gutiérrez, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Estudios de deformación cíclica en una aleación Al-Si tipo A319” 6 de Agosto de 2001. Jacobo Hernández Sandoval, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Calentamiento adiabático en una aleación termotratable de aluminio”, 9 de Agosto de 2001. Mario Alberto González De León, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Propuesta de reglamentación de la aplicación del gasto en la U.A.N.L.”, 16 de Agosto de 2001. José Abelardo Araiza González, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Electrónica, “Diseño de una interfaz eléctrica aplicada a la transmisión de datos”, 19 de julio de 2001. Mireya Medina Villanueva, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Administración de personal del departamento de sistemas de la facultad de organización deportiva de la U.A.N.L.”, 16 de Agosto de 2001. Gil Villarreal Garza, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Una planta de manufactura de clase mundial: cómo hacerlo en la planta Carrier“, 2 de agosto de 2001. Yasmina Angélica Zozaya Torres, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Modelo de aseguramiento de calidad para una empresa productora de dulces”, 16 de Agosto de 2001. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 75 �Acuse de recibo Revista SCIENTIFIC AMERICAN Revista T3 MEXICO El número especial de Scientific American dedicado a la nanotecnología («el estudio y la manufactura de estructuras y dispositivos del tamaño de una molécula») merece nuestra atención, pues esta disciplina tiene un gran potencial tecnológico, el que ha sido reconocido por el gobierno norteamericano, el cual ha destinado una suma considerable a la «Iniciativa Norteamericana para la Nanotecnología». En dicho país ya existen más de treinta centros de investigación dedicados a la nanotecnología y ya existen diversas empresas privadas comercializando productos como nanoalambres, nanotransistores, nanochips y hasta filtros solares para la piel que contienen nanopartículas. T3 México, la versión en español de Tomorrow’s Technology Today, es una revista mensual concebida para informar de una manera resumida sobre las novedades tecnológicas que son puestas en el mercado comercial. Por ejemplo, una chamarra con equipo de sonido «surround» integrado, el último video microscópico Sony o un «mouse» de computadora con teléfono. G. Whiteside y C. Love presentan una perspectiva sobre los procesos de nanolitografía, donde los átomos son manipulados uno por uno mediante la punta de un microscopio de sondeo atómico. Los «puntos cuánticos» prometen espectaculares aplicaciones en biotecnología. Como contrapeso, el premio Nobel Richard Smalley alerta contra el excesivo entusiasmo asegurando que los robots nanométricos que actualmente se proyectan simplemente nunca funcionarán. www.sciam.com (MHR) 76 La publicación ofrece secciones fijas donde revisa las novedades y tendencias tecnológicas en áreas como audio, telefonía, video, hogar, por mencionar sólo algunas. También presenta la evaluación tecnológica de diferentes equipos donde, además de describirlos y comentar sus cualidades y defectos, presenta un resumen de sus características, información de costos y un veredicto de los mismos. En resumen, se trata de una publicación para los que gustan de las novedades tecnológicas, presentando la información de las mismas en forma muy compacta y atractiva visualmente. La página en Internet de esta publicación es: www.minaeditores.com.mx/t3.htm (FJEG) Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Acuse de recibo Revista 21st CENTURY & TECHNOLOGY Revista MRS BULLETIN Es grato descubrir que el contenido de esta revista, que se publica en inglés cuatro veces al año, va mucho más allá de lo que su título sugiere. El lenguaje que utiliza es claro, preciso y ameno, en tanto que la manera en que promueve el interés por conocer los desarrollos científicos vigentes seguramente será del agrado de aquellos que buscan algo más que la divulgación cotidiana y ligera. La sección de cartas es una demostración de la objetividad de esta publicación, mostrando por igual los comentarios y las réplicas de los colaboradores y los lectores. MRS Bulletin es una publicación de la Materials Research Society que permite conocer las tendencias de vanguardia en el mundo de la investigación en materiales. En su último ejemplar (Verano 2001) sobresale la leyenda “Dejen que las piedras hablen” haciendo referencia a un artículo sobre el trabajo de descifrar escrituras realmente antiguas. En otras secciones se tocan temas ambientales, el uso de la energía nuclear y estudios astronómicos. No se deben pasar por alto las discusiones sobre las teorías modernas en las que aún se trabaja intensamente y que ya cumplen su primer centenario como la relatividad y la cuántica. Esta publicación está orientada a la divulgación de la ciencia cubriendo los aspectos básicos y presentada de modo entendible y práctico. Se puede encontrar mas información y artículos de muestra en la dirección: www.21stcenturysciencetech.com/ El número de Septiembre de 2001 tiene como tópico central los retos en la investigación de materiales radiactivos como el plutonio y otros actínidos. S. Hecker, del laboratorio de los Alamos, da un panorama general de este tópico en el artículo The Complex World of Plutonium Science. Podemos enterarnos que los vidrios y cerámicos pueden emplearse como solución a los problemas de contaminación relacionados con estos materiales en el artículo Plutonium in Cristalline Ceramics and Glasses. La sección «Material Challenges for the Next Century» balancea el contenido presentando análisis de interés estratégico, escritos por expertos. En este número se incluyen tambien los Abstracts del Journal of Materials Research de octubre 2001. Más información en: www.mrs.org (MHR) (JAAG) Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 77 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Profesor investigador del Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la UANL. Obtuvo su licenciatura y su maestría en el Instituto Tecnológico de Saltillo y el doctorado en Ingeniería de Materiales en la UANL. Realizó una estancia de investigación en el Centro para Recursos Energéticos y Ambientales de la Universidad de Texas en Austin. Es miembro del SNI nivel I. Aldaco Castañeda, Jorge A. Ingeniero Mecánico Administrador con Maestría en Ingeniería de Materiales, ganador del premio a la mejor tesis de maestría UANL 2000. Cursa actualmente su doctorado en la FIME. Altuve Ferrer, Héctor Jorge Ingeniero Electricista por la Universidad Central de las Villas, Cuba. Doctor en Ingeniería Eléctrica por el Instituto Politécnico de Kiev, URSS. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores y Senior Member del IEEE. Actualmente es Profesor Investigador del Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la FIME y Senior Research Engineer en Schweitzer Engineering Laboratories en Monterrey, México. Arredondo Díaz, José Luis Ingeniero Mecánico Administrador por FIME, UANL. Maestría en Ciencias de la Administración con especialidad en relaciones industriales. Ha sido maestro en FIME desde 1980. Actualmente es Secretario de Relaciones Públicas en la misma facultad. Bocîi, Liviu Sebastián Ingeniero Mecánico por el Instituto Politécnico “Traian Vuia” de Timisoara, Rumania. Doctor Ingeniero en Ciencias Técnicas, por la Universidad Politécnica de Timisoara. Fue Profesor Visitante en la Universidad del País Vasco/ EHU, donde realizó especialización en el dominio de Relaciones Internacionales. Actualmente es Catedrático de la Universidad “Aurel Vlaicu” de Arad, en Rumania. Canales Santos, Enrique Realizó maestría y doctorado en la Universidad de Houston, Texas, USA, con especialización en Organización de Cen- 78 tros de Investigación y en Procesos de Innovación Tecnológica. Consultor de empresas (Cemex, Vitro, Mátalas, Frisa, Cydsa, Prolec, etc.) en el campo de Administración de Tecnología. Cantú Martínez, Pedro César Doctorado en Ciencias Biológicas con especialidad en Ecología por la UANL. Maestro en la Facultad de Salud Pública y Nutrición, UANL. Sus áreas de investigación se refieren a impacto, riesgo, auditoría y salud ambiental, así como calidad de vida y desarrollo humano. Actualmente es Coordinador General de Investigación en la FSPYN de la UANL. Chacón Mondragón, Óscar Leonel Ingeniero Químico por la UANL. Obtuvo su Maestría en Ciencias en la Universidad de Houston. Doctorado en la Universidad de Texas en Austin. Actualmente es Profesor Investigador en el Doctorado en Ingeniería de Sistemas de la FIME. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, del IEEE y de INFORMS. Sus áreas de investigación son la optimización e inteligencia artificial aplicadas a sistemas eléctricos de potencia. Coutiño Ozuna, Josué R. Ingeniero Industrial en Eléctrica por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez y estudia la Maestría en Ingeniería Eléctrica, en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Actualmente trabaja en la Comisión Federal de Electricidad. Elizondo Garza, Fernando Javier Ingeniero Mecánico Electricista egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Diplomado en Administración de Tecnología en el CINVESTAV del IPN. Estudios de maestría en Ingeniería Ambiental en la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. Es catedrático y consultor de la FIME y director de la revista Ingenierías. Hinojosa Rivera, Moisés Egresado de la FIME-UANL, obtuvo maestría y doctorado en Ingeniería de Materiales en la misma institución. Postdoctorado en el Instituto de Estudios e Investigaciones Aeroespaciales de Francia. Ganador del Premio de Investigación UANL 1996. Es investigador de tiempo completo en la FIME desde 1998. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 �Colaboradores Kharissova, Oxana Vasilievna Ramírez Valencia, Ricardo Graduada como Geoquímica con especialidad en cristalografía en la Universidad Estatal de Moscú, donde realizó su maestría en la misma especialidad. Realizó su doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Desde Agosto de 2001 es investigadora de la FCFM de la UANL. Estudiante de la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista, en la FIME-UANL, ha colaborado de becario en el laboratorio de Acústica de la FIME desde 1999, pertenece a la Sociedad de Estudiantes de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Ledezma Ramírez, Diego Francisco Estudiante de la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista, en la FIME-UANL, ha colaborado de becario en el laboratorio de Acústica de la FIME desde 2000, pertenece a la Sociedad de Estudiantes de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. López Guerrero, Fco. Eugenio Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero en Control y Computación por la UANL. Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas por la UANL, Maestro la FIME-UANL. Actualmente desarrolla su tesis doctoral en Máquinas-Herramienta en el Programa Doctoral de Materiales de la FIME en conjunto con la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Loverde, Lorin Obtuvo Licenciaturas en Filosofía y Psicología en la Universidad de Wisconsin en 1965. Maestría en Artes por la San Francisco State University en el área de Creative Writing en 1968. Estudios de Doctorado ABD en Filosofía Religiosa en la Columbia University. Ha sido profesor en la University of Maryland Campus Heidelberg en Alemania, en el Schiller College en Heidelberg en Alemania, en el Pratt Institute en Nueva York, en la California Lutheran University. Actualmente es profesor del ITESM y director de la empresa Express English. Martínez Villarreal, Luis Manuel Ingeniero Mecánico Electricista por la FIME-UANL. Maestro en Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, asistió a cursos y Diplomado en Calidad Total y Diplomado en Recursos Humanos. Ha realizado evaluaciones de programas en varias universidades del país. Actualmente es Secretario Administrativo de la FIME y miembro del CIEES. Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No. 14 Ruiz Silva, Miguel Ángel Estudiante de la carrera Ingeniero Mecánico Administrador. Miembro de la Asociación de Refrigeración ASHRAE y becario de la Asociación Internacional IASTE. Realizó prácticas profesionales en la empresa Fábricas Monterrey y una estancia académica en Alemania. Actualmente desarrolla su tesis de licenciatura en Máquinas-Herramienta en la empresa BOSCH GmBH, en Stuttgart, Alemania. Vázquez Martínez, Ernesto Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones con Maestría y Doctorado en Ingeniería Eléctrica por la UANL. Desde 1996 es Profesor Investigador del Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la UANL y es responsable del laboratorio de sistemas eléctricos de potencia y protecciones. Es Miembro del Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica de Estados Unidos. Su área de investigación es la aplicación de inteligencia artificial en sistemas eléctricos de potencia. Villarreal Garza, Roberto Ingeniero Mecánico Electricista por la FIME-UANL, 1970. Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Térmica y Fluidos. Reconocimiento por parte de la American Society of Mechanical Engineers como Faculty Advisor. Catedrático de la FIME-UANL desde 1969. Profesor de la División de Estudios de Postgrado desde 1977. Actualmente es Sub-Director de Postgrado de la FIME-UANL. Zavala López, Eder Estudiante de la licenciatura de Física de la Faculdad de Ciencias Físico- Matemáticas, UANL. Su aréa de interés es la ciencia de materiales y diversos tópicos de física en general. 79 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2002 Volumen Volumen de la revista 5 Número Número de la revista 14 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2002, Vol 5, No 14, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Méndez Cavazos, Julio César, Editor Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2002 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020777 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Aleación aluminio-silicio Fullerenos Historia de Vitro Nanotubos Oscilaciones de potencia https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20736/Ingenierias_2001_Vol_4_No_13_Octubre-Diciembre.pdf e3e1eee6773b9731ff4b0fd21e9ad05e PDF Text Text ����Editorial La investigación aplicada y el desarrollo tecnológico, prioridad nacional Ricardo Viramontes Brown* Actualmente en México hablar de investigación aplicada y/o desarrollo tecnológico ya no se escucha fuera de contexto sino más bien se ha ido asimilando y considerando como una necesidad nacional de primera prioridad, así se reconoce en los medios industriales, académicos y gubernamentales. Tal parece que las llamadas de atención que unos pocos hicieron hace unos cinco o seis años, ahora han encontrado eco. En México en las pasadas décadas, la actividad de la investigación aplicada y el desarrollo tecnológico (IAyDT) había caído en un sueño profundo pues los actores importantes no la tenían considerada como un valor real de independencia y por lo tanto no figuraba dentro de sus prioridades, se podían contar con los dedos de la mano, y ahora quizás unas pocas más, a aquellas empresas que han mantenido un constante esfuerzo aún a pesar de operar en un ambiente que no ha facilitado esta actividad. En ese entonces, el recurso disponible se destinó a llevar a cabo proyectos de investigación científica esencialmente de corte académico. Ahora, que constantemente somos invadidos por una serie de factores externos de todo tipo (tecnologías, productos, divisas, regulaciones ambientales, etc.) queremos reaccionar para proteger lo nuestro y nos damos cuenta que ya no es tan fácil, más aún, en algunos sectores de la industria nos estamos dando cuenta que los negocios que fueron muy exitosos ahora, de la noche a la mañana, ya no generan el beneficio esperado como es el caso de la industria que produce productos semiterminados o commodities. En este año se ha hablado mucho de mecanismos que están en proceso de ser instrumentados para incentivar el proceso innovador, los que buscan dar al industrial mexicano la posibilidad de tener una independencia tecnológica a través de desarrollar su propia tecnología y así llegar a ser él quien controle el destino de su propia empresa. Mencionaremos algunos de estos mecanismos: * Director de Investigación y Desarrollo HYLSAMEX, S.A. de C.V. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 3 �La investigación aplicada y el desarrollo tecnológico prioridad nacional • • • • Incentivos fiscales como deducciones de impuestos. Tener una banca que establezca sistemas apropiados de financiamiento para proyectos de innovación. Mejorar la oferta de recursos humanos calificados y laboratorios de universidades y/o centros especializados. Facilidades para equipar centros y laboratorios. La realidad, es que el camino recorrido para aspirar a tener estos mecanismos a la disponibilidad de los industriales ha sido muy largo y aún no termina, ya que a la fecha prácticamente no se ve la luz al final del camino. En este momento cabe la pregunta: ¿Debemos seguir esperando a que se instrumenten los mecanismos para incentivar la IAyDT? Yo creo que debemos considerar que estos mecanismos llegarán algún día y cuando lleguen se aprovecharán, pero sin embargo en el presente, se deberá seguir haciendo el esfuerzo; los que ya están desarrollando tecnología y los que quieren empezar, ubicados en la realidad actual, pues es importante considerar que las inversiones en IAyDT se recuperan en períodos del orden de 4 a 6 años tomando en cuenta que una muy buena proporción de los proyectos de desarrollo de tecnología requieren de un tiempo para demostrar que son viables técnica y económicamente (de 1 a 2 años), un período similar en su implementación y después, si todo sale bien, viene la recuperación. Bajo este escenario no es recomendable esperar a que los incentivos y otros mecanismos estén instrumentados para iniciarse en el desarrollo tecnológico pues de hecho, ya vamos muy tarde. Es muy recomendable definir proyectos utilizando al máximo la infraestructura existente tanto en centros y/o universidades y con paciencia aplicar para los apoyos existentes que aunque no son lo que se requiere para llevar a la industria mexicana a jugar en las grandes ligas, algo ayudan. Podemos decir que la necesidades de desarrollo tecnológico en la industria, en general, están bien identificadas y se sabe claramente hacia donde es prioritario dirigir el esfuerzo de investigación y desarrollo tecnológico, como un ejemplo de éstas se pueden mencionar: • Producir a menor costo. • Satisfacer la exigencia en la demanda de calidad. 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Ricardo Viramontes • • • • Encontrar soluciones a las limitaciones en la disponibilidad de la energía y materias primas. Cumplir y sobrepasar las exigencias ambientales. Reducir los montos de inversión. Procesos flexibles. El problema fundamental es que ubicándonos en el contexto mundial, nuestros competidores además de muchos elementos circunstanciales que hacen que sus productos lleguen a nuestro país a competir con menores precios y por lo tanto tenemos que competir en desventaja, pues en la mayoría de los países se cuenta con una cultura y una infraestructura establecida hacia la IAyDT y tienen un sistema de incentivos ya implementados en materia de investigación y desarrollo tecnológico. Crecer en el gasto destinado a IAyDT del 0.3% del PIB al 1% es un reto en el que todos tendremos que dar lo mejor: las Universidades preparando investigadores con este nuevo enfoque y orientando su infraestructura para dar servicio a la industria; la industria definiendo sus prioridades de acuerdo a una planeación tecnológica seria y aprovechando al máximo los servicios de las universidades; y el gobierno facilitando la disponibilidad de los recursos. Es tiempo de unir fuerzas y no conformarse con sumar, sino más bien multiplicar, para tratar de recuperar el tiempo perdido. Vienen épocas de grandes decisiones en donde se tendrá que transformar la gran industria pesada y rígida en unidades flexibles en condiciones de operación y tipo de productos. Para esto se requiere de mucha creatividad, tenacidad y paciencia. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 5 �El futuro de la revolución industrial♦ Gabriel Zaid * El capitalismo ♦comercial dejaba a los productores en el campo y a los artesanos en su casa. Fomentaba la protoindustria rural, encargando manufacturas, además de cosechas. Aprovechaba los tiempos libres del trabajo del campo para que los campesinos produjeran hilados, tejidos y ropa por cuenta del capitalista. El capitalismo industrial fue más allá: no se limitó a sacar del mercado la producción independiente, comprándola de antemano, sino que trató de abolirla, contratando como asalariados a los productores independientes y llevándoselos a trabajar bajo su techo, en grandes centros de producción. En vez de concentrar productos en sus bodegas, concentró personal y medios de producción en sus fábricas. Este traslado explica los horrores del primer momento. Muchos obreros acuden a la fábrica con todo su taller: sus hijos menores de edad como ayudantes, su herramienta casera, sus propios métodos de trabajo, los horarios sin límite de la La famosa foto de Lewis Hine, Niños mineros en un yacimiento de carbón, ca.1900. ♦ Artículo publicado en la Revista Letras Libres de mayo 2001 y reproducido con permiso del autor. 6 producción doméstica. Todavía a fines del siglo XIX, cuando Frederick W. Taylor (1856-1915) se pone a cronometrar los tiempos, movimientos y resultados de la simple operación manual de usar una pala en los patios de una fundición, cada paleador trabajaba con la pala que había llevado de su casa y con el método que llevaba de su casa. Taylor encontró palas de todas las formas y tamaños, que cada quien usaba a su manera, por ejemplo: con mucha paleadas ligeras de cinco libras o con pocas paleadas copeteadas de cuarenta libras. Analizó todos los aspectos de la operación, como ahora se estudian cuidadosamente los tiempos y movimientos más eficientes para las competencias deportivas. Llegó a la conclusión de que la paleada óptima era de aproximadamente 21 libras, que la forma óptima de la pala variaba según el tipo de material que se fuera a traspalear, que las palas debían* ser estandarizadas y provistas por la empresa, que el método de trabajo también debía ser estandarizado y provisto por la empresa, que eso permitía establecer cuotas diarias de producción muy superiores, pero alcanzables, y que debía pagarse un incentivo a los paleadores que las cumplieran; todo lo cual requería un departamento de planeación, medición y control de la producción. Así logró aumentar la productividad por paleador de 16 a 59 toneladas diarias y sus salarios en 63%. Así redujo el personal a la tercera parte y el costo de traspaleo por tonelada a la mitad. Lo cuenta en Principios de administración científica (1911), donde también señala que, de esta manera, el saber cómo se hacen las cosas pasó de los trabajadores a la empresa. Una vez puesta en marcha la productivitecnia, todas las operaciones, de todo tipo, en todos los campos de la actividad humana, han sido objeto de * Ingeniero, poeta y analista político. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Gabriel Zaid estudio, no sólo con cronómetros, sino con cámaras de video, pruebas de laboratorio, experimentos, simulaciones, estadísticas, computadoras y modelos matemáticos. Las soluciones para aumentar la productividad también han sido muy variadas, pero han predominado las que sustituyen energía muscular con motores: trabajo con capital. En los grandes patios de las grandes fundiciones, donde Taylor redujo la mano de obra con una pequeña inversión en palas, cronómetros y estudios, los paleadores remanentes han sido desplazados por unos cuantos operadores de palas mecánicas, montacargas y grúas gigantescas. Existen plantas químicas, y hasta mecánicas, tan automatizadas que no requieren personal de producción: sólo de mantenimiento. La administración científica ha llegado hasta la mismísima ciencia: en los laboratorios de investigación del genoma, muchos científicos han sido desplazados por máquinas analíticas. Paradójicamente, el gigantismo, que reúne a miles de personas en un centro de trabajo, se construye con el uso intensivo de capital, no de trabajo. Para que al productor independiente le convenga abandonar sus propios proyectos de producción y sus escasos recursos, sumándose a un gran proyecto con grandes recursos (donde no será más que un empleado), es necesario que le ofrezcan un sueldo muy superior a sus ganancias como microempresario. Para pagar en este nivel, hay que usar el trabajo en pequeñas dosis y hacerlo muy productivo con grandes dosis de capital. Lo cual sólo es posible si el capital es barato. La extraordinaria productividad del trabajo que se puede lograr con grandes dosis de capital se hace a costa de los rendimientos decrecientes del capital. Esto puede observarse en los censos económicos que estratifican los centros de trabajo por número de personas ocupadas. Las empresas más pequeñas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 usan menos capital por hombre, pero le sacan más partido: producen más en proporción al capital, aunque menos por hombre (por eso pueden pagar tasas de interés agiotistas, pero no salarios altos). Las empresas mayores usan más capital que trabajo y producen más por hombre, pero menos en proporción al capital (por eso pueden pagar salarios elevados, pero no intereses altos). El capital concentrado en las grandes empresas produce menos (por unidad de capital) que en las pequeñas. De igual manera, en las estadísticas sociales, puede observarse que la concentración del patrimonio es mayor que la concentración de los ingresos: que el patrimonio rinde menos, a medida que se concentra. El capital disperso produce más que concentrado. Por eso, antes de la energía fósil, la mayor parte de la población mundial trabajaba por su cuenta o para un jefe que trabajaba por su cuenta. Había muy pocos jefes que fueran empleados: ejecutivos de las órdenes de jefes más altos. La aparición de las grandes estructuras piramidales, donde hay jefe de jefes de jefes, sólo fue posible con el subsidio de la energía fósil. El sector improductivo, que era, digamos, del 5% de la población ocupada, pudo subir, digamos, al 30%. Frederick W. Taylor (1856-1915) 7 �El futuro de la revolución industrial Pero no al 100%, porque es imposible que toda la población mundial consuma energía, materias primas, acuíferos, reservas biológicas, inversiones físicas amortizadas, créditos blandos y, en general, capital, con la misma intensidad que el sector piramidado. Por eso, fuera de las economías soviéticas, totalmente piramidadas por la fuerza de las armas, el sector piramidado no ha podido abolir la producción independiente. Nunca habrá recursos suficientes para absorber su personal: para equiparlo despilfarradamente, para extender a todos el consumo intensivo de recursos subsidiados. El nuevo tope está a la vista desde 1973, cuando aumentaron los precios del petróleo. Por ejemplo: el censo de población de los Estados Unidos mostró en 1980 una reducción de la concentración urbana. Las grandes ciudades y sus suburbios habían dejado de crecer, por primera vez en la historia. Hubo que imponer medidas para economizar energía. Así sucederá con todas las formas de progreso improductivo, a medida que el costo se tenga que pagar. El agotamiento de la energía fósil no terminará con las innovaciones, sino que les dará un nuevo rumbo: hacia las soluciones ahorradoras de capital. La racionalización del trabajo con dosis irracionales de capital tendrá que someterse a la racionalización del capital. El homo faber burocrático de los grandes centros de trabajo irá perdiendo importancia frente a un nuevo tipo de homo faber, más parecido al artesano medieval o el artista del Renacimiento, con recursos tecnológicos miniaturizados, pero intensivos de conocimientos. diversas innovaciones: el taylorismo, la electricidad, la electrónica, las computadoras, la biología molecular, las redes de internet, la nanotecnología. ¿Termina así la revolución industrial? Los conceptos históricos de revolución agrícola, urbana, comercial, industrial, son elásticos. Se refieren a grandes ciclos de innovación, cuyos comienzos y contenido no son muy claramente definibles. Hay quienes hablan de una revolución industrial de la Edad Media. También se habla de una segunda o tercera revolución industrial, en relación con Medio millón de años después de domesticar el fuego, los hombres descubrieron la energía fósil, hicieron grandes fogatas, organizaron danzas multitudinarias, se multiplicaron como nunca y quemaron en unos cuantos siglos la energía atesorada en millones de años. Si esto termina bien, como esperamos, la gran parranda pasará a la historia como un incidente pasajero en el desarrollo de la especie. 8 Lo que está claro es que en ciertas épocas se produce una intensificación de las innovaciones, y que los ciclos no terminan: bajan de intensidad y se funden con las siguientes olas. La revolución agrícola no ha terminado, después de la innovación fundamental que fue sembrar. Y, como el tiempo transcurrido entre cada ola se ha venido reduciendo, será difícil distinguir las que vienen. Estamos en una especie de revolución permanente. Lo que no puede ser permanente es la inyección excepcional de energía fósil y el despilfarro de capital. Las innovaciones con futuro tienen que ahorrar energía, agua, materias primas, daños al medio ambiente; aumentar la productividad laboral con muy poco capital; desarrollar soluciones de pocos kilos o de pocos gramos; eliminar la maquinaria, instalaciones y construcciones innecesariamente pesadas; reducir el transporte excesivo de personas y cosas; sustituir el transporte por las comunicaciones; reinventar la producción doméstica, la hospitalización doméstica, la automedicación, el estudio en casa y la educación permanente; reducir el tamaño de los centros de trabajo, las escalas de producción y almacenaje; producir en los lugares de uso o muy cerca; reducir la piramidación del poder y la administración; crear estructuras organizativas horizontales; favorecer las microempresas y microinstituciones. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Estructura y compatibilidad de mezclas de poliamidas con quitina y quitosán♦ Virgilio A. González, Carlos A. Guerrero, Ubaldo Ortiz Méndez* Abstract This work presents a comparative study about the compatibilization of four binary blends with slight differences on their chemical structure. The natural polymers chitin, QA, and chitosan, QN, are blended with polyamide 6, PA6, and polyamide 66, PA66. The results, obtained by means of differential scanning calorimetry, infrared spectroscopy and light and scanning electron microscopy, give the following compatibilization sequence: PA6/QN ≈ PA66/QN > PA6/QA > PA66/QA. This behavior could be related to the ability of QN to form hydrogen bonds and also to the capability of packing of PA66.♦ Fig. 1- Estructuras químicas de la quitina y el quitosán. Keywords: chemical structure, compatibilization, chitin, chitosan, polyamide. Fig. 2- Estructuras químicas de las poliamidas 6 y 66. INTRODUCCIÓN Entre los materiales compuestos naturales, los exoesqueletos de camarones y cangrejos revisten gran importancia por su abundancia como desperdicio de la industria pesquera,1,2 siendo de gran interés científico debido a las interacciones químicas que presentan entre los polímeros que los componen, quitina (QA) y quitosán (QN), con proteínas. Aunque se sabe que en estas interacciones contribuyen sales inorgánicas como los carbonatos de calcio y magnesio,3 resulta atractivo estudiar el efecto de las diferencias estructurales entre la QA (Poly-N-acetyl-Dglucosamina) y su derivado el QN (QA desacetilada), figura 1, con otros polímeros, entre ♦ Trabajo galardonado con el premio de investigación UANL 2000 en la categoría de Ingeniería y Tecnología, entregado en la sesión solemne del H. Consejo Universitario de la UANL del 12 de septiembre 2001. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 los cuales, debido a su similitud estructural con las proteínas, destacan las poliamidas, este estudio resulta aún más interesante si escogemos dos poliamidas que tengan muy pequeñas diferencias estructurales, como los son la poliamida 6 (PA6) y la poliamida 66 (PA66), figura 2. De acuerdo a la termodinámica de mezclas de polímeros de Flory-Huggins,4,5 la miscibilidad y compatibilidad de dos polímeros está condicionada esencialmente a la formación de interacciones específicas entre ellos que contribuyan a disminuir o hacer negativa la entalpía de mezclado (∆Hm). La * formación de puentes hidrógeno entre macromoléculas de dos substancias diferentes está en competencia con la formación de puentes hidrógeno con otras moléculas de la misma especie, estas últimas interacciones no contribuyen con ∆Hm. * DIMAT-FIME-UANL. 9 �Estructura química y compatibilidad de mezclas de poliamidas con quitina y quitosán Es de esperarse entonces que la fuerza de los puentes hidrógeno y los efectos estéricos sean determinantes de la compatibilidad y miscibilidad de dos polímeros. Un análisis de la estructura de la QA, muestra que ésta puede formar cuatro tipos diferentes de puentes hidrógeno, estos son: a) Entre dos grupos hidroxilo (HO----HO), b) Entre el hidrógeno del grupo amida y los oxígenos de los grupos hidroxilo (HO---HN) c) Entre los hidrógenos de los hidroxilo y el grupo carbonilo (C=O----HO) d) Entre el hidrógeno sobre el nitrógeno de la amida y el grupo carbonilo(C=O----HN). Ya que la desacetilación de la QA para obtener QN implica la desaparición de grupos carbonilo, en el QN hay un número menor de puentes hidrógeno posibles en los que intervienen los grupos carbonilo (C=O----HO y C=O----HN), los cuales son más fuertes que cualquiera de los otros enlaces hidrógeno, por lo que en mezclas con otro polímero, esperaríamos que el QN sea más efectivo en la formación de puentes hidrógenos que contribuyan a la ∆Hm. en cambios considerables en la capacidad para empaquetárselo que se traduce en el hecho de que la PA66 tiene una temperatura de fusión considerablemente superior que la PA6, debido a que este mejor empaquetamiento resulta en una formación de puentes hidrógeno más eficiente que en la PA6. Por lo tanto, es de esperarse que al mezclar estas poliamidas con otros polímeros, sea más difícil para el caso de la PA66 cambiar los puentes hidrógeno entre moléculas de poliamida, por puentes hidrógeno entre moléculas de polímeros diferentes. Como se estableció en párrafos anteriores, la miscibilidad y/o compatibilidad entre dos polímeros es causada generalmente por la presencia de interacciones específicas entre ellos, de las cuales los puentes hidrógeno pueden ser detectados por técnicas espectroscópicas,6-8 manifestándose como el corrimiento o ensanchamiento de las bandas de absorción infrarroja (FTIR) de los grupos funcionales involucrados. Por otra parte, los cambios en potenciales químicos se traducen en el decremento de las temperaturas y entalpías de fusión además de corrimientos en las temperaturas de transición vítrea, fenómenos que se pueden analizar mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC). Por otra parte el grupo acetilo de la QA puede presentar un impedimento estérico para la formación de puentes hidrógeno en los que intervenga el grupo hidroxilo vecino o el hidrógeno amínico, lo que resulta también en una desventaja relacionada a la compatibilidad y miscibilidad con otros polímeros. La tendencia de los polímeros a separarse a niveles macroscópicos cuando no hay compatibilidad y a mezclarse a niveles microscópicos cuando se presenta la miscibilidad, hace factible el uso de técnicas microscópicas en la evaluación de la miscibilidad de las mezclas. Entre las poliamidas 6 y 66, la única diferencia estructural es la distribución de los grupos metileno entre los grupos amida. Mientras que la PA6 tiene invariablemente 5 grupos metileno entre los grupos amida, en la PA66 se alternan 6 y 4 grupos metilenos, sin embargo estas diferencias se traducen En este escrito, se presentan los resultados de un estudio comparativo, estructural (FTIR), termodinámico (DSC) y morfológico (microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido o SEM), de la compatibilidad de las mezclas binarias QN/PA6, QA/PA6, QN/PA66 y QA/PA66. 10 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Virgilio A. González, Carlos Guerrero, Ubaldo Ortiz Méndez PARTE EXPERIMENTAL Materiales Se utilizaron PA6 grado fibra en forma de granza (o pellet) de Celanese Mexicana y PA66 grado inyección en también en forma granza de BASF (Ultramid A5), ambas poliamidas sin aditivos. La QA y el QN, este último con 72 % de grado de desacetilación ambos en forma de hojuelas extraídos de caparazón de cangrejo se adquirieron de Sigma Co. Caracterización de materiales Las poliamidas se caracterizaron en cuanto a pesos moleculares mediante separación por elusión en columna (SEC) de sus derivados trifluoroacetilados9 utilizando un cromatógrafo Waters GPC-150C, en cuanto a transiciones físicas mediante calorimetría diferencial de barrido usando un analizador térmico DuPont 1090 con una celda base DSC estándar a 10 °C/min en atmósfera de N2 a 100 ml/min. Los resultados se muestran en la tabla I Tabla I.- Características de peso propiedades térmicas de las poliamidas molecular y La QA y el QN se caracterizaron en cuanto a grado de desacetilación mediante espectroscopía de infrarrojo de acuerdo a la técnica reportada por Moore14 y Domzy15 utilizando un espectrofotómetro FTIR Nicolet 710. En cuanto a pesos moleculares se utilizó viscosimetría capilar en sistemas de disolventes para los que se encuentra reportados los valores de las constantes de Mark-Houwink, esto es: un buffer de CH3COOH 0.2 M / CH3COONa 0.1M para el QN16,17 y ácido fórmico para la QA18 la cual se solubilizó mediante procedimientos previamente establecidos. Los resultados de esta caracterización se muestran en la tabla II. Tabla II. Características de desacetilación de la QA y el QN Muestra a peso molecular GD (%) [η] g/dl Mv (g/mol) b 49 14.36 840,100 c 79 4.04 502,600 QA QN FTIR según Moore 14 y a) Obtenido por 15 Domszy and b) Constantes de Mark-Houwink reportados por 18 Muzzarelli c) Constantes de Mark-Houwink reportados por 17 Rathke and Hudson Muestra PA6 PA66 Mn 46,800 38,500 Mw 80,600 91,000 MWD 1.72 2.37 Tg (ºC) 45.3 51.7 Las muestras de QN y QA se analizaron en forma de película con un difractómetro de rayos-X Siemens D-5000, usando como portamuestras una cámara de polvos y un detector de centelleo. Tm (ºC) 209.3 255.2 Preparación de las mezclas ∆Hm (cal/g) 14.3 11.0 Las mezclas se prepararon por evaporación de disolvente en una caja Petri, a partir de 10 ml de disoluciones al 1% en ácido fórmico y a una temperatura de 30 °C. Se prepararon mezclas de PA6/QN, PA66/QN, PA6/QA y PA66/QA en todo el intervalo de composiciones (0/100 - 100/0). Una vez formadas las películas, éstas se lavaban repetidas veces con agua destilada y se secaban en (1-λ) (%) 31 a 18 a a) para el cálculo del grado de cristalización, se utilizaron las entalpías de fusión al equilibrio reportadas 10 11 por Magill e Inoue La quitina soluble en ácido fórmico, se obtuvo mediante el procedimiento por tratamiento con álcali descrito previamente.12,13 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 11 �Estructura química y compatibilidad de mezclas de poliamidas con quitina y quitosán un liofilizador, almacenándose en un desecador con pentóxido de fósforo para su análisis posterior. Caracterización de las mezclas La caracterización calorimétrica se realizó mediante DSC bajo las condiciones ya mencionadas y en un intervalo de temperaturas entre -150 °C y 300 °C. Antes de hacer el análisis espectroscópico, las mezclas se secaban por tratamiento térmico19 a 160 °C durante 3 min., y después mediante FTIR en condiciones instrumentales de resolución de 2 cm-1 y 65 barridos se obtenían los espectros correspondientes. El análisis morfológico se hizo utilizando un microscopio óptico Olympus con luz polarizada a amplificaciones entre 50X y 500X y un microscopio electrónico de barrido Phillips XL-30 con detector de rayos-X EDX a amplificaciones de hasta 10,000X. Para su observación en el SEM las muestras fueron recubiertas con Au/Pd, observando siempre la cara de las películas que no estuvieron en contacto con el vidrio. RESULTADOS Y DISCUSIÓN formar puentes hidrógeno, por lo que es de esperarse de este último un mayor carácter higroscópico. La deshidratación de estos materiales, observada mediante termogravimetría, figura 3, muestra que originalmente el QN contiene el doble de agua que la QA. En el análisis DSC de muestras calentadas a diferentes temperaturas,19,20 (figura 4), encontramos que este contenido de agua siempre es mayor en el QN. Evidencias que apoyan al análisis estructural. Fig. 3. Curvas termogravimétricas de la quitina y el quitosán. Análisis preeliminar A simple vista, las disoluciones de todos los polímeros y sus mezclas resultaron ser homogéneas y transparentes, pasando de incoloras a ligeramente amarillentas al aumentar el contenido de QA o QN; las películas obtenidas fueron translúcidas y rígidas, reblandeciéndose al ser sumergidas en agua. Los difractogramas de rayos-X de las películas de QA y QN no mostraron ningún pico que indicara orden cristalino descartando así que futuras observaciones al microscopio fueran influenciadas por la presencia de cristales de estos biopolímeros. Análisis calorimétrico Del análisis estructural de la QA y el QN se puede prever una mayor capacidad del QN para 12 Fig.4. Efecto del tratamiento térmico por 3 minutos sobre la entalpía de deshidratación de la quitina y el quitosán. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Virgilio A. González, Carlos Guerrero, Ubaldo Ortiz Méndez La figura 5 muestra cuatro trazas calorimétricas, una por cada tipo de mezcla, apreciándose en ellas dos endotermas, la de baja temperatura asignada a la deshidratación y la segunda correspondiente a la fusión de la poliamida.19,20 Se puede apreciar que al aumentar el contenido de poliamida, la intensidad relativa de la endoterma de deshidratación respecto a la de fusión disminuye; además observamos que es necesario hacer un análisis meticuloso de la entalpía de fusión (∆Hm), de las mezclas de PA66/QN, ya que inmediatamente después de que funde la PA66, inicia la degradación del QN. mediante la cual en cualquier momento se puede determinar ∆Hd usando una sola función lineal de la composición, mientras que en las demás muestras hay un cambio de pendiente aproximadamente al 50% de composición lo cual se podría asociar con una inversión de fases. En el análisis de las endotermas de fusión, se encontró que la PA6 y la PA66 mantuvieron una temperatura de fusión (Tm) constante e independiente de la composición (PA6: Tm = 219.5 ± 0.6 °C, PA66: Tm = 257.8 ± 1.3 °C). Las entalpías de fusión observadas (∆Hobs), en las mezclas se normalizaron al contenido de poliamida al dividir sus valores entre la fracción peso de poliamida presente, y se graficaron en función de la composición (figura 7), apreciándose que a excepción de las mezclas de PA66/QA, todas muestran un abatimiento de la entalpía de fusión de la poliamida correspondiente en función del contenido de biopolímero. Fig. 5- Curvas DSC de cuatro mezclas estudiadas.(a) PA6/QN 50/50, (b)PA6/QA 70/30, (c) PA66/QA 60/40 y (d) PA66/QN 70/30. Los resultados del cálculo de las entalpías de deshidratación (∆Hd) de las mezclas se presenta en forma gráfica en la figura 6 donde se puede apreciar que la presencia de QN o QA en concentraciones bajas (< 50%) hace que aumente en forma más o menos lineal el contenido de humedad en las mezclas con cualquiera de las poliamidas, sin embargo en las muestras PA6/QN este comportamiento se mantiene en todo el intervalo de composición, pudiendo aplicar la regla de aditividad Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 Fig. 6. Efecto del contenido de QA o QN en la entalpía de deshidratación de sus mezclas con las poliamidas PA6 y PA66. 13 �Estructura química y compatibilidad de mezclas de poliamidas con quitina y quitosán energías de los puentes hidrógeno preexistentes. Por otra parte, las mezclas de las poliamidas con QA solo mostró las modificaciones de los espectros resultado del traslape de las bandas correspondientes a los polímeros que componen las mezclas (figuras 8 y 9). Fig. 7. Efecto del contenido QA o QN sobre la entalpía de fusión normalizada de las poliamidas PA6 y PA66. El abatimiento en ∆Hm es un indicador de que: o se ha alterado el potencial químico en la fase de poliamida de las mezclas lo suficiente como para alterar el comportamiento de cristalización, o bien que parte de la poliamida ha pasado a otra fase, disminuyendo así la cantidad de poliamida como fase pura y por lo tanto el porcentaje de poliamida cristalizada en relación con la masa total de muestra disminuye. Esta última suposición se ve fortalecida por el hecho de que la temperatura de fusión de ambas poliamidas no se ve desplazada al añadirle el biopolímero. Fig. 8 Espectro FTIR de mezclas de PA6/QA en muestras con bajo contenido de QA Análisis espectroscópico En el análisis de infrarrojo, la presencia de PA6 en el QN produce un corrimiento de la banda de la amida del QN (1655 cm-1) de hasta 29 cm-1 hacia la región de menor energía,18 por su parte el PA66 produce solo un ensanchamiento de esta banda.19 Así, podemos decir que mientras que en las mezclas PA6/QN se forman puentes hidrógeno entre macromoléculas de polímeros diferentes, más fuertes que los que originalmente había entre moléculas de QN, el efecto del PA66 parece ser solamente de un aumento en la distribución de 14 Fig. 9 Espectro FTIR de mezclas de PA6/QA en muestras con alto contenido de QA. Así las evidencias calorimétricas y espectroscópicas indican que en las mezclas entre las poliamidas y el quitosán se producen interacciones entre los polímeros lo suficientemente Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Virgilio A. González, Carlos Guerrero, Ubaldo Ortiz Méndez grandes como para alterar tanto las entalpías de fusión de las poliamidas como los espectros de infrarrojo, aunque en el caso de la PA66 el efecto sobre este último es menor que el de la PA6, indicando posiblemente una menor compatibilidad en las mezclas PA66/QN que en las mezclas PA6/QN. Análisis morfológico Al observar la morfología de las mezclas, se encontró que en las muestras de PA66/QA la segregación en todo el intervalo de composición es evidente y casi macroscópica (figura 10), indicando una nula compatibilidad entre estos polímeros, mientras que en las mezclas PA6/QA se observan al microscopio óptico morfologías esféricas (figura 11), algunas de las cuales muestran la cruz de malta característica de las eferulitas. Fig. 10. Imagen del microscopio óptico con luz polarizada a 500X de la mezcla PA66QA : 50/50. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 Fig. 11. Imagen del microscopio óptico con luz polarizada a 500X de la mezcla PA6/QA : 70/30 Las imágenes de SEM de las mezclas PA6/QA, (figura 12), muestran claramente dos morfologías, de las cuales podemos deducir al compararlas con la imagen de microscopía óptica (figura 11), que son una amorfa formando glóbulos bien delimitados y que aparecen en la imagen de microscopía óptica como regiones grises por no desviar el plano de luz polarizada y la otra en forma de discos, seguramente semicristalina y responsable de las regiones brillantes en la figura 11, las cuales eventualmente forman la cruz de malta. La forma de estos discos se puede apreciar mejor en mezclas con menor contenido de quitina como en la figura 13, donde podemos suponer21,22 que la forma de cono que se observa, es debida a que durante el secado de la película, la parte superior de las morfologías queda afuera de la disolución, deteniendo el crecimiento esferulítico, mientras que la parte inferior, aún dentro de la disolución continua creciendo. 15 �Estructura química y compatibilidad de mezclas de poliamidas con quitina y quitosán observaciones FTIR, no hay interacciones puente hidrógeno significativas. En el caso de las mezclas entre las poliamidas y el QN, las morfologias presentes son muy diferentes a las mezclas con QA, en el caso de las mezclas PA6/QN se han observado estructuras más o menos esféricas en todo el intervalo de composición (figuras 14 y 15), las cuales se han interpretado19 como esferas de poliamida semicristalina encapsuladas en quitosán amorfo y embebidas en una fase continua de una mezcla de quitosán y algo de poliamida amorfa dispersa. Fig. 12. Imagen de SEM a 730X de la mezcla PA6/QA : 85/15. Fig. 13. Imagen de SEM a 1,200X PA6/QA 70/30 de la mezcla. De cualquier manera, morfológicamente, podemos diferenciar claramente las mezclas PA66/QA como de nula compatibilidad y las mezclas PA6QA con una mayor compatibilidad, lo que se traduce en segregaciones de componentes con la formación de dos fases de dimensiones casi macroscópicas en la primera y microscópicas en la segunda, en esta última una fase semicristalina y una fase amorfa, entre las que: de acuerdo a las 16 Fig. 14. Imagen de microscopía óptica con luz polarizada a 200X de la mezcla PA6/QN : 85/15 Esta morfología es completamente diferente a la observada en las mezclas PA66/QA, donde se encuentran estructuras fibrilares cuya forma cambia con el contenido de quitosán (figuras 16 y 17), y cuya composición química no ha sido elucidada. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Virgilio A. González, Carlos Guerrero, Ubaldo Ortiz Méndez Fig. 17. Imagen SEM de la muestra PA66/QN 15/85 mostrando estructura fibrilar. Fig. 15. Imagen de microscopía electrónica de barrido de la muestra P06/QN : 40/60 recubierta con Au/Pd a 3233X de amplificación. Observaciones finales Las morfologías encontradas en las mezclas de cualquiera de las poliamidas con quitosán, refuerzan las observaciones hechas por FTIR y DSC de una mayor compatibilidad por la presencia de interacciones puente hidrógeno que las mezclas con quitina y los resultados obtenidos tanto calorimétricos, de FTIR como morfológicos indican diferencias cualitativas en las interacciones PA6/QN y PA66/QN aunque no permiten diferenciar en forma definitiva en grado de compatibilidad. Fig. 16. Imagen SEM de la muestra PA66QN : 50/50 mostrando esferas embebidas en matriz fibrilar. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 Por lo antes expuesto, podemos establecer como orden de compatibilidad de las mezclas, el siguiente: PA6/QN ≈ PA66/QN > PA6/QA > PA66/QA. 17 �Estructura química y compatibilidad de mezclas de poliamidas con quitina y quitosán Es interesante notar que la presencia de un mayor contenido de grupos acetilo en la quitina (51%) que en el quitosán (21%) se traduce en una disminución de la compatibilidad, lo que nos mueve a pensar que además del impedimento estérico que pudieran presentar los grupos acetilo para la formación de puentes hidrógeno y aunque se supone que la desacetilación de los grupos oxiránicos es al azar, posiblemente un 50% de desacetilación represente una regularidad estructural (probablemente de grupos desacetilados alternados), con relación al quitosán, que permite un mejor acomodo de las moléculas del biopolímero y por ende mayor dificultad para que las poliamidas rompan las interacciones entre sus moléculas. Sin embargo este fenómeno debe ser estudiado posteriormente mediante técnicas como RMN en estado sólido. De nuevo, el mejor empaquetamiento que puede tener la PA6 con relación a la poliamida 66 (que se traduce en una temperatura de fusión mayor en esta última), hace que se observe un cambio dramático de compatibilidad con la quitina, mientras que la PA6 puede considerarse compatible con la QA debido a la uniformidad de su morfología (aunque sin interacciones puente hidrógeno), la mezcla PA66/QA es notoriamente incompatible. Estas diferencias estructurales de las poliamidas no permite establecer un orden de compatibilidad de éstas con el quitosán, pero sí se traduce en diferencias morfológicas radicales, como lo son estructuras fibrilares en las mezclas PA66/QN y de esferas encapsuladas en las mezclas PA6/QN. Hay que hacer notar que las morfologías como las mostradas en las figuras 15 y 17 son atractivas en la búsqueda de aplicaciones que involucren la separación de contaminantes (como metales pesados y otros), ya que el área de superficie en las esferas de la figura 15 es de quitosán, el cual tiene 18 propiedades quelatantes, mientras que la estructura fibrilar mostrada en la figura 17 plantea como posibilidad la conectividad de los poros entre las fibras lo que implicaría que podrían ser usadas como filtros con propiedades quelatantes. CONCLUSIONES Pequeñas diferencias estructurales en los polímeros que componen mezclas binarias, se traducen en cambios apreciables en compatibilidad. Utilizando las técnicas de DSC, FTIR y microscopías óptica y electrónica de barrido, es posible diferenciar los grados de compatibilidad de las mezclas de las poliamidas 6 y 66 con quitina (GD = 49%) y con quitosán (GD = 79%). El orden de compatibilidad propuesto es: PA6/QN ≥ PA66/QN > PA6/QA > PA66/QA, el cual puede explicarse por la mayor capacidad de empaquetarse de la PA66 que la PA6, la habilidad de formar puentes hidrógeno de los polímeros involucrados, y el efecto estérico de los grupos acetilos en la quitina. De esta manera se alcanza el objetivo propuesto al corroborarse la hipótesis planteada y encontrar morfologías en las mezclas compatibles que se pueden considerar interesantes en la búsqueda de aplicaciones en membranas para purificación de efluentes contaminados. BIBLIOGRAFÍA 1. W. Glasser, H. Hyoe, Ed., Viscoelasticity of Biomaterials, American Chemical Society, Washington, D.C. (1992) 2. R.A.A. Muzzarelli, Natural Chelating Polymers: Alginic Acid, Chitin and Chitosan, Pergamon Press, Oxford (1973) 3. S. Zhang and K. E. Gonzalves, J. Appl. Polym. Sci., 56, 687, (1995) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Virgilio A. González, Carlos Guerrero, Ubaldo Ortiz Méndez 4. P. J. Flory, Principles of Polymer Chemistry, Cornell Univ. Press, New York (1953) 5. R.H. Boyd, P.J. Phillips, The Science of Polymer Molecules, Cambridge University Press, New York (1993) 6. P. Painter, Y. Park, M. Coleman, J. Appl. Polym. Sci., 70(7), 1273 (1998) 7. B. Albert, R. Jerome, P.Teyssie, B. BaeyensVolant, J. Polym. Sci., Polym. Chem., 24, 551 (1986) 8. Silverstein, Bassler and Morrill, Spectrometric Identification of Organic Compounds, John Wiley & Sons, New York, (1981) 14. G.K. Moore, Ph.D. Tesis, Trent Polytechnic, Nottingham (1978). Cited in K. Mazeau, H. Chanzy, W.T. Winter, Macromolecules, 27, 7606 (1994) 15. D. Domszy, A. F. Roberts, Makromol. Chem., 186, 1671 (1985) 16. Y. Sawayanagi, N. Nambu, T. Nagai, Chem. Pharm. Bull, 30, 2413 (1982) 9. K. Weisskopf, Polymer, 26, 1187 (1985) 17. T.D. Rathke and S.M. Hudson. Rev. Macromol Chem. Phis. C34, 375, (1994) 18. R. A. A. Muzzarelli, Chitin, University of Ancona, Italy (1976) 19. C. Guerrero, V. González, J. 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La información que se pudo obtener *sobre la Gamitadera original es la siguiente: Keywords: sound. aerophone, Mexico, spectrogram, INTRODUCCIÓN Este estudio es un ejemplo ilustrativo de acciones recomendadas en estudios anteriores del autor,1 y 2 para comprobar la efectividad y la relativa sencillez de una metodología propuesta, analizando casos específicos de aerófonos mexicanos relevantes. El caso seleccionado es un extraordinario aerófono de barro que se encuentra en exhibición en una vitrina de una sala del Museo de Antropología de Xalapa, Veracruz, mismo que ha sido designado como Gamitadera. El análisis es virtual porque se hace mediante réplicas experimentales como la mostrada en la figura 1, y la visualización de las frecuencias de los sonidos que pueden producir, utilizando espectrogramas digitales. Fig. 1. Réplica de aerófono de barro quemado “Oaxaca” (11 cm de largo). 20 Fue descubierta por el arqueólogo Marco Antonio Reyes López, exinvestigador del Instituto de Antropología de la Universidad de Veracruz, quien nos informó que fue recogida en un muestreo superficial de 1970, realizado en San Pedro, cabecera municipal de Soteapan. Los estratos inferiores de ese sitio son Olmecas, pero los objetos superficiales tienen influencia Teotihuacana de 600900 d.c. Está elaborado con barro arenoso de esa zona situada al sur de la Ciudad de Veracruz, que cuando se quema es rojo, lo que indica que tiene mucho óxido de fierro. Se ignora su designación antigua. Su designación actual se relaciona con la costumbre de esa región de llamar gamitos a los venados con una mancha blanca en la frente o de cola blanca. Para los cazadores, gamitear significa hacer el sonido del animal pequeño para atraer al macho o hembra adultos para cazarlos. Dicen que el caribú de Canadá, mayor que el venado, emite un sonido parecido. Los empleados del Museo de Antropología de Xalapa, que han escuchado los sonidos producidos por la Gamitadera original, dicen que se parecen al rugido del ocelote o jaguar o a los sonidos que producen las aves de rapiña como el buitre. A algunos se les enchina el cuero y se les paran los pelos, cuando escuchan sus sonidos. No se han encontrado fotografías, radiografías o sonidos grabados del instrumento. Parece que Antonio Zepeda grabó sus sonidos pero no se ha podido entrevistar ni localizar sus grabaciones. No ha sido analizado formalmente, ni desde el punto de vista de la organología ni de la acústica y no hay * Investigador en acústica, especialista en instrumentos prehispánicos de viento. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Roberto Velázquez Cabrera publicaciones disponibles sobre ese extraordinario aerófono. De la rica organología de esa zona, sólo se ha encontrado un estudio específico, que fue realizado desde el punto de vista musical: el de Charles Boiles,3 sobre la flauta cuádruple Tenennexpan, con fotos de Francisco Beverido. El único documento público donde se hace referencia a ese aerófono es un artículo de Susan Rawcliffe,4 quién ha analizado flautas antiguas, y construido y tocado sus esculturas sonoras de cerámica por cerca de 25 años. En su artículo incluye un breve análisis sobre la Gamitadera, que ella llama "chamberduct flute". Comenta que tiene un tubo de salida situado alrededor del hoyo de salida, y el tubo resonador agregado tiene una larga apertura lateral para permitir variaciones limitadas de tono. En su opinión el sonido de este instrumento es extraordinario y variado. Incluye una descripción de los sonidos que es difícil de traducir con pocas palabras, mismo que a la letra dice: "from a raspy throat gurgle to a wreching cry" dependiendo de las prácticas de construcción y desempeño. En su artículo incluyó un conjunto de dibujos con vistas de cortes de aerófonos (que ella llama flautas) de varios museos y colecciones, elaborado por el artista Jim Grant sobre la base de un cuidadoso análisis visual de los instrumentos realizado por ella misma y entre los que se contempla el de la Gamitadera. El dibujo de la Gamitadera (que no conocía) y los comentarios de Susan Rawcliffe, me motivaron para hacer el viaje a Xalapa. Don Brígido Lara,5 quién es uno de los mejores escultores de réplicas de arte antiguo mexicano con cerca de 50 años de experiencia artesanal y que ahora trabaja en el Museo de Antropología de Xalapa, opinó que el barro utilizado en la Gamitadera original es del mismo lugar y similar al material que él usa. También mencionó que no es fácil la elaboración de réplicas que suenen bien. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 ANÁLISIS. Habiendo observado la Gamitadera original en su vitrina y con la ayuda del dibujo de Sisan Rawcliffe y de Don Brígido Lara se elaboró un boceto con la vista de un corte, que muestra su estructura y componentes interiores (figura 2). Fig. 2. Boceto de la vista lateral del corte de la Gamitadera. Componentes: 1. Primer cámara resonadora en forma de dona aplanada en el centro. 2. Segunda cámara de forma globular. Resonadora principal o cámara de oscilación. 3. Tercer cámara resonadora de forma tubular. 4. Pequeños huecos. a. Primer orificio central, de entrada de aire de soplado o insuflación. b. Segundo orificio central, de entrada a la cámara resonadora globular. c. Canal de salida hacia el tubo resonador. d. Orificio de salida final. Basándose en el boceto anterior, se elaboró un conjunto de réplicas (figura 3) utilizando varios tipos de barro, entre los que se incluyen los proporcionados por Brígido Lara y por Mario y Gregorio Cortés de Santo Cruz de Arriba, Texcoco del estado de México (ellos son los más 21 �Análisis virtual de la gamitadera experimentados flauteros de barro), y uno de Oaxaca que se vende en la Ciudad de México. Los tres barros son muy buenos. Los dos primeros, son arenosos, excelentes para disminuir la posibilidad de cuarteaduras en piezas grandes. El último, es bueno para piezas pequeñas con detalles minuciosos y para obtener superficies pulidas o bruñidas. Fig. 3. Réplicas de barro. Las réplicas fueron hechas con la ayuda de moldes esféricos, para formar la cámara principal (2) y con ayuda de un carrizo y las manos se moldeó el tubo resonador. El resto se terminó con técnicas de pastillaje y pegado de las piezas. Con un palito redondo y picudo se perforaron y terminaron los hoyos. Se trato de obtener réplicas con pequeñas variaciones en su forma y dimensiones, para ver sus efectos. La forma de generación de sus sonidos es similar a la de los de viento o “de fuelle de aire”, como los llama José Luis Franco,6 quien los analizó por más de 10 años. Él es uno de los pocos que han escrito sobre la rica organología de la Cultura Totonaca7 pero no incluyó en sus publicaciones a la 22 Gamitadera, posiblemente por su descubrimiento reciente. De acuerdo a su explicación (adaptada a éste aerófono), su funcionamiento sería: La corriente de aire se introduce por el orificio de entrada (a) y se dirige al orificio de entrada (b) y a la cámara de oscilación.2 En ella el aire se comprime hasta que llega el momento en que la presión dentro de ella es igual a la presión del aire que se está soplando, entonces ya no entra más aire a la cámara,2 pero el aire que se está soplando jala más aire y llega el momento en que dentro de la cámara2 hay menos presión que la del soplo; entonces entra más aire dentro de la cámara2 hasta que vuelve a nivelarse la presión con el soplo. Este ciclo se repite indefinidamente produciéndose el sonido. Lo anterior no es suficiente para explicar las diferencias en los sonidos producidos, entre los de la Gamitadera y los convencionales de fuelle de aire, ya que difieren notablemente. Tampoco incluye los otros elementos organológicos que se incluyen en el boceto. Faltaría explicar, al menos, el posible efecto de la primer cámara.1 Es necesario hacer notar que las oscilaciones de ese muelle de aire tendrían que funcionar al mismo tiempo en una gama muy amplia de frecuencias, que superan al audible. Hasta que se disponga de la tecnología para simular y analizar en detalle el comportamiento dinámico en tres dimensiones del aire y las ondas sonoras de muy altas frecuencias en cámaras múltiples e irregulares, será posible conocer el posible funcionamiento detallado de aerófonos sonoros complejos como la Gamitadera. Lo que se puede afirmar, es que el tubo resonador, es un amplificador de las frecuencias correspondientes a sus dimensiones internas. Como en la mayoría de los aerófonos con un hoyo de obturación (d), pueden variarse las frecuencias de los sonidos si se tapa parcialmente y/o se forma una Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Roberto Velázquez Cabrera cámara adicional de salida con las manos. Si coinciden en una línea los hoyos (a), (c) y (d), se puede mejorar su sonoridad, y se facilita su ajuste con un palito desde el exterior. También ayuda a generar mejor los sonidos, el aplanar un poco la parte superior de la esfera globular, alrededor de su hoyo de entrada. Por supuesto, se cumplen los principios generales de los resonadores: las frecuencias que más se amplifican son las que corresponden a las dimensiones de la cámara principal2 y del tubo resonador.3 Si se incrementan sus dimensiones, bajan las frecuencias de los sonidos más fuertes y éstas se elevan cuando se disminuye el tamaño de sus cavidades internas. Fue necesario elaborar varias réplicas para poder producir sonidos (audibles). Se tuvieron que “matar” varias replicas silenciosas antes de su posible nacimiento. Ángel Mendoza, quien me ha acompañado en estas experiencias, también elaboró dos réplicas que tocaban crudas, pero cuando se quemaron se quedaron casi mudas. Se ha visto que es muy difícil lograr que produzcan sonidos fuertes y claros. Los elementos que afectan son: la distancia, alineación (de los centros) y dimensión de y entre el hoyo superior de insuflación (a), que debe ser de menor diámetro, y el hoyo (b) de la cámara resonadora esférica.1 También influyen, en menor medida, las dimensiones, el acabado, la alineación y superficie del canal de salida (c) de las dos primera cámaras1 y 2 y el tubo resonador.3 Parece ser que las pequeñas cavidades4 de la parte terminal del tubo resonador3 no tienen mucha influencia en los sonidos producidos. Se probó que con los tres tipos de barro profesional utilizados, se pueden elaborar réplicas que “canten”, “hablen” o “lloren”. Se comprueba que cuando se logran obtener sonidos, éstos son extraordinarios y pueden variar, dependiendo de su estructura, dimensiones y forma de tocarse. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 Este tipo de artefacto no se pueden catalogar como instrumento musical, porque no produce sonidos musicales. Aunque algunos investigadores, como Samuel Martí,8 han tratado de analizarlos y ajustarlos a criterios y conceptos musicales, como cuando dicen que están entonados en tal o cual nota musical. Los sonidos de las réplicas se registraron con una computadora personal, con tarjeta de sonido (tipo soundblaster) y un micrófono. Las señales grabadas son muy cortas, de menos de un segundo de duración, mismas que se almacenaron en formato Wav. Este tipo de formato es el que usa el sistema Windows. Hay métodos para analizar señales en el tiempo, pero son muy complejos para propósito del trabajo. A continuación se incluye una comparación visual de los espectrogramas de los sonidos de cinco de las réplicas elaboradas, para mostrar algunas de sus diferencias en componentes de frecuencias. Un espectrograma es una gráfica del espectro de potencia de los componentes de frecuencias de una señal, para diferentes tiempos. Los espectrogramas son útiles para analizar sonidos, como los de este caso, que tienen una combinación compleja de frecuencia e intensidades, dentro de rangos amplios de frecuencias. Existen analizadores de espectros pero son caros y no se han encontrado laboratorios que los tengan disponibles. Por lo anterior, la última versión del programa “Gram” de Richard Horn, disponible en forma abierta y gratuita en Internet,9 fue utilizada para obtener los espectrogramas. Los espectrogramas que genera este programa se muestran en dos dimensiones: frecuencia (kHz) y tiempo (seg.). Los colores corresponden a los niveles relativos de amplitud de las señales (dB), que es la variable de la dimensión,3 en este caso se seleccionó una escala de -60 dB (figura 4): 23 �Análisis virtual de la gamitadera finales, todas las frecuencias son de mayor amplitud y las componentes del ruido tienen rangos más amplios. Eso demuestra que con pequeñas variaciones de la estructura pueden generar sonidos diferentes, pero es posible elaborar grupos de réplicas que generen espectros de cierta semejanza. Fig. 4. Niveles de las señales (en dB) En la parte superior de las gráficas (figura 5) se incluye la señal de las ondas en el tiempo, mismas que parecen manchas por sus componentes de frecuencias. Fig. 5. Espectrogramas pegados de 5 réplicas Se observa que todas las réplicas producen sonidos con frecuencias en rangos de cierta amplitud, con las crestas más fuertes entre 1-5 kHz. Las dos primeras producen adicionalmente notas con fundamentales y armónicas, determinadas en función al tamaño del tubo resonador. En las tres 24 Cada una de las señales anteriores se puede ver con más detalle. Por ejemplo, seleccionando la última señal de la figura 5 anterior se puede producir un espectrograma cambiando el color del fondo, la ventana de frecuencias o la tasa de muestreo (a 44.1 kHz), las escalas del tiempo y de la amplitud (en este caso a 30 dB) de la gráfica. Eso conduce a que se utilicen los colores de la parte superior de la figura 4, lo que hace que los niveles máximos se muestren ahora en colores rojo, naranja y amarillo del espectrograma de la figura 6. Fig. 6. Espectrograma de una réplica sonora En esa figura 6 se muestra la causa de la sonoridad de la réplica, ya que incluye un rango amplio de señales de alta intensidad. La gama de frecuencias producidas rebasa la frecuencia máxima de los sonidos audibles por el ser humano (20 kHz). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Roberto Velázquez Cabrera Si embargo, las frecuencias mostradas arriba de 12 kHz son cuestionables, por las características del micrófono utilizado, ya que es uno común de capacitor para computadora personal. generadas por resonadoras.1 y 2 las dos primeras cámaras Esa misma señal también se puede visualizar en sus 3 dimensiones (amplitud, frecuencia y tiempo), utilizando el programa para afinar instrumentos musicales Tunit,10 como se muestra en el espectrograma de la figura 7. En el espectrograma se puede ver que las frecuencias mínimas también rebasan (hacia abajo) al límite que puede oír el ser humano (20 Hz). Se nota que en todo el rango de frecuencias las señales son de magnitudes significativas. En las frecuencias bajas se producen batimentos. Fig. 8. Espectro de potencia de la misma señal. CONCLUSIONES Fig. 7. Espectrograma en 3D de la réplica sonora. La figura 8 muestra el espectro de potencia de la misma señal, obtenido con un programa "Sat32".11 Como en este caso las coordenadas se dan en escalas lineales, se destacan la distribución de sus frecuencias y las señales de mayor amplitud. La mayor y más baja en cerca de 1 kHz es del tubo resonador mayor3 y las otras dos de menor amplitud Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 El resultado comprueba que la metodología utilizada es efectiva para ayudar a encontrar y divulgar secretos de la rica organología mexicana, que fue desarrollada durante varios milenios y ha sido destruida, prohibida y olvidada desde hace cinco siglos. Sólo después de hacer análisis similares de cada tipo de aerófono mexicano relevante, se puede aspirar a hacer comparaciones y correlaciones entre ellos. La dificultad para hacer que suenen bien demuestra que los artesanos o sacerdotes que elaboraban estos extraordinarios artefactos eran muy hábiles, y requerían ser especialistas. 25 �Análisis virtual de la gamitadera REFERENCIAS 1. 2. Velázquez-Cabrera, Roberto, "Estudio de Aerófonos Mexicanos Usando Técnicas Artesanales y Computacionales. Polifonía Mexicana Virtual", Tesis de Maestría en Ciencias de la Computación, CIC, IPN, Mayo 2000. (http://www.geocities.com/rvelaz.geo/tesis/tesis5 .doc). Velázquez-Cabrera, Roberto, "Analisis de Aerófonos Mexicanos", Ponencia presentada en el Congreso Internacional de Computación CIC99, IPN, México, Nov. 17 de 1999. (http://www.geocities.com/rvelaz.geo/tesis/c_cic 99.doc) 3. Boiles-Lafayette, Charles. “La flauta triple de Tenenexpan”. La palabra y el Hombre, II, Epoca 34, Revista de la Universidad Veracruzana, Abril-junio de 1965. 4. Raucliff, Susan. “Complex Acoustics in PreColumbian Flute Systems”, Experimental Musical Instruments, Organology, Vol. III, #2, 1986 (Hay duda sobre los últimos 3 datos, ya que la copia que me mandó no tiene esos datos). Publicado también en el libro “Musical Repercussions of 1942: Encounters in Text and Performance”, Smithsonian Institution Press, 1992. 26 5. Vacio, Minerva, “Brígido Lara, inventor del nuevo arte prehispánico”, Arqueología Mexicana, Vol. IV, Núm. 21, Septiembreoctubre de 1996. 6. Franco, José Luis, “Flautas de Muelle de aire”, Excélsior, México, 14 de octubre de 1962. 7. Franco, José-Luis, “Musical Instruments from Central Veracruz in Classic Times”, Ancient Art of Veracruz, Exhibition Catalog of the Los Angeles County Museum of Narural History, 1971. 8. Martí, Samuel. "Instrumentos Musicales Precortesianos." INAH. 1968. 9. Horne, Richard, Spectogram V 5.0.5, Freeware, Gram. Atentamente, ha autorizado a utilizar y mencionar su excelente programa en mis estudios. http://www.monumental.com/rshore/gram.html 10. Volkmer, D., "TUNE!IT", (http://www.zeta.org.au/~dvolkmer/tuneit.html.). Shareware. El programa se utilizó en el tiempo de prueba. 11. Liangson He, Signal Analyzer Toolkit V.2., Sat32. Usado en tiempo de pruebas, http://www.userworld.com/users/hlingso/remote. htm). Shareware. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Autoafinidad de superficies de fractura del vidrio Moisés Hinojosa Rivera, Leonardo Chávez Guerrero * Abstract This article depicts glass fracture surfaces as an example of natural fractals. The fractal character of the different regions of the fracture surface is discussed and characterized, first qualitatively and then quantitatively. The self-affine analysis is performed starting from height profiles obtained using atomic force microscopy. The variable bandwidth method is briefly described and applied to the determination of the roughness exponent and the correlation length. Keywords: glass, fracture surfaces, self-affinity, fractals, roughness exponent. INTRODUCCIÓN Las superficies de fractura de los materiales heterogéneos son objetos fractales naturales cuya principal característica es la invarianza escalar. 1-7 Si una parte de un objeto fractal natural se separa de él y se amplía, dicha parte lucirá igual que el cuerpo original, estadísticamente hablando. Por ejemplo, una imagen de microscopía electrónica de barrido (MEB) de una superficie de fractura en alta magnificación luce muy similar a una imagen en baja magnificación, figura 1. Si no se especifica la magnificación, aún los especialistas vacilan en su intento de discernir entre las imágenes mostradas en dicha figura Los fractales residen en la frontera entre el orden de la geometría euclidiana y el desorden total aleatorio. Los objetos euclidianos poseen dimensiones expresadas por números enteros, mientras que los fractales poseen dimensiones fraccionarias. Una superficie plana (euclidiana) tiene dimensión 2, al ser cortada se obtiene una línea o perfil de dimensión 1. Una superficie fractal Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 Fig. 1. Imágenes de superficies de fractura vistas a diferentes magnificaciones en MEB. posee dimensión entre 2 y 3. A mayor irregularidad, mayor es la dimensión fractal. Si se extrae un perfil de alturas de una superficie fractal, éste tendrá una dimensión *entre 1 y 2. En la práctica es conveniente, y generalmente más fácil, analizar el carácter fractal de las superficies estudiando perfiles de alturas extraídos de ellas. AUTOAFINIDAD Y EL EXPONENTE DE RUGOSIDAD Los fractales matemáticos son autosimilares. Los fractales naturales no son autosimilares en sentido estricto, solo lo son estadísticamente, se dicen que autoafines. son Manifiestan escalamiento anisotrópico. Si se observa un perfil de un micrómetro de longitud con alturas del mismo orden, no se observarán en general alturas cien veces mayores si se analiza un perfil de una longitud de cien micrómetros. El concepto de dimensión fractal no puede aplicarse en sentido estricto a objetos autoafines * Doctorado en Materiales de la FIME-UANL. 27 �Autoafinidad de superficies de fractura del vidrio como las superficies de fractura. Dichos objetos deben describirse mediante una “dimensión de autoafinidad”. En la práctica se calcula el llamado exponente de Hurst también llamado exponente de rugosidad, que está relacionado a la dimensión fractal mediante la relación: ζ = 2−D (1) dónde ζ es el exponente de rugosidad y D es la dimensión fractal del perfil. Una superficie plana tiene D = 2 y ζ = 0; una típica superficie de fractura muestra D = 1.2 y ζ = 0.8. FRACTALES Y FRACTURAS En 1984 Mandelbrot8 exploró cuantitativamente por primera vez el carácter fractal de las superficies de fractura de aceros sometidos a diferentes tratamientos térmicos y reportó una correlación entre la dimensión fractal y la tenacidad a la fractura, propiedad que fue estimada mediante la energía de impacto. Estos resultados, aunque fueron cuestionados posteriormente, iniciaron una nueva era en las disciplinas de la fractografía y la mecánica de la fractura. Desde entonces el análisis de la autoafinidad de las superficies de fractura representa un campo de investigación muy activo,9 que se ha enriquecido con el desarrollo de modernos y sofisticados métodos estadísticos y matemáticos. Existen diversos métodos para analizar la autoafinidad de las superficies de fractura. La mayor parte de ellos emplean perfiles extraídos de la superficies a través del uso de alguna técnica experimental.10 Uno de los métodos más confiables es el método de ventanas de ancho variable.11 El perfil se divide en franjas o ventanas de tamaño r. Se calcula para cada ventana la cantidad Zmax, que es la diferencia entre la máxima y la mínima altura; 28 promediando para todas las ventanas posibles. Variando el tamaño de las ventanas se obtiene la distribución Zmax(r). Para un perfil autoafín se cumple la siguiente ley de potencia: Zmax(r ) ∝ r ζ (2) Un gráfico log-log de Zmax(r) vs. r permite verificar la validez de esta ley; si la relación se cumple el perfil es autoafín y el exponente ζ viene dado por la pendiente de la línea recta en el régimen autoafín. Las superficies de fractura son autoafines para longitudes de escala menores a la llamada longitud de correlación, más allá de la cual la superficie puede considerarse un objeto euclidiano plano. Dicha longitud de correlación puede determinarse también del gráfico de Zmax(r) vs. r. Las superficies de fractura del vidrio son autoafines y su exponente de rugosidad así como la longitud de correlación pueden determinarse mediante el método descrito. LAS TRES ZONAS EN LA FRACTURA DEL VIDRIO. En la región del origen de la fractura en una superficie de ruptura de vidrio es posible, aún a simple vista, distinguir tres zonas. Los fractógrafos las llaman zona “espejo”, zona “difusa” y zona “fibrosa”.12 En la figura 2 se muestran dichas zonas tal como se observan en la fractura de un vidrio común vista al MEB. A partir del análisis de estas zonas se pueden hacer inferencias sobre los niveles de esfuerzo y las condiciones cinéticas de propagación. La zona “espejo” es llamada así por su notable reflectividad y tersura, tradicionalmente se le describe como si fuera un objeto euclidiano plano. Las zonas difusa y fibrosa presentan una irregularidad o rugosidad perceptible a simple vista. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Moisés Hinojosa Rivera, Leonardo Chávez Guerrero Fig.3 Imagen de microscopía de fuerza atómica de la zona especular. EL ANÁLISIS AUTOAFIN Fig. 2. Las tres zonas características en la fractura del vidrio. En la figura 4 se muestran dos perfiles de alturas extraídos de diferentes regiones de una superficie de fractura de vidrio, ambos perfiles constan de 512 puntos o pixeles, pero son de diferente longitud, la escala en la ordenada es la misma, aunque está en unidades arbitrarias. LA MICROSCOPIA DE FUERZA ATÓMICA La microscopía de fuerza atómica (MFA) es una herramienta muy poderosa capaz de proveer los datos topométricos13 necesarios para el análisis de autoafinidad de las superficies de fractura del vidrio, incluso en la zona espejo. La figura 3 muestra una imagen de MFA de la región especular en la superficie de fractura de un vidrio común que fue fracturado en flexión. Esta superficie es claramente irregular, no es plana como tradicionalmente se describe cuando se le observa a simple vista o mediante técnicas como microscopía óptica o electrónica. La MFA permite la observación y, mejor aún, la cuantificación de la rugosidad en escalas submicrométricas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 4 3 h(x) 2 1 0 0 100 200 300 400 500 600 (x) Fig. 4. Perfiles extraídos en la zona especular (abajo) y en la zona difusa (arriba). 29 �Autoafinidad de superficies de fractura del vidrio En la parte superior se muestra un perfil de 5 micrómetros de longitud perteneciente a la región llamada “difusa”. El perfil en la parte inferior tiene una longitud de medio micrómetro y corresponde a la región especular. Ambos perfiles lucen muy similares en su irregularidad, la única diferencia radica en la amplitud y la longitud de escala de análisis, existe una diferencia de un orden de magnitud en la longitud y en la distancia entre puntos, nótese que las alturas no manifiestan esa misma diferencia de escalamiento. Estos perfiles claramente muestran los conceptos de autoafinidad de manera cualitativa y demuestran que las superficies de fractura del vidrio son bien descritas como objetos fractales naturales. El carácter autoafín de los perfiles se revela y cuantifica en la figura 5. Este gráfico corresponde al análisis de perfiles pertenecientes a la región especular. Es evidente que la cantidad Zmax obedece la ley de potencia dada por la ecuación (2). Los perfiles analizados son incuestionablemente autoafines. El exponente de rugosidad tiene un valor de 0.8. Este resultado no es sorprendente ya que se han reportado valores similares para las superficies de fractura de diversos materiales fracturados en condiciones cinéticas similares. Este exponente es considerado universal14 aunque existe actualmente una controversia fuerte al respecto. En la figura 5 puede verse además que la ley de potencia deja de ser válida para longitudes de escala mayores a 100 nanómetros. Este es el valor de la longitud de correlación e implica que la región especular puede considerarse plana para longitudes de escala mayores a este valor. Nótese que este valor es menor que la longitud de onda de la luz visible. Se ha demostrado que la longitud de correlación tiene fuerte relación con el tamaño de grano en algunos metales.15-18 En polímeros parcialmente cristalinos este parámetro parece estar ligado al tamaño de las esferulitas.19-21 Resultados recientes sugieren que en el vidrio opalino este parámetro corresponde al tamaño de las partículas opacificantes. 100 SUMARIO En resumen, las superficies de fractura del vidrio son objetos fractales naturales, anisotrópicos. Zmax(r), (nm) 10 El análisis de su autoafinidad puede realizarse mediante métodos estadísticos aplicados a perfiles de alturas obtenidos mediante microscopía de fuerza atómica. 1 ζ = 0.8 0.1 1 10 100 1000 10000 r (nm) Fig. 5. Curva de autoafinidad correspondiente a la región especular. 30 El exponente de rugosidad y la longitud de correlación son los parámetros autoafines que describen y cuantifican el carácter fractal de estas superficies. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Moisés Hinojosa Rivera, Leonardo Chávez Guerrero REFERENCIAS 1. B.B. Mandelbrot, The Fractal Geometry of Nature. New York, Freeman , 1982. 2. Virgilio A. González y Carlos Guerrero, “Fractales: Fundamentos y Aplicaciones. Parte I, Concepción Geométrica en la Ciencia e Ingeniería”, Ingenierías, Vol. IV, No. 10, pp. 5359, Enero-Marzo 2001. www.uanl.mx/publicaciones/ingenierias/10/ 3. C. Guerrero y V. González, “Fractales: Fundamentos y Aplicaciones. Parte II, Aplicaciones en Ingeniería de Materiales”, Ingenierías, Vol. IV, No. 12, pp. 15-20, JulioSeptiembre 2001. www.uanl.mx/publicaciones/ingenierias/12/ 4. Ubaldo Ortiz Méndez y Moisés Hinojosa Rivera. Geometría de Fractales y Autoafinidad en Ciencia de Materiales, Ingenierías, Vol. I, No. 1, pp. 15-21, 1998. www.uanl.mx/publicaciones/ingenierias/1/ 5. Moisés Hinojosa y Ubaldo Ortiz, “Geometría de Fractales Aplicada a la Descripción de Microestructuras Metálicas”, Ciencia UANL, Vol. I, No. 3, 1998. 6. J. Feder, Fractal, Plenum Press, N.Y. 1988. 11. J. Schmittbuhl, J.P. Vilotte y S. Roux, “Reliability of Self-Affine Measurements”, Phys. Rev. E, Vol. 51 131, 1995. 12. D. Hull, Fractography, Cambridge U.P., 1999. 13. Moisés Hinojosa, Martín Edgar Reyes Melo, “La Rugosidad de las Superficies: Topometría”, Ingenierías, Vol. IV, No. 11, pp. 27-33, 2001. www.uanl.mx/publicaciones/ingenierias/11/ 14. E. Bouchaud, G. Lapasset y J. Planés, Europhys Lett. , Vol. 13, p. 73 1990. 15. M. Hinojosa, E. Bouchaud y B. Nghiem. Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol. 539, pp. 203-208, 1999. 16. Moisés Hinojosa, Elisabeht. Bouchaud y Bernard Nghiem, “Rugosidad a Larga Distancia en Superficies de Fractura de Materiales Heterogéneos”, Ingenierías, Vol. III, No. 7, pp. 27-33, Abril-Junio 2001. www.uanl.mx/publicaciones/ingenierias/7/ 17. Jorge A. Aldaco, Tesis de Maestría, FIMEUANL, 2000. 18. M. Hinojosa, J. Aldaco, U. Ortiz, V. González, “Roughness Exponent of the Fracture Surface of an Al-Si Alloy”, Aluminum Transactions, Vol. 3, pp. 53-57, 2000. 7. J.C. Russ, Fractal Surfaces, New York, Plenum Press, 1994. 19. Edgar Reyes, Tesis de Maestría, FIME-UANL, México, 1999. 8. B. B. Mandelbrot, D. E. Passoja y A. J. Paullay, “Fractal Character of Fracture Surfaces of Metals”, Nature, Vol. 308, pp. 721-722, 1984. 20. M. E. Reyes y C. Guerrero , “Autoafinidad de Superficies de Fractura en Materiales Plásticos”, Ingenierías, Vol. IV, No. 10, pp. 27-37, 2001. www.uanl.mx/publicaciones/ingenierias/10/ 9. E. Bouchaud, “Scaling Properties of Cracks”, J. Phys.:Condens. Matter Vol. 9, pp. 4319-4344, 1997. 10. Francisco J. Garza, Tesis de Licenciatura, FIME-UANL, 1999. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 21. E. Reyes, C. Guerrero, V. González y M. Hinojosa, “Self-Affine Measurements on the Fracture Surface of Plastics Materials by AFM”, Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol. 578, pp. 357-361, 2000. 31 �Procesamiento de materiales por medio de microondas en la FIME Juan A. Aguilar Garib * Abstract The aim of this paper is to introduce the facilities that exist at FIME and present some representative cases as examples of the investigation that is being conducted on processing of materials. Then an overview of the principles that support this technology and the challenges that must be faced is presented. Although several materials have been tested, this paper is focused on magnesia-alumina spinel (MgAl2O4), which is a ceramic widely employed in the refractory industry. suministrada. A continuación se describe de modo general el laboratorio que existe en la FIME seguido de los aspectos básicos sobre los mecanismos que rigen el calentamiento mediante microondas.* LA SECCIÓN DE PROCESAMIENTO DE MATERIALES MEDIANTE MICROONDAS materials Esta sección se encuentra ubicada en las instalaciones del laboratorio del Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales de la FIME. La figura 1 muestra una imagen global del equipo existente en esta sección. El propósito de este artículo es describir someramente el equipo para el procesamiento de materiales mediante el microondas con el que se cuenta en la FIME y presentar algunos casos que sean ejemplo de los logros alcanzados. Se presentan de modo general los principios que son la base de esta tecnología, así como los retos que deben ser enfrentados. Como ejemplo para ilustrar el tipo de investigación que se hace en la FIME se tomó el procesamiento de espinel magnesia-alúmina (MgAl2O4) por su gran aplicación en la industria de los refractarios. Fig. 1. Vista general del equipo para el estudio del procesamiento de materiales mediante microondas. Keywords: microwaves, processing, spinel. ceramics, INTRODUCCIÓN Las microondas corresponden a la porción del espectro electromagnético situado entre los 300 MHz y 300 GHz, pero para utilizarlas en el procesamiento de materiales se requiere una serie de equipos y accesorios, que van desde un dispositivo para generarlas y luego un sistema para conducirlas hasta la muestra que se desea calentar. Se debe contar además con la posibilidad de medir la temperatura, la frecuencia y la energía 32 Se cuenta con dos generadores de microondas de 2.45 GHz, de potencia variable hasta 1.5 y 3 KW respectivamente. También se cuenta con guías de onda para dirigir la energía hacia la cavidad en la que se coloca la muestra, coples direccionales para * Profesor del Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Juan A. Aguilar Garib poder medir la eficiencia del sistema, sintonizadores para ubicar onda y desviadores o circuladores para evitar que la onda reflejada regrese al generador. Adicionalmente se tienen dos hornos de tipo doméstico, uno de ellos instrumentado para poder medir y controlar la temperatura (Figura 2). conoce como “carga”. La guía de onda consiste en una sección a través de la cual pasan las microondas. El tamaño depende de la frecuencia y la potencia que se desea transmitir. Desviador Las microondas que se conducen por medio de una guía de onda hasta la cavidad en la que se encuentra el material que va a ser calentado pueden ser reflejadas por éste. De hecho, como la absorción de energía nunca es total, siempre se tiene una parte que se refleja y que regresa por la misma guía hasta el generador o la fuente. Esta situación daña al generador y entonces lo que se hace para evitarlo es desviar mediante un desviador, llamado también circulador (Figura 3) la onda hacia una cámara de agua que absorbe esta energía. Fig. 2. Horno de microondas instrumentado en el que se aprecia una muestra calentándose. DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES DE UN SISTEMA DE MICROONDAS PARA PROCESAMIENTO DE MATERIALES Generador Es la parte principal del equipo ya que produce las microondas a la frecuencia deseada. Para este propósito se utiliza un magnetrón que requiere mantenerse a temperatura relativamente constante para que la onda generada sea estable. Guía de onda La función de la guía de onda es conducir con un mínimo de pérdidas las microndas desde el generador hasta la cavidad en la que se encuentra la muestra. El material que se coloca en la cavidad se Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 Fig. 3. Esquema de un desviador o circulador. La onda puede viajar del puerto 1 al puerto 2, pero cuando trata de viajar desde el puerto 2 hacia el 1, un campo magnético la desvía hacia el puerto 3. 33 �Procesamiento de materiales por medio de microondas en la FIME Cople direccional Reflectómetro Para poder estimar las propiedades dieléctricas de los materiales expuestos a microondas y hacer cálculos energéticos se requiere conocer la cantidad de energía que va desde el generador hacia la muestra y la que se refleja de ésta hacia el generador. Este dispositivo (figura 5) se coloca como parte de la guía de onda y permite medir la energía que pasa a lo largo, de manera que si se conoce la longitud de onda y los valores de potencia en cuatro puntos de los cuales se conoce su ubicación, entonces es posible describir la ubicación de la onda, de manera que se puede confirmar la función del sintonizador. También es posible hacer estimaciones de las propiedades dieléctricas del material observando el comportamiento de la onda. Para este fin se utiliza un cople direccional (figura 4), que tiene la capacidad para hacer la medición descrita. También sirve para calibrar otros dispositivos y para medir la eficiencia del sistema. También tiene la forma de la guía de onda por lo que es parte del sistema para suministrar energía. La razón entre las energías, hacia la carga y la reflejada es suficiente para calcular la eficiencia con la que se está llevando a cabo el proceso mediante microondas. Fig. 5. Reflectómetro con cuatro detectores (arriba) colocado como parte de la guía de onda. Sintonizador Este dispositivo permite ubicar el patrón de ondas dentro de la guía de onda o la cavidad de manera que se optimice la energía que se suministra al sistema. Se puede sintonizar la onda cambiando la longitud de la guía (figura 6) o poniendo obstáculos en ella. Cavidad Fig. 4. Esquema de un cople direccional, la onda viaja a través de la sección cuadrada pues es una guía de onda y tiene dos detectores, cada uno apunta a un extremo, de manera que se puede medir la potencia que viaja en cada dirección. 34 Es el lugar en el que se coloca el material a calentar o procesar, y es a este lugar al que llegan las microondas. Se puede utilizar un espacio cerrado como en la figura 1, o la misma guía de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Juan A. Aguilar Garib onda como en la figura 6. Al mover la pared se tiene un cambio en la longitud de la guía. Dado que la onda sigue una función periódica es posible conocer el campo eléctrico en la muestra midiéndolo a una distancia L (figura 6). Fig. 6. Esquema de la guía de onda utilizada como cavidad. Se muestra la ubicación de reflectómetro y de la pared móvil. PROCESAMIENTO DE MEDIANTE MICROONDAS MATERIALES Una de las formas en que se explica el calentamiento de los materiales mediante microondas es relacionando la interacción del campo eléctrico y la materia, una de estas teorías se basa en que los materiales presentan un fenómeno llamado polarización, el cual consiste en la modificación de la distribución de las cargas eléctricas en un material. Al aplicar un campo eléctrico a un material dieléctrico se origina un cambio en la orientación de la carga de las partículas, la cual induce dipolos que a su vez responden al campo aplicado. A este Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 fenómeno se le conoce como polarización. Existen varias formas, la polarización electrónica, que se produce al cambiar la distribución de la nube electrónica en el átomo, mientras que la polarización iónica consiste en que los iones se desplazan cambiando la interacción entre ellos. Algunos materiales cuentan con dipolos naturales, los cuales existen independientemente de la presencia del campo eléctrico. La relación que existe entre el calentamiento de los materiales y la polarización se presenta cuando se aplica un campo eléctrico alternativo a un material cuyos dipolos, ya sean naturales o inducidos, no son capaces de seguir totalmente la inversión del campo eléctrico, teniendo como consecuencia que la polarización de éstos se retrasa con respecto al campo aplicado, el resultado es que la energía se transfiere al material en forma de calor. El mecanismo descrito se conoce como rotación dipolar, pero también puede darse calentamiento resistivo, calentamiento electromagnético y calentamiento dieléctrico. Dependiendo de la substancia, la respuesta puede deberse exclusivamente a un solo mecanismo o una combinación de ellos. La rotación dipolar actúa sobre moléculas polares eléctricamente neutras con cargas eléctricas positivas y negativas espacialmente separadas. Las moléculas expuestas al campo responden rotando sus polos respectivos en la dirección del incremento de la amplitud del campo de microondas. La “fricción molecular” resultante genera calor instantáneamente y uniformemente a través del compuesto. El calentamiento resistivo se provoca en conductores (o semiconductores) de conductividad relativamente baja. Dentro de éstos hay dos categorías que pueden experimentar este tipo de calentamiento cuando se exponen a energía de 35 �Procesamiento de materiales por medio de microondas en la FIME microondas; (a) Aquellos materiales que tienen electrones libres o pares de electrón-vacancia, tales como el carburo de silicio, y (b) aquellos materiales que tienen suficientes iones con suficiente libertad de movimiento para generar corriente, tales como los radicales libres en soluciones electrolíticas o en matrices sólidas. El calentamiento electromagnético ocurre en los materiales que poseen gran susceptibilidad magnética y que se exponen a la energía de las microondas. Los polos magnéticos de estos materiales se hacen rotar de una manera análoga a las moléculas polares en campos eléctricos oscilantes. Los óxidos magnéticos son un buen ejemplo de materiales en los que se presenta este fenómeno. El calentamiento dieléctrico es una función de rotación dipolar y calentamiento resistivo. Efectos de relajación con los voltajes cargados asociados con el campo de microondas, determinan las propiedades dieléctricas y el factor de pérdida dieléctrico. Dado que las propiedades dieléctricas son un buen indicativo de la interacción entre la onda y el material. Una manera de cuantificar la energía que absorbe un material es mediante la ecuación siguiente: P = 2πfε 0ε r tan(δ ) E 2 (1) En donde P es la potencia absorbida, f es la frecuencia, ε0 es la permisividad del aire, εr es la permisividad relativa del material, tan(δ) es el factor de pérdida y E es la magnitud del campo eléctrico.1 De esta ecuación se conoce con certeza únicamente la frecuencia de las microondas. 36 La permitividad y el factor de pérdida son función de la temperatura y deben ser calculados, en tanto que el campo eléctrico depende de la posición de la onda dentro de la muestra, pero ésta a su vez depende de la permitividad. Así resulta que aunque se cuenta con una ecuación que permite calcular la cantidad de energía que entra a un sistema el problema sigue siendo complejo. INVESTIGACIONES EN EL LABORATORIO DE LA FIME A continuación se presentan algunos de los casos de estudio y las consideraciones que se enfrentaron. En este documento se utiliza el espinel MgAl2O4 como ejemplo para mostrar parcialmente el tipo de investigación que se hace en este laboratorio. Se consideró el uso de auxiliares térmicos y aditivos. El propósito de este documento está más orientado a mostrar una metodología y una línea que a demostrar hipótesis específicas. Sin embargo en los casos que se muestran a continuación se trató de ser concluyente. Utilización de auxiliares térmicos para procesar materiales con microondas Los cerámicos base alúmina, como el espinel MgAl2O4, son materiales que absorben las microondas de manera limitada. Sin embargo, su capacidad de absorción mejora significativamente a temperaturas alrededor de los 600 °C. Estos comportamientos pueden describirse de modo general a través del factor de pérdida (tan δ) (figura 7), ya que la conversión de la energía de microondas en calor dentro del material es proporcional a este factor. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Juan A. Aguilar Garib microondas utilizando el grafito como auxiliar térmico es posible. 0.01 Factor de pérdida 0.009 0.008 El espinel se puede tener en un intervalo de composiciones bastante amplio en el diagrama de equilibrio MgO-Al2O3 y la temperatura mínima a la que se encuentra una fase fundida es de 2135 °C. 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 0 200 400 600 800 Temperatura (°C) Alúmina Magnesia Espinel Fig. 7. Comportamiento del factor de pérdida (tan δ) 2 como función de la temperatura. Los espineles tienen la fórmula básica A2+B23+O4. Los iones de oxígeno forman una red cúbica centrada en las caras y los iones A y B se pueden encontrar en los sitios tetraédricos y octaédricos, dependiendo del tipo del espinel.3 La distribución de los cationes en los sitios tetraédricos y octaédricos en la estructura del espinel depende de las condiciones de procesamiento.4 Esta distribución determina algunas de las propiedades prácticas de estos materiales. El anión se caracteriza por un parámetro de posición, cuya magnitud exacta depende del grado de distorsión de la red. La celda elemental del espinel tiene 32 aniones, 64 sitios tetraédricos (A) y 32 sitios octaédricos (B). Los cationes ocupan solo 1/8 de los sitios A y la mitad de los sitios B. Por eso en la estructura se puede tener diferentes tipos de la distribución de los cationes, los cuales dependen de la temperatura de formación y de factores energéticos.5 Termodinámicamente el MgO y la Al2O3 pueden reaccionar para formar el espinel MgAl2O4 a 1200 °C.6 En trabajos7 se ha demostrado que la producción del espinel MgAl2O4 mediante Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 Los resultados de esta investigación confirman que es posible producir espinel MgAl2O4 utilizando grafito como auxiliar térmico. El comportamiento del grafito y las mezclas muestra que en efecto el comportamiento es exclusivamente el que corresponde a un auxiliar, ya que la muestra se calienta más allá de lo que el grafito podría lograr y que éste no aparece ni en solución ni formando fases. Este comportamiento sugiere que el grafito podría utilizarse como auxiliar en la reacción de otros materiales cerámicos. Para el caso del espinel se requiere de este agente para poder producirlo en el orden de horas en lugar de días. Influencia de los componentes de la mezcla de inicio para obtener un material cerámico Aún sabiendo que la capacidad de absorción de estos materiales mejora con la temperatura, los estudios que se han llevado a cabo no han permitido dilucidar sobre argumentos tales como el efecto “catalizador” y la mejora de las reacciones químicas8 y el de difusión que se argumenta que se da en algunos materiales simplemente por ser expuestos a las microondas.9 Una suposición que se ha enunciado en otros trabajos10 es que el contenido de alúmina tiene influencia en el grado de conversión de los reactivos alúmina y magnesia a espinel. La ganancia de calor por microondas está relacionada con el factor de pérdida. De manera que éste se incrementa cuando hay precalentamiento y por eso se dice que la álumina puede influir en tal comportamiento, incluso presenta el fenómeno de 37 �Procesamiento de materiales por medio de microondas en la FIME corrimiento térmico, es decir, hay una temperatura en la cual la absorción de energía de microondas cambia drásticamente, elevándose la temperatura hasta el punto en que se puede sinterizar4 o fundir. Los experimentos que se llevaron a cabo para este trabajo se basaron en el planteamiento de que al aumentar la cantidad de alúmina en la mezcla de reactivos se favorece la formación de espinel,10 ya que ésta es la encargada de absorber la energía en el sistema. Debido a que se tiene que observar la influencia de la alúmina en una reacción expuesta a microondas, se realizaron experimentos tanto en un horno de microondas como en un horno convencional para ver realmente cual es la influencia de la adición de la alúmina y cual es la influencia de la aplicación de microondas. Los resultados de esta investigación permitieron decir que es posible conocer la temperatura a la cual se estaban procesando los materiales. Por otra parte se tiene una comparación realista entre los procesos de microondas y convencional. Se conocen además las cantidades de espinel que se pueden formar en 20 minutos y a 1200 ºC a partir de varias composiciones iniciales, utilizando microondas como fuente de energía y un proceso de calentamiento convencional. En cuanto al efecto catalizador se puede decir que éste está relacionado a efectos térmicos. Influencia del hierro en la producción del espinel MgAl2O4 Aquí la idea fue aprovechar el efecto que tiene el hierro, agregado como hematita, en el equilibrio químico del espinel, así como para tomar energía de las microondas. Se probaron una serie de mezclas con diferentes composiciones en el sistema MgOAl2O3-Fe2O3 y en el sistema MgO-Al2O3-Fe a partir de precursores Fe2O3, Fe, MgO y Al2O3. En trabajos anteriores las pruebas se llevaron a cabo colocando 38 la mezcla de reactivos en un crisol sobre un lecho de grafito como auxiliar térmico en contacto con los reactivos, en este caso éste no formó ningún compuesto nuevo. En cambio aquí, dado que la hematita puede tener reacción con el grafito, se decidió colocarlo de manera que no tuviera contacto con la mezcla de alúmina (Al2O3)-magnesia (MgO)hematita (Fe2O3) o alúmina (Al2O3)-magnesia (MgO)-hierro (Fe). La primera observación que se desprende de este trabajo es que la presencia del Fe influye en el calentamiento y en la morfología de las superficies de las muestras y también en el tipo de espinel que se presenta en los productos. En los lugares donde el contenido de hierro disminuye, los granos tienen menor tamaño y menor grado de sinterización. Esto hace que en estas zonas haya una mayor probabilidad de tener grietas. La presencia de defectos en los límites de granos favorece la difusión de hierro hacia esos sitios. Lo mismo se puede decir de los planos cristalinos incompletos o menos compactos. Esta situación está de acuerdo con la morfología de terrazas y escalones que se presentó en algunas muestras. En cuanto a las diferencias que se tienen cuando se utiliza hierro puro en lugar de hematita, se pueden deber a la diferencia en gradientes térmicos dentro del sistema al ser calentado por las microondas. COMENTARIOS FINALES Como se habrá apreciado a lo largo de este escrito, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL cuenta con la infraestructura necesaria para realizar investigación sobre el procesamiento de materiales cerámicos utilizando microondas. Se pueden hacer estimaciones energéticas, y se pueden alcanzar y medir temperaturas del orden de los 2000 °C. Por otra parte, la tarea que se ha venido realizando durante Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Juan A. Aguilar Garib los últimos años ha llevado a la formación de recursos humanos que tienen en su mente este método como una alternativa para suministrar energía a un sistema. 8. G. Fanslow Microwave enhancement of chemical and physical reactions. Materials Research Society Symposium Proceedings, 189, 43-48. (1991). REFERENCIAS 9. M. Janney, H. Kimrey. Diffusion-controlled processes in microwave-fired oxide ceramics. Materials Research Society Symposium Proceedings, 189, 215-227. (1991). 1. J. Thuery.- Microwaves: Industrial, Scientific and Medical Applications. Ed. Artech House, King’s College, London, p.p. 103. (1992) 2. W. Wesphetal .- Tables of Dielectric Materials, Vol. VII, Laboratory of Insulation Research, MIT, Cambridge Massachusetts, (1977). 3. W. D. Kingery.- Introduction to Ceramics, Second Edition, John Wiley and Sons, U.S.A. p.p. 64, 132 (1976) 4. J, Katz, J. Blake.. Microwave Sintering of Multiple Alumina and Composite Components. Ceramic Bulletin, 70(8), 1304-1308. (1991) 5. Della Giusta, S. Carbonin, Temperaturedependent disorder in a natural Mg-Al-Fe spinel, Mineralogical Magazine, August,Vol 60, pp.603-616 6. R. West, Chemistry of Solid State and its Applications, John Wiley, , pp. 5-17 (1975) 7. J. Aguilar, J. Pearce, Study of the thermal behavior of materials exposed to microwaves achieving temperatures over 650 ºC , 33rd Microwave Power Symposium, International Microwave Power Institute, Chicago, ILL. Jul., pp.47-50.(1998) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 10. J. Aguilar, S. Salazar. Producción de MgAl2O4, utilizando grafito como auxiliar en el calentamiento. XX Encuentro de Investigación Metalúrgica y V Congreso Internacional en Materiales, Instituto Tecnológico de Saltillo, pp 544-555. (1998). RECONOCIMIENTOS Los ejemplos que se presentaron en este artículo corresponden al tema desarrollado por el autor en conjunto con Oxana Kharissova, Ubaldo Ortiz y Zarel Valdez. AGRADECIMIENTOS El autor agradece al CONACYT el apoyo otorgado para la compra de los equipos mayores y el financiamiento de estas investigaciones. Por otra parte también se reconoce el apoyo brindado por la propia Universidad a través del PAICYT para continuar con esta línea de investigación. 39 �Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado Primera parte. F. Eugenio López Guerrero, Miguel Ruiz, Rafael Colás Ortíz * Abstract A survey on machinability has been done, first to understand the process, and then to optimize and improve it under a particular criterion. In a machine-tool system, the role of the NC-code is critical, as it concerns not only the tool paths but also the cutting values. The optimal code is determined not only by the machine’s control, but also the geometric conditions and the materials involved both in the tool and part to be machined. This first article presents a method to study the relationship between the parameters of the NC-code by means of a mathematical model. Experimental results allowing the validation of the method are presented. Keywords: geometric machinability, CNC. modeling, ángulo de corte ϕ toma un valor tal que minimiza el trabajo de corte requerido. * machining, INTRODUCCIÓN La forma y dimensión de la viruta obtenida por el proceso de maquinado refleja la calidad con la que fue hecho el proceso.1 El análisis ortogonal2 es la forma básica de estudio en el campo del maquinado. El objeto de estudio es la formación de la viruta al momento del corte de la herramienta (ver figura 1). Algunos estudios consideran diferentes ángulos de ataque3 y disposiciones geométricas que determinan el espesor de la viruta y, en consecuencia, el trabajo efectuado, el acabado, tiempos y costos del proceso. El análisis ortogonal supone que la viruta se comporta como un cuerpo rígido que se mantiene en equilibrio por la acción de las fuerzas que se trasmiten a través de la zona de contacto entre la viruta y la herramienta a través del plano de corte. La base de la teoría fue la suposición de que el 40 Esquema mostrando el proceso de corte a modelar. OBJETIVOS Los objetivos que el presente trabajo tiene son: a) observar el proceso de corte de una aleación de aluminio comercial bajo condiciones particulares y b) validar por medio de experimentos un modelo propuesto como mejora del análisis ortogonal convencional del proceso de maquinado. Se espera poder establecer relaciones entre dicho modelo y las propiedades del material y de esta manera inferir resultados en situaciones de maquinado que puedan mejorarse. A continuación se muestra cómo alcanzar ambos objetivos. Trabajos posteriores deberán establecer las condiciones que permitan la aplicación de este método a nivel industrial. * Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL, México Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Eugenio López, Miguel Ruiz, Rafael Colás Un análisis puntual5 permite estimar los valores geométricos de espesor y longitud de viruta. REPRESENTACIÓN DE LA POSICIÓN DE LOS ÁLABES POR MEDIO DE CURVAS Fig. 1. Análisis ortogonal ideal 1 ANÁLISIS ORTOGONAL Los tipos generales de la viruta según la Asociación Americana de Ingenieros en Herramientas1 son tres: 1. Segmentos individuales que en algunos casos se adhieren unos a otros. 2. Viruta sin fractura, formada deformación continua del metal. por 3. Similar al tipo 2, excepto que la herramienta presenta una masa del metal formado por adherencia como resultado del deslizamiento de la viruta en la cara de la herramienta. La relación que existe entre la profundidad de corte y el ancho de la viruta tipo 2 es.4 tan(φ ) := r ⋅ cos (α ) 1− r ⋅ sin(α ) . En donde r = t1/t2 Ver figura 1. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 (1) Las condiciones geométricas del proceso de corte pueden representarse por medio de ecuaciones de posición y movimiento de los puntos de contacto de los filos de la herramienta sobre el material.5 Estas ecuaciones determinan la cantidad de material que la herramienta arrancará. Los valores de las constantes de las ecuaciones de movimiento enmarcan una situación de corte en particular. En esta sección se plantean dichas ecuaciones utilizando valores de corte recomendados por fabricantes de herramientas. Considerando el punto radial del filo de una herramienta giratoria que se traslada en un plano, la ecuación de movimiento puede ser descrita en forma paramétrica por medio de: x(t) = r cos (t) + Vx (2) y(t) = r sin (t) + Vy en donde t es la variable independiente en un intervalo de 0<t<π. Vx y Vy son las componentes de la velocidad de corte programada Vc, que puede representarse en términos del avance F: x ( t) := r ⋅ cos ( t) + y( t) := r ⋅ sin( t) + Fx 2π Fy 2π ⋅t (3) ⋅t La ecuación (3) se puede utilizar para calcular la posición de cada álabe de la herramienta, en donde existe un desfasamiento entre ellos de: 41 �Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado. Primera parte. MAX t := 2π N (4) Siendo N el número de álabes de la herramienta.  0 10  P :=   0 0 X := P 〈0〉 Fx Y := P 〈1〉 (5a) ⋅t y1 ( t) := r ⋅ sin( t) + 2π D := (X1 − X0)2 + (Y1 − Y0)2 para el primer álabe, y Fx ) x2 ( t) := r ⋅ cos t + MAXt + ( ) y2 ( t) := r ⋅ sin t + MAXt + 2π Fy 2π Fx := F ⋅ ⋅ t (5b) Fy := F ⋅ (7) (X1 − X0) D (Y1 − Y0) D ⋅t para el segundo. CONDICIONES TEÓRICAS DE MAQUINADO Si se asume que la herramienta se moverá en línea recta entre dos puntos, los cálculos pueden simplificarse trasladando el origen del movimiento al primer punto y colocando el segundo en cualquiera de los ejes, como se muestra en (5a). Considerando la situación de maquinado con los datos de la tabla I para un recorrido entre los puntos del vector P: 42 (6b) Las componentes de avance F se calculan con la distancia del recorrido D: Fy (  En donde: Las ecuaciones resultantes son: ⋅t x1 ( t) := r ⋅ cos ( t) + 2π (6a) Las curvas de desplazamiento en relación de un álabe con respecto al otro en cada eje se muestran en la figura 2. Tabla I.- Valores utilizados para los cálculos y los experimentos de maquinado Número de álabes N 2 Radio de la herramienta. (mm) r 10 Velocidad de giro (rpm) S 800 Avance (mm/min) F .3 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV No. 13 �Eugenio López, Miguel Ruiz, Rafael Colás Para el caso de los valores de maquinado de la tabla I, el resultado de la ecuación (8) está graficado en la figura 3. El eje X no presenta desfasamiento, mientras que el eje Y presenta un espesor de 0.15 mm. 0.01 x1( t ) 0 ALABES AL MISMO LADO DE CORTE x2( t ) 0 0 1 2 3 mm 0.01 y 1( t ) 4 t,t y 2(t + π) 0.1 0.2 0.3 0.02 0.01 0 0 x1( t ) , x2(t+ π) mm Alabe #1 Alabe #2 y 1( t) 0.1 0.01 . (a) y 2( t) 0.1502 0.2 0 1 2 3 4 t,t Y( t) Fig. 2. Curvas de desfasamiento para los álabes de la 4 herramienta. El valor de corte calculado para el espesor de la viruta está determinado por la diferencia posicional de cada eje: Y( t) := y1 ( t) − y2 (t + π ) X( t) := x1 ( t) − x2 (t + π ) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 0.15 0.1498 1 .10 17 5 .10 18 0 X( t ) . (8) (b) Fig. 3. Geometrías calculadas a) posición de cada álabe por ciclo, b) diferencia entre álabes en milímetros. 43 �Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado. Primera parte. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Caracterización del material utilizado en los ensayos. El material usado en los experimentos fue un perfil forjado de aluminio comercial para maquinado cortado en piezas de 88.9 x 50.8 x 12.7 mm (3 ½ x 2 x ½ in). La preparación de las muestras se hizo para caracterizar el material y para la medición de los espesores de rebaba. El análisis electroquímico permitió identificar al material como aluminio 6063 de acuerdo a las tablas del Manual de Aluminios de la ASM. Los datos del manual6 y los valores producto del análisis se muestran en la tabla II. La microscopía óptica (figura 4) reveló una matriz homogénea de aluminio con precipitados de Mg2Si6. La homogeneidad de la microestructura del material garantiza propiedades mecánicas macroscópicas relativamente isotrópicas y 7 homogéneas, lo que en el caso del proceso de maquinado es deseable.8 Tabla II. Comparación de los elementos químicos encontrados y los de la aleación 6063 (% peso) Elemento Aluminio Análisis químico ASM 6063 químico Al - 98.8 Si 0.2-0.6 0.48 Mg 0.45-0.9 0.497 Fe 0.35 max 0.167 El tratamiento térmico para los aluminios de la serie 6xxx determina el subgrupo correspondiente (T1 a T9, norma ANSI H35.1). Las designaciones de subgrupo T se aplican a productos térmicamente tratados. 44 Fig. 4. Micrografía de la muestra de aluminio utilizada en los experimentos. La identificación del grupo T se hizo a través de ensayos de tensión. Los valores de estos ensayos se presentan en la tabla III y se comparan con los estándares6 de la tabla IV. Tabla III. Valores resultantes de los ensayos de tensión Ensayo No. Esfuerzo máximo (MPa) Esfuerzo cedencia (MPa) % Elongación 1 244 244 13 2 276 269 18 3 280 269 16 Promedio 266 260 15 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV No. 13 �Eugenio López, Miguel Ruiz, Rafael Colás Tabla IV. Propiedades mecánicas típicas de la aleación 6063 según la ASM Tratamiento térmico Esfuerzo Esfuerzo % máximo cedencia Elongación (MPa) (MPa) T1 152 90 20 T4 172 90 22 T5 186 145 12 T6 241 214 12 T83 255 241 9 T831 207 186 10 T832 290 269 12 Los resultados de las pruebas a tensión revelan que el material es una aleación de aluminio tipo 6063 con tratamiento térmico clase T83. Las aleaciones conteniendo magnesio y silicio, en las proporciones para formar el compuesto Mg2Si tienen buena formabilidad, soldabilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosión. La maquinabilidad es de suficiente a buena según la escala utilizada por la ASM. Este material es utilizado para tubería, rieles, muebles, extrusiones arquitectónicas, pisos, ventanas, puertas. Fig. 5. Muestra de virutas bajo el microscopio óptico a 50x. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 Condiciones de maquinado. Para los experimentos se maquinó la barra de aluminio con condiciones de corte fijas para los puntos de la ecuación (6a). El corte se hizo a 2.54 mm (0.1in). No se utilizó refrigerante. El resto de los valores de corte experimentales fueron los mismos que los usados en los cálculos teóricos (tabla I). RESULTADOS OBTENIDOS Utilizando el microscopio óptico (figura 5), el microscopio de barrido electrónico (figura 6) y un programa computacional de análisis de imágenes digitales se obtuvieron los datos de ensayo de la figura 7. El promedio de espesor máximo es de 149.54 micrómetros, que es bastante aproximado al valor teórico calculado con el modelo propuesto en la figura 3; la desviación estándar es de 71.45. Considerando un intervalo de confianza del 99.5% para un ensayo de 14 grados de libertad, las tablas estadísticas de tα arrojan un valor de 8.1061. La media calculada del universo está en el intervalo de 88.2 a 210.9 micrómetros. Fig. 6. Imagen de virutas bajo el microscopio electrónico de barrido. 45 �Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado. Primera parte. En la figura 6 se muestra la morfología de la viruta, observada utilizando un microscopio de barrido electrónico. relación proporcional al espesor de la viruta de una manera simple. El presente trabajo no considera experimentos exhaustivos que permitan relacionar completamente la morfología con la situación de corte ni las propiedades de materiales.8 Fig. 7. Diagrama de densidad de frecuencias de los espesores máximos para las muestras de una misma situación de corte. A través de las ecuaciones (8) es posible modelar las marcas de la herramienta en el material. La figura 8 muestra que las huellas de la herramienta son de la misma forma que las calculadas. La micrografía (b) no está a la misma escala que (a). (a) DISCUSIÓN DE RESULTADOS Y MEJORAS A DESARROLLAR El estudio de la maquinabilidad debe contemplar algo más que las propiedades de maquinado de un material bajo un análisis ortogonal simple. El desarrollo de nuevas tecnologías, criterios de evaluación y complejidad de productos obligan a replantear el estudio del proceso de maquinado en forma integral. Se ha demostrado que bajo condiciones de maquinado moderadas es posible determinar una 46 (b) Fig. 8. Comparación de las huellas de la herramienta durante su trayectoria. a) teórico, b) experimental. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV No. 13 �Eugenio López, Miguel Ruiz, Rafael Colás El ángulo de corte es calculable por medio de la relación trigonométrica que existe entre t1 y t2 de la figura 1. Un análisis posterior debe mostrar el efecto de la morfología en los extremos relacionada con la posición de los álabes en cada ciclo. Es conveniente validar los ángulos de salida para la viruta en la herramienta que determinan el arco de la viruta. Es necesario considerar y validar la inferencia de la calidad del maquinado por medio de la características de la viruta tales como rugosidad y textura dentro del modelo propuesto. Sería útil comparar el presente modelo con el de corte ortogonal presente al inicio de este artículo. RECONOCIMIENTOS Y EQUIPO UTILIZADO El presente trabajo fue realizado por los autores como parte de su proyecto de investigación en el Doctorado de Materiales FIME-UANL bajo el apoyo de PROMEP y PAICYT 2001 (contrato CA556-01), utilizando las instalaciones del Centro de Manufactura Integrada por Computadora y del Programa Doctoral de Materiales de la FIME UANL: • Centro de Maquinado EMCO VMC 300. • Licencia de software SurtCAM v6.1b • Microscopio electrónico de barrido LEO Stereoscan 440, 30keV, hasta 300,000X equipado con espectrómetro de rayos X • Microscopio óptico NIKON a 5X, 20X, 40X y 100X Los autores agradecen la colaboración de los ingenieros Roberto Mireles, Francisco Delgado y Eleazar Sánchez de la Coordinación de Automatización y al Dr. Moisés Hinojosa del programa doctoral de materiales de FIME. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 REFERENCIAS 1. American Society of Tools Engineers. Tool Engineers Handbook. Mc Graw Hill, 1949. 2. Shaw, Milton. Metal cutting principles. Oxford University Press, 1984. 3. Stevenson, Robin and Stephenson, David. The effect of prior cutting conditions on the shear mechanics of ortogonal machining. The Minerals, Metals and Materials Society, 1996. 4. Groover, Mikell P. Fundamentals of Modern Manufacturing, Ed. Prentice Hall, 1996. 5. V. Chiles, S.C. Black and Arnold. Principios de Ingeniería de Manufactura. CECSA, 1999. 6. Metals Handbook 9th edition, vol 6 “Aluminium”. ASM International, 1989. 7. Cavazos García, José Luis. Tratamiento térmico de una aleación de aluminio 6063. Tesis Doctoral FIME-UANL, 1998. 8. Metals Handbook 9th edition, vol 16 “Machining”. ASM International, 1989. BIBLIOGRAFÍA 1. Degarmo, Paul E, Black, J.T. y Kohser, Ronald A. Materials and Process in Manufacturing. Ed. Prentice Hall, 1997. 2. Boothroyd, Geoffrey. fundamentos de corte de metales y de las Maquinas-Herramientas. Ed. Mc Graw-Hill Latinoamericana S.A. 1978. 3. Schaffer, Saxena, Antolovich, Sanders & Warner. Ciencia y Diseño de Materiales para Ingeniería. Ed. CECSA, 1999. 4. Schey, John A. Introduction to manufacturing processes. Ed. Mc. Graw Hill, 1987. 5. Mangonon, Pat. The principles of materials selection for engineering design. Ed. Prentice Hall, 1999. 47 �El rol de la física en la formación del ingeniero Rogelio G. Garza Rivera * Abstract The present document analyses the importance of physics in the engineers upbringing based on the three curricular perspectives: conceptual, methodological and axiological. Theres three dimensions delimit the knowledge, skills, procedures, values that students must develop and the attitudes to guarantee them an integral education as well as their successful participation in a global society. Keywords: physics, engineering, education, basic sciences. 1. INTRODUCCIÓN Desde hace algún tiempo, ha sido preocupante el papel de las ciencias básicas, y en particular de la física, en el curriculum de las ingenierías. Ejemplo de ello son algunos congresos académicos relacionados con esta temática y las publicaciones reportadas al respecto.1 En los criterios para la acreditación de los programas de ingeniería, desarrollados por el Accreditation Board for Engineering and Technology (ABET), se define a la Ingeniería como "la profesión en la cual el conocimiento de las ciencias matemáticas y naturales obtenido por el estudio, la experiencia, y la práctica se aplica conscientemente para desarrollar maneras de utilizar, eficientemente, los materiales y las fuerzas de la naturaleza para el bien de la humanidad".2 Aquí se destaca la intención de dar a las ciencias básicas el papel de fundamento de las ciencias de la ingeniería. En los criterios de acreditación de los programas de ingeniería de esta organización, para el ciclo 2001-2002,3 se plantea que los programas de ingeniería deben mostrar que sus graduados 48 alcancen la habilidad de aplicar los conocimientos de matemáticas, ciencias e ingeniería. Otras publicaciones refuerzan la intención de dar a las ciencias básicas el papel de fundamento de la ingeniería, como por ejemplo, la Universidad de Drexel4 quien desarrolla un curso titulado "Los Fundamentos Matemáticos y Físicos de la Ingeniería" en el cual brinda una introducción a la matemática y la física de los problemas de ingeniería.* La Reforma Académica de la FIME5 igualmente propone que el egresado de la facultad deberá contar con una sólida formación en conocimientos y habilidades del campo de las ciencias básicas. El presente trabajo pretende analizar el rol de la Física en la formación del ingeniero a partir de tres dimensiones curriculares: la conceptual (referida al contenido), la metodológica (referida el entrenamiento en el modo de actuar del ingeniero) y * Subdirector de la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Rogelio G. Garza Rivera la axiológica (referida al desarrollo de actitudes y valores). Se exponen las características que cada una de estas dimensiones tiene en la curricula de Ingeniería. c) El nivel de actuación o asimilación del contenido. d) El nivel de sistematicidad del contenido. El nivel de profundidad del curso viene dado por: 2. DESARROLLO • El uso que se haga de las matemáticas. En cualquier curso de Física, los temas tratados casi siempre son similares y reflejan un orden generalmente dado en los índices de libros de texto. ¿Cómo diferenciar un curso de otro? ¿Qué determina el contenido a impartir en un curso dado? ¿Cuál debe ser el nivel de la complejidad del curso? ¿Cuál es la relación entre el curso de Física y las materias de la especialidad de Ingeniería? Las respuestas a éstas y otras preguntas son muy importantes tanto para los responsables del desarrollo de los planes y programas de Ingeniería como para los maestros de Física de estas carreras. Algunos criterios para analizar un curso de una materia dada pueden ser definidos en función de tres dimensiones: la conceptual, la metodológica y la axiológica. Estas tres dimensiones delimitan el contenido, las habilidades o procedimientos, las actitudes y los valores que deben desarrollarse en los estudiantes para garantizar una formación integral en los mismos y que les posibilite su labor en una sociedad globalizada. Analizaremos estas dimensiones por separado. • La correlación entre los macroscópicos y microscópicos. • El uso de determinados modelos más o menos complejos. • La correlación entre lo cuantitativo y lo cualitativo. • El uso del método presentación del curso. 2.1 Dimensión conceptual La dimensión conceptual está relacionada con una serie de aspectos que determinan la misma para cada curso en particular. Entre estos aspectos podemos señalar: a) El nivel de profundidad del curso. b) La situación del objeto físico. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 histórico enfoques en la Desde este punto de vista, el curso de Física para Ingenierías debe estar caracterizado por un mayor uso de modelos matemáticos, una descripción de fenómenos con un punto microscópico que le permita al futuro ingeniero conocer y dominar la explicación más interna de los mismos para posibilitarle su uso adecuado y modificación. El enfoque de los fenómenos a estudiar debe estar dado por el perfil profesional del Ingeniero. Es tradicional, en cursos de Ingenierías, que el programa de Física incluya los temas básicos de Mecánica, Calor, Electricidad y Magnetismo, Oscilaciones y Ondas y en algunos casos algo de Óptica. La física moderna se está incluyendo en los años más recientes por la necesidad de la incorporación de tecnologías modernas, que se fundamentan en temas de esta ciencia. La situación del objeto físico está dada por las condiciones o situación en la que se coloca el objeto para su estudio, o lo que es lo mismo, el estado del objeto en dependencia de su relación con el medio que lo rodea. Algunos casos de diferente situación 49 �El rol de la física en la formación del ingeniero del objeto físico son: fluidos con y sin fricción, medios homogéneos, campos electromagnéticos en el vacío o en la sustancia. Mientras que en la enseñanza media superior se muestran las situaciones más simples y generales, en la física para ingenieros, las situaciones deben ser las típicas del objeto de la profesión del futuro graduado. El estudiante debe ver la relación entre el problema de Física que se le presenta y su futuro trabajo como profesionista. Aquí tiene que ver la habilidad a desarrollar en el estudiante de la modelación de una situación real típica de la profesión, para su estudio. Por ejemplo un problema de mecánica traslacional-rotacional puede ser calcular la velocidad de desplazamiento de una banda transportadora accionada por una rueda motriz de determinado diámetro y que gira a una cierta velocidad angular. La modelación de esta situación se puede hacer despreciando fricción, aplicando modelo de cuerpo rígido o partícula, etc..; pero el estudiante observó que se partió de una situación real. situaciones nuevas, e incluso creando nuevos procedimientos para resolver situaciones desconocidas en un nivel creativo. ¿Qué tipo de ingenieros necesita México para garantizar su desarrollo? Evidentemente, sí se requieren ingenieros que desarrollen nuevas tecnologías y puedan trabajar con las técnicas más modernas, no se puede pensar que el nivel de actuación pueda ser reproductivo, que es típico para aquellos que trabajan con tecnologías elaboradas en el exterior. Es por ello que los cursos de física deben contribuir al desarrollo de un nivel de actuación productivo y creativo en nuestros futuros ingenieros. Como señala el exdirector del Instituto Politécnico Nacional, D. Guerra Rodríguez: "En la formación de los ingenieros se deberá considerar de De esta forma se logra que el alumno vea la relación de la Física con su profesión futura y que posteriormente, en las materias de la especialidad, conozca de dónde parten los modelos fenomenológicos o empíricos que en esas materias se utilizan. Cuando se dice que "los contenidos de algunas materias de Matemáticas y Física no tiene aplicación real en los cursos posteriores.."6 se refiere precisamente a que en ocasiones los cursos de Física no se plantean con este enfoque y se mantienen situaciones del objeto físico no vinculadas al perfil de la profesión, lo cual es incorrecto. En cuanto al nivel de actuación o asimilación se refiere a la forma en que el estudiante interactuará con el medio, reproduciendo lo que conoce hasta ese momento, aplicando lo que conoce en 50 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Rogelio G. Garza Rivera manera estratégica el desarrollo de habilidades para el diseño, la innovación y la creatividad...".7 Con esto los cursos de física contribuyen a la formación integral de nuestros graduados. El nivel de sistematicidad del contenido está dado por el despliegue que se haga de los diferentes temas expuestos en el programa de los cursos. Puede ser que el despliegue llegue a la ley, la teoría o el cuadro. En el nivel medio superior es típico llegar a las leyes sin llegar a desarrollar completamente la teoría, con exclusión de la Teoría de la Mecánica Newtoniana que se desarrolla en forma más desplegada. En los cursos de Física para Ingenierías el nivel de sistematicidad debe incluir hasta el cuadro. Así, se ven el Cuadro Mecano Clásico (incluyendo Relatividad), el Cuadro Electromagnético y elementos del Cuadro Mecano Cuántico, que es el que marca el nivel de la Física Moderna y que aún se estudia su introducción en los curricula de ingenierías, como por ejemplo los proyectos desarrollados en la Universidad de Maryland.8 En la reforma Académica de la FIME se prevé el desarrollo de una materia de Temas Selectos de Física, donde se aborde la problemática de aquellos temas de Física más actuales vinculados al perfil de los futuros ingenieros. 2.2 Dimensión Metodológica Relacionado con el modo de actuación del ingeniero debemos ver el papel de la Física en la apropiación, por parte de nuestros estudiantes, de un conocimiento de tipo metodológico. ¿Qué procedimientos, qué método utilizar para resolver una situación, un problema de forma más eficiente?. Básicamente la ingeniería es un proceso de toma de decisiones9 para la solución de situaciones problemáticas dentro de su campo de acción. Como Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 regla el proceso de toma de decisiones se puede considerar compuesto de las siguientes etapas: a) Delimitar la situación. b) Planteamiento de la estrategia de solución. c) Obtención de información experimental o no experimental. d) Análisis y elaboración de la misma. e) Selección de criterios valorativos sobre las posibles soluciones. f) Elección de la variante óptima. g) Corrección de la decisión durante su implantación. Para lograr que nuestros graduados estén entrenados en este modo de actuación es necesario enfrentarlos desde nuestras clases a la necesidad de aplicar métodos de solución de situaciones nuevas. Esto se logra mediante el planteamiento de las clases de Física a partir de la aplicación del Método Científico.10 La estrategia de impartición de las clases de Física debe estar orientada a presentar al alumno ante situaciones y permitirle intentar la solución de las mismas aplicando el Método Científico, lo cual le permitirá desarrollar habilidades como: delimitar un problema, formular hipótesis de solución, diseñar experimentos, observar, medir, reunir información y datos, analizarlos, elaboración de conclusiones, etc. Como señala La Reforma Académica de la FIME11 "el método y la investigación deben ser elementos esenciales en el desarrollo de las nuevas generaciones". Aquí, además se ven reflejadas las tendencias de enseñanza-aprendizaje "centradas en el alumno". El profesor debe pasar a tomar un rol de facilitador de la solución dando recomendaciones, formulando interrogantes, ayudando al alumno en el proceso de 51 �El rol de la física en la formación del ingeniero toma de decisiones y permitiendo al alumno desarrollar su tarea de forma independiente. ¿Por qué la Física es apropiada para desarrollar estas habilidades en los alumnos? Una serie de aspectos pueden tenerse en cuenta: • La Física es una Ciencia experimental, basada en situaciones reales. • Se imparte en los primeros semestres. • Los modelos que utiliza son simples por lo que se puede enfatizar el procedimiento de solución. • Las situaciones que analiza pueden ser cotidianas, conocidas por los estudiantes (fuerza, temperatura, sonido, velocidad, etc.). Se demuestra además, en diversas fuentes,12 que el hecho de que el estudiante tenga una responsabilidad en su aprendizaje contribuye a una mejor asimilación de los contenidos, el conocimiento no se puede inyectar desde afuera, debe ser "construido" por el propio alumno. Es por ello que el plantear los cursos de física para ingenieros con este enfoque no sólo contribuye al desarrollo en ellos de habilidades de investigación y solución de problemas sino que contribuye a un mejor aprendizaje de la propia materia. Ya se realizan en nuestra Facultad actividades de laboratorio en Física con un enfoque basado en la aplicación, por parte de los alumnos, del Método Científico y aunque todavía este trabajo está en una etapa de introducción ya se han obtenido resultados alentadores. 2.3 Dimensión axiológica La tercera dimensión a analizar está dada por el desarrollo de actitudes y valores en nuestros futuros graduados. Se conoce que en la UANL se ha 52 desarrollado un Programa de Estudios Generales que contempla la impartición de una serie de materias que se propone un acercamiento de los estudiantes con las ciencias sociales y las humanidades.13 Independientemente de esto, cualquier curso de cualquier materia debe ser planteado de forma que contribuya a la educación del estudiantado. La Educación a través de la instrucción es un principio que debe seguirse en el diseño de cualquier proceso de enseñanza aprendizaje. La responsabilidad, la honestidad, la independencia, la creatividad, la comunicación, la capacidad de trabajar en equipo, son algunas de las cualidades sin las cuales un profesional de nuestro siglo no puede trabajar con eficiencia en beneficio de la sociedad. Estas actitudes y valores no se desarrollan en forma teórica. Es necesario hacerlo mediante la actuación diaria. Cuando se plantea una actividad de aprendizaje en la cual el alumno tiene la responsabilidad ante su grupo de elaborar determinado material, se está fomentando el desarrollo de estos valores. Cuando hacemos una actividad de discusión o debate donde se permita a los alumnos expresar sus criterios, discutir con libertad de expresión y respetando y aceptando las ideas u opiniones de los demás miembros del grupo se está fomentando el desarrollo de estos valores. Las actividades marcadas dentro de la tendencia del aprendizaje colaborativo muestran sus posibilidades de desarrollo de actitudes y valores necesarias para el trabajo del futuro profesional de nuestro tiempo. Las clases de Física, al igual que las de las demás materias deben contribuir a partir de su diseño al desarrollo de estas actitudes y valores sin lo cual no es posible pensar en el diseño de ningún curso para Ingeniería. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Rogelio G. Garza Rivera 3. CONCLUSIONES De lo expresado anteriormente, se puede concluir que la importancia de la Física en la formación de los ingenieros va más allá de brindar una serie de conocimientos de la propia ciencia. La formación debe abarcar desde el entrenamiento en la forma de actuación del futuro ingeniero hasta el desarrollo de actitudes y valores necesarios para trabajar en una determinada sociedad. El estudiante debe ver desde el primer día la relación de la Física con su perfil de la profesión a través del enfrentamiento a situaciones prácticas que pueda resolver aplicando los conocimientos de Física que se le imparten. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 Para lograr esto, los cursos de Física deben ser diseñados teniendo en cuenta los aspectos señalados en este trabajo y sin perder de vista el futuro profesional del estudiante para el cual se le va a impartir determinada materia. El aumento del rol del estudiante, la aplicación de métodos dinámicos de impartición en las clases y la utilización del Método Científico constituyen algunas de las premisas indispensables para lograr el éxito en la enseñanza de la Física vinculada al perfil de nuestros Ingenieros, logrando que los graduados vean a esta Ciencia no como una más, sino como el fundamento de las Ciencias de Ingeniería. 53 �El rol de la física en la formación del ingeniero 4. BIBLIOGRAFÍA 1. Garza Rivera, Rogelio G. "La enseñanza de las ciencias en la formación de ingenieros", Ingenierías FIME, Vol. II, No. 5, Sept.-Dic. 1999, pp. 55-58. 2. Criteria for accrediting engineering programs, Engineering Accreditation Commission (EAC), Accreditation Board for Engineering and Technology, Inc. (ABET), 2000-2001 Accreditation Cycle, Nov. 1999. 3. Criteria for accrediting engineering programs, Engineering Accreditation Commission (EAC), Accreditation Board for Engineering and Technology, Inc. (ABET), 2001-2002 Accreditation Cycle, Nov. 2000. 4. Thomas, D.H. and Venkataraman, T.S. "Drexel University's Freshman Engineering Physics Course" in The Changing Role of Physics Departments in Modern Universities, E.F. Redish and J.S. Rigden, editors, AIP Conference Proceedings 399, 1997, pp 79. 5. Proyecto de Reforma Académica y Curricular, UANL, FIME, página 14, Abril 12 de 2000. 6. Proyecto de Reforma Académica y Curricular, UANL, FIME, página 8, Abril 12 de 2000. 54 7. Guerra Rodríguez D., "Situación actual y perspectiva de la educación en ingeniería en México", Ingenierías FIME, Vol. III, No. 6, En.Marzo 2000, pp. 8-14. 8. Redish E. F., Steinberg R.N., Saul J.M., "The distribution and change of students expectations in introductory physics", The International Conference on Undergraduate Physics Education, 1996; http://www.physics.umd.edu/rgroups/ripe/perg/e xpects/icupeex.htm. 9. Barreto Argilagos G., "El desarrollo histórico de la formación de constructores", Ingenierías FIME, Vol. II, No. 4, Mayo-Ag. 1999, pp. 2431. 10. Hestenes, D.. “The scientific method.” Am. J. Phys. 67(4), 274, 1999 11. Proyecto de Reforma Académica y Curricular, UANL, FIME, página 13, Abril 12 de 2000. 12. Anderson, J.R. Reder, L.M. and Simon, H. A. "Radical Constructivism and Cognitive Psychology” in Brookings Papers on Education Policy-1998, Diane Ravitch, ed. (Brookings Institution Press), pp. 227-278. 13. Fernández Delgado, J. A. "Programa de Estudios Generales de la U.A.N.L.", Ingenierías FIME, Vol. II, No. 5, Sept.-Dic. 1999, pp. 51-54. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �La ciencia y la sociedad mexicana♦ Manuel Rojas Garcidueñas* La sociedad urbana de México vive rodeada de automóviles, aparatos eléctricos y electrónicos, alimentos industrializados, etc., que utiliza en el hogar, el trabajo y el tiempo libre. Algunos aparatos están hechos en el país conforme a técnicas extranjeras, pero ninguno ha sido creado o desarrollado por mexicanos.♦ Utilizamos tecnología extranjera, pero no creamos la propia y esta continua adaptación a productos foráneos nos va haciendo perder nuestra identidad. El mexicano común disfruta las ventajas de la tecnología, pero en el fondo no la entiende. El Dr. Mazuri, africano en la Universidad de Nueva York, dice de sus compatriotas: “nos gustan los artículos occidentales, pero nos desconciertan sus talleres... hemos aprendido a desfilar con brillantez, pero no a ejercitarnos con disciplina”.1 Del mismo modo, pocos mexicanos han entendido que tras la industria está la tecnología y tras ésta la ciencia: Sin física no hay ingeniería y sin ella no hay fábricas. En México la ciencia no es negocio: los empresarios juzgan preferible comprar tecnología extranjera, a veces quizá obsoleta, a desarrollar la propia. La ciencia no es cultura: en sus secciones culturales la prensa trata de arte, de literatura y tal vez de filosofía. La ciencia no es historia: en los textos se relatan los hechos heroicos de militares y logros de políticos, pero jamás se cita a alguno de nuestro pocos hombres de ciencia. La ciencia es el gran ausente en la vida de México y por ello el científico carece de status social. en páginas Dice Bünning (p 12),2 autobiográficas, que hacia 1930 los profesores universitarios alemanes tenían salarios muy raquíticos y, sin embargo, la investigación y la docencia superior eran muy perseguidas, pues los académicos tenían un status social por encima “de los que poseían un Rolls Royce o un Mercedes Benz”.* Esto explica en buena parte que en dos ocasiones Alemania se haya recuperado en pocos años de la postración de dos terribles derrotas, volviendo a ser una potencia industrial. Tenía el material idóneo para ello: el material humano. Un suelo estéril no produce cosecha; después de tres cuartos de siglo de paz social, México está aún en el subdesarrollo. Una sociedad que no aprecie la ciencia, que no tenga la comprensión íntima de la cadena ciencia-tecnología-industria, no puede tener verdadero desarrollo. Para que la ciencia florezca es preciso reeducar al mexicano. * ♦ Artículo publicado en la Revista Ciencia UANL de abril-junio 2001 y reproducido con permiso del autor. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 Profesor Emérito del instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. 55 �La ciencia y la sociedad mexicana LA EDUCACIÓN CIENTÍFICA QUÉ ES LA CIENCIA Hace sesenta años Ramos escribió: “El mexicano considera que las ideas no tienen sentido y las llama despectivamente “teorías”; juzga inútil el conocimiento de los principios científicos... está muy seguro de su sentido práctico” (p 59).3 Algo debe andar mal en la educación para que esto siga siendo verdad después de tantos años. Sin duda las escuelas transmiten conocimientos de ciencia y sin duda las universidades producen profesionales de la ciencia competentes. Pero sin duda también la masa popular, aún los que han cursado la secundaria, no tienen idea de lo que es el espíritu científico. Y esto es lo importante pues, como se ha dicho, la educación es lo que queda cuando lo que se sabía se ha olvidado y esto es lo que la escuela no transmite: la ciencia como una manera de ver la vida, de entender al mundo; una manera de ser. Para plantear una educación en el espíritu científico habrá que exponer sus componentes básicos (algunos están expuestos con mayor amplitud en Pérez Tamayo p. 27-33).4 La ciencia es objetiva; esto se opone a nuestra idiosincrasia, pues en México toda discusión, aun artística, toma un cariz exaltado: “La pasión es la nota dominante de la vida de México” (p 17).3 Al ser objetivos limamos nuestra emotividad, pues la ciencia no nos dice lo que nos gusta o lo que nos disgusta; nos dice lo que en la realidad, objetivamente, es cierto. Pérez Tamayo afirma que “el mejor regalo de la ciencia no está en los resultados prácticos ni en los grandes esquemas conceptuales...El mayor regalo es el método científico que es confrontar sistemática y rigurosamente los modelos teóricos con los fenómenos de la naturaleza” (p 20).4 Así entendida, la ciencia nos dará verdaderos técnicos, pues “para ser exitosa la tecnología requiere seguidores con real rigor científico...con conocimientos básicos que la sustentan.”5 Incluso para gozar realmente de las ventajas tecnológicas es preciso entender la ciencia. Fourastié y Vimont afirman que “la verdadera riqueza es la ciencia experimental y las concepciones del mundo vinculadas a ella.... (las sociedades africanas) no entrarán al progreso, si no han asimilado el espíritu de un Galileo o un Newton... sólo así gozarán de las ventajas de la técnica” (p. 53-54).6 Y entiéndase bien: no los conocimientos de Galileo o Newton sino su espíritu; esto es lo que necesita el ciudadano común, sea cualquiera su actividad. 56 La ciencia es lógica: busca y encuentra leyes naturales y, al conocerlas, se hace predictiva: nos capacita para hacer predicciones conforme a la lógica. Quien concibe su vida según expectativas racionales, la toma en sus manos; contrariamente a quien la concibe sujeta a un azar, y la considera una lotería sobre la cual no tiene control. “La vida mexicana da la impresión, en conjunto, de una actividad irreflexiva, sin plan”.3 La ciencia es crítica: “En esencia el pensamiento científico consiste en examinar los problemas desde distintas perspectivas y buscar explicaciones a los fenómenos naturales y sociales sometiéndolos a análisis críticos”.7 Esta actitud nos hace oponernos a la aceptación ciega de conceptos que nos han llegado por tradición familiar o social. El criticismo ha dado a la cultura occidental su flexibilidad característica y su progreso frente a la rígida inmovilidad de otras culturas, entre ellas la de muchas de nuestras etnias. La ciencia es factual: crea modelos teóricos, pero en cuanto es posible, los compara con los hechos y los reconstruye conforme a la observación y el experimento. A diferencia de la tecnología, la ciencia no tiene contenido ético: conocer las Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Manuel Rojas Garcidueñas propiedades del cloro no es bueno ni malo; aplicarlas para hacer un gas asfixiante puede ser bueno, si se utiliza contra ratas portadoras de la peste, o malo, si se emplea contra presos políticos en un campo de concentración. La ciencia es limitada: no se propone preguntas que no puede contestar con sus métodos, ni explica con argumentos incomprobables al menos de una manera teórica. Así es que la ciencia indaga la causa de una enfermedad determinada, pero no el porqué existe la enfermedad en generalización abstracta; la vida después de la muerte es un problema importante para todo hombre, pero no es objeto de la ciencia sino de la filosofía o de la teología. Por esta limitación la ciencia no pretende erigirse en el único valor de una sociedad; hacerlo así no es científico, es cientificista. Por sus características, la ciencia es fría. Si un niño muere por una enfermedad, el médico podrá explicar cómo la contrajo, cómo progresó y por qué fue al final inevitable la muerte; esta explicación no será nada consoladora para la madre: la ciencia no tiene palabras de consuelo, tiene palabras de verdad. Por su frialdad la ciencia se mira con prevención en muchas culturas o estratos sociales: el hechicero maligno de los cuentos se transforma en el Dr. Frankestein. Pero, al final, es la ciencia lo que nos ha dado la defensa contra las enfermedades y contra los agentes naturales y las innumerables comodidades, que diferencian la vida en una ciudad moderna de la vida en una aldea primitiva. sociedades de escaso desarrollo conocen el progreso técnico –automóviles, radios, electricidad-, pero usan mal las máquinas y son pocos productivas, porque “su cultura técnica es irracional porque no la integran en su concepción del mundo” (p 37-39).6 En muchos estratos sociales de México hay una profunda contradicción entre el deseo de bienes tecnológicos y la no-aceptación de las condiciones para tenerlos. Bien afirma White (p.72)8 que los científicos deben atender a la complejidad de las relaciones de la ciencia con el contexto total, pues puede haber corrientes dominantes peligrosas. La Revolución Verde elevó la productividad del campo al causar un cambio técnico y mental en muchos agricultores que elevaron su nivel de vida, pero muchos otros campesinos carentes de apoyos económicos y, sobre todo, incapaces de acceder a una nueva cultura que chocaba con sus hábitos de trabajo y su visión de la vida, quedaron en peor situación que antes. Si se quieren evitar choques culturales y desgarramientos internos debe entenderse qué es ciencia, qué es tecnología, qué se puede esperar de ellas y qué lugar deben tener entre los valores que conforman la vida social. Afortunadamente, parece que al fin empezamos a darnos cuenta de que enseñar ciencia no es HACIA UNA CIENCIA PROPIA Los conceptos y métodos de la ciencia son universales, pero cada sociedad debe integrarla conforme a sus necesidades, trabándola con valores éticos, estéticos, filosóficos, etc., para formar una estructura en la que afirme su vida. Muchas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 57 �La ciencia y la sociedad mexicana simplemente hacer que los alumnos aprendan las partes de la célula y memoricen las leyes de Newton, sino que “son necesarias nuevas relaciones ciencia-sociedad para resolver los problemas de pobreza, del ambiente, del crecimiento demográfico...” (p 49).7 Es gratificante que la Academia Mexicana de Ciencias haya presentado al actual presidente de la República un escrito donde se expone que “es necesario elaborar programas y políticas de comunicación para estimular el interés de los jóvenes y de la sociedad en conjunto, valorando temas científicos como componentes fundamentales de la cultura nacional.”9 Ojalá sea así y ojalá haya respuesta positiva de la sociedad para que no solamente el profesional en alguna rama científica o tecnológica, sino también el ciudadano común que sólo haya alcanzado la educación media, posea el espíritu científico como uno de los valores que normen su vida. REFERENCIAS 1. R. M. Sapolsky, Requiem for an overachiever. The Sciences (New York Acad. Sci.) Jan-Febr 1997 p. 15-19. 2. E. Bünning. Fifty years of research in the wake of Wilhelm Pfeffer. Annual Review of Plant Physiology 1977. 28: 1-22 (1978). 58 3. S. Ramos. Perfil del hombre y la cultura en México. Espasa-Calpe. (Col. Austral) México 1972 (orig. 1931). 4. R. Pérez Tamayo. Acerca de Minerva. Fondo de Cultura Económica. (Col. La ciencia desde México), 1987. 5. M. Pérez de la Mora. Los grandes problemas nacionales. Ciencia (AMC), Vol. 51 núm. 3, (septiembre 2000), p. 3. 6. J. Fourastié y C. Vimont. Histoire de Demain. Presses Universitaires de France. Paris, 1960. 7. A. M. Cetto. Ciencia para el siglo XXI. Declaración sobre la ciencia y el uso del saber científico. ICSU (Consejo Internac. Ciencia) y UNESCO. Conferencia mundial. Budapest. Junio 26-Julio 1. 1999, Ciencia (AMC), Vol. 51 núm. 3, (septiembre 2000), p. 49-53. 8. L. White Jr. Science, scientists and politics. En: Science and Society-Selected Essays. Edit. A. Valvoulis y A. W. Colver. Holden-Day, San Francisco, 1996. 9. AMC. Estrategias para el desarrollo de la ciencia y la tecnología en México en los umbrales del siglo XXI. Texto presentado por la Academia Mexicana de Ciencias al Sr. Vicente Fox, en noviembre 10 de 2000. Carta Informativa de la Academia Mexicana de Ciencias, 28 (noviembre-diciembre de 2000). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Ingeniero en manufactura Nueva oferta educativa en la FIME-UANL José Luis Castillo Ocañas* Abstract This article describes some aspects on the implementation of the academic program of manufacturing engineering at the bachelor level at FIME-UANL. The first part describes the foundations of the program, the objectives that this program aims to reach are then exposed. Finally, the balance of academic credits in the curriculum is presented. Keywords: manufacturing engineering, education, curriculum, academic credits. INTRODUCCIÓN Las instituciones de educación deben ser sensibles en forma continua a los cambios del entorno, por ejemplo, entre otros, a los avances tecnológicos y a las exigencias del mercado laboral. De acuerdo a dicha premisa, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL) llevó a cabo en 1997 una reforma académica y administrativa de fondo acorde a los tiempos actuales que produjo entre otras acciones, primero la creación de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Manufactura con dos especialidades: Diseño de Productos, y Automatización, y posteriormente, en el 2000, la implementación de adecuaciones de las carreras existentes a nivel licenciatura y la creación de carreras nuevas, entre las cuales está la de Ingeniería en Manufactura. En el presente artículo se describirán la fundamentación, objetivos y planes de estudio de la carrera de Ingeniero en Manufactura ofrecida por la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 1. FUNDAMENTACIÓN Para el diseño de la carrera se partió de la premisa de que la principal fuente de trabajo de los egresados de la UANL son las empresas del estado de Nuevo León, uno de los más dinámicos e industrializados del país [UANL94]. 1* Actualmente se encuentran instaladas más de 50,700 empresas, de las cuales 5,722 se crearon entre octubre de 1997 y febrero del 2000. En lo que al desarrollo industrial del estado de Nuevo León se refiere, conviene resaltar dos características relevantes: a) La numerosa incorporación de empresas pequeñas y medianas basadas en procesos de manufactura con alta tecnología. b) La importancia que se da en el sector empresarial a la incorporación de tecnología de punta para mantener o aumentar sus índices de competitividad. Esto exige y permite la incorporación de nuevos campos de actividad profesional para los ingenieros. Un campo con futuro promisorio, retador y * Jefe de la Carrera de Ingeniero en Manufactura, FIMEUANL. 59 �Ingeniero en Manufactura: Nueva oferta educativa en FIME exigente, por la gran velocidad con la que están sucediendo los avances tecnológicos, es el campo de la manufactura. Justificación de la carrera Para conocer las perspectivas y necesidades del sector productivo del estado de Nuevo León en materia de ingeniería en manufactura se constituyó una comisión integrada por 15 profesores de la FIME, quienes tuvieron a su cargo la tarea de reunir la información necesaria para fundamentar y justificar la creación de una carrera especializada en manufactura. Entre las actividades realizadas se pueden mencionar: • Entrevistas con directivos de empresas en las áreas de recursos humanos, ingenieros de procesos o de manufactura, así como de mantenimiento industrial. • Demanda de trabajo en las carreras de FIME obtenida de los departamentos centrales de rectoría de la UANL. • Recopilación y revisión de las solicitudes de trabajo por medio del periódico en los años 1998 y 1999. • Encuestas a estudiantes de preparatoria y de los primeros semestres de la facultad en FIME. • Encuestas en el sector productivo y a profesionistas en estudios de posgrado sobre la demanda de una nueva carrera profesional en manufactura. Necesidad del Ingeniero en Manufactura Con objeto de conocer las tendencias y necesidades de ingenieros con habilidades y conocimientos adecuados y actualizados para desempeñarse en el área de manufactura se consultó 60 a funcionarios de empresas tanto pequeñas como medianas y grandes; se realizaron reuniones con profesionistas con estudios de posgrado que laboran en campos afines a la manufactura en el sector productivo; se consultó con profesionistas y representantes de asociaciones ingenieriles. Como resultado de estas consultas se observa que existe una creciente demanda de ingenieros formados especialmente para atender los sistemas de manufactura. Hasta ese momento el método para satisfacer esa demanda era el de contratar a profesionistas formados en ingeniería mecánica o eléctrica, para después capacitarlos. Esto trae como desventaja que una capacitación de esa magnitud involucra tiempos largos hasta que sea posible asumir algún tipo de responsabilidad significativa, además de costos extras para la empresa. En general, el consenso en el sector productivo plantea la necesidad de ingenieros en manufactura cuyo perfil permita planear, balancear y administrar líneas de producción; resolver problemas referidos a la calidad, mejorar el proceso y los productos, mantenerse actualizados en nuevas tendencias como lo es la operación de equipos y maquinaria. Estos son los resultados que presentaron los estudios en cuanto la demanda de trabajo en diferentes áreas relacionadas con la manufactura, según la bolsa de trabajo de Infosel. Es posible inferir que en el aparato productivo de Nuevo León existe una necesidad de contar con ingenieros formados específicamente para atender los diferentes aspectos de la manufactura. Tal necesidad constituye un área de oportunidad estratégica para mantener la competitividad; un área con un mercado de trabajo importante, con requerimientos específicos que hasta este momento se han estado atendiendo de manera incompleta. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �José Luis Castillo Ocañas Tendencias nacionales e internacionales Expectativa y oferta educativa Aunque la carrera con el nombre de ingeniero en manufactura aparece en la educación superior mexicana en 1998, desde hace ya mucho tiempo se ofrecen carreras relacionadas con el campo, como lo es Ingeniero Industrial e Ingeniero en Producción. En 1997 la matrícula total en esta área en el ámbito nacional era de 5,565, figurando Nuevo León en dicho valor con el 10.4% correspondiente a los estudiantes que cursan la carrera de Licenciado en Diseño Industrial. Cifra que contrasta con la magnitud de la planta productiva y el alto nivel de desarrollo tecnológico de la industria estatal frente al resto del país. Para conocer las expectativas de los candidatos a estudiar ingeniería en la UANL, se realizaron encuestas tanto con alumnos del último semestre de preparatoria que manifestaron intención de ingresar a FIME como con estudiantes del tronco común de FIME, quienes aún no inician su especialización. Poco más del 50% de los encuestados indicó que tendría interés en estudiar la carrera de ingeniero en manufactura si es que ésta se ofreciera en la facultad. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 También se consideró la factibilidad y pertinencia de la carrera más allá del estado de Nuevo León, por medio del análisis de programas de estudio en otras universidades, tanto nacionales y extranjeras. Estos análisis muestran las tendencias del campo de la ingeniería en manufactura en el mundo. Se advierte en ellos una fuerte tendencia a la integración de la tecnología moderna para la automatización de procesos de producción, lo que indica que se deben considerar elementos tales como los sistemas y controles automatizados, robótica, calidad, normas ambientales y ecología, entre otros. Todos los estudios convergen en prever que, en un futuro próximo, será común encontrar empresas en las cuales sus sistemas de producción estén controlados por dispositivos basados en inteligencia artificial y sistemas expertos, requiriendo la presencia de grupos de trabajo multidisciplinarios, capaces de resolver los problemas que plantea la producción. Las universidades han tomado plena conciencia del panorama que se abre para la ingeniería en el campo de la manufactura y han emprendido profundas transformaciones en los métodos y prácticas relacionadas con la educación. 2. OBJETIVOS DE LA CARRERA El principal objetivo de la carrera de Ingeniero en Manufactura de la FIME-UANL es la formación de ingenieros altamente capacitados en la aplicación de estrategias de manufactura automatizada que generen la integración de funciones para optimizar los sistemas de producción existentes, que diseñen e 61 �Ingeniero en Manufactura: Nueva oferta educativa en FIME implementen nuevos sistemas que coadyuven a incrementar la eficiencia y la competitividad y calidad de la organización. Otros objetivos están encaminados a posicionar la carrera mediante la satisfacción de la demanda de profesionales en el mercado productivo. Perfil del egresado La correcta definición del perfil de un ingeniero en cualquier especialidad es una de las principales tareas de una institución educativa, ya que de esto depende la aceptación laboral y la pertinencia social del egresado. Para definir el perfil de un egresado de un estudio de ingeniería no basta con acotar las características que el profesional tendría en cuanto a conocimientos, sino que implica la formación integral del individuo para beneficio de la sociedad. El sector laboral demanda del profesional los conocimientos necesarios entendidos y aprendidos para su aplicación en el desempeño laboral y profesional, habilidades que le permitan conectar e integrar el conocimiento para su mejor aplicación convirtiéndolo en un resolvedor de problemas, actitudes y valores que actúa como consecuencia de haber aprendido valores con actitud permanente de búsqueda de la verdad, personalidad y moral bien definidas. La Licenciatura de Ingeniería en Manufactura deberá generar egresados con conocimientos, habilidades, actitudes, valores y personalidad necesaria para seguir transformando los modelos de desarrollo ingenieril haciendo concordancia con el documento de Visión 2006 de la Universidad Autónoma de Nuevo León y del plan de desarrollo Institucional de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica 1997-2006. 62 En el aspecto técnico el egresado de la carrera de Ingeniero en Manufactura debe ser capaz de planear, diseñar, automatizar y establecer un control adecuado en sistemas para la producción, cumpliendo con normas internacionales, programas de mantenimiento, operar equipos de alta tecnología y adaptarse a cambios tecnológicos, con comportamiento social para preservar el medio ambiente. Flexibilidad del plan de estudios Una de las características de la reforma curricular, en el sistema de créditos a cursar en cualquiera de las carreras que ofrece la FIME, es que el estudiante tiene la oportunidad de diseñar de acuerdo a sus posibilidades y capacidad el esquema para cursar las materias. Al mismo tiempo, tiene la responsabilidad de seleccionar hasta un 26 % del total de créditos; siempre apoyado por programas que nacen de la propia reforma: el de tutorías para los estudiantes de primer ingreso y el de asesores académicos para orientación específica. El fortalecimiento por área se subdivide en: • Diseño de productos. • Aseguramiento manufactura. de la calidad en • Automatización. • Control numérico computarizado máquinas-herramienta. en 3. PLAN DE ESTUDIOS DE LA CARRERA Para obtener el grado de Ingeniero en Manufactura el estudiante deberá completar un mínimo de 431 créditos y no rebasar un máximo de 450. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �José Luis Castillo Ocañas La cantidad mínima de créditos deberá estar compuesta de las siguientes proporciones. Tabla I. Créditos ofrecidos por áreas en el plan de estudios de Ingeniero en Manufactura de la FIME-UANL de La carrera de Ingeniero en Manufactura se empezó a ofrecer a los estudiantes a partir de agosto del 2000. REFERENCIAS Área Fundamentales Complementarias Total créditos Ciencias Básicas 68 22 90 créditos 1. Universidad Autónoma de Nuevo León, Informe "Universidad en cifras". UANL 1994-1995 Ciencias de la 108 Ingeniería 25 133 créditos 2. Gago, A. & Mercado R., La evaluación de la educación superior mexicana, 1998 Ingeniería aplicada 52 36 88 créditos 3. CACEI, Consejo de acreditación de la enseñanza de la ingeniería. Junio 1996 Materias generales 60 30 90 créditos 4. CIEES, Manual de CIEES, ANUIES, SEP. Octubre 1994 Servicio social y Prácticas profesionales 30 Total créditos de 318 (74%) 30 créditos 113 (26%) 431 (100%) COMENTARIOS FINALES En la reunión de la Junta Directiva de la FIMEUANL, celebrada el día 12 de abril del 2000, el Director de la Facultad, el Ing. Cástulo Vela Villarreal en su segundo punto del orden del día, puso a consideración de la Junta Directiva el Proyecto de la Reforma Académica, donde se contempla la creación de la nueva carrera de Ingeniero en Manufactura, siendo ésta aprobada por unanimidad. La aprobación por parte del Consejo Universitario de la UANL se dio en la sesión celebrada el día 27 de junio del 2000. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 5. Medellín F., Perfil del universitario. Dirección de Servicio Social, UANL. 1998 6. Delors, Jaques, La educación encierra un tesoro. Ediciones UNESCO, 1998. 7. Naisbitt, J. & Aburdere, P., La evaluación de la educación superior mexicana. Megatendencias 2000. 8. Nyerere, J., The university's role in the development of new countries. World university service assembly, Dar es Salaam, Tanzania. 1996. 9. Vargas, M., Práctica profesional y pertinencia de la educación en ingeniería. Febrero 1999. 10. Castillo, J., Manufactura en FIME. Revista Ingenierías Vol 1 Num. 2. FIME/UANL, 1998. 11. Garza, J., Elementos que contribuyen a la formación del perfil de ingeniero en FIME en los próximos años. Abril 1998. 12. FIME, Plan de desarrollo institucional para FIME 1997-2006. FIME, 1998. 63 �Reconocimientos Fernando J. Elizondo Garza* I.- PREMIO DE INVESTIGACIÓN UANL 2000 II.- PREMIO UANL A TESIS DE POSGRADO * Los doctores Virgilio González González, Carlos Guerrero Salazar y Ubaldo Ortiz Méndez fueron reconocidos por su trabajo “Mezclas de quitina y quitosán con poliamidas y poliésteres” con el Premio de Investigación UANL 2000, en la categoría de ingeniería y tecnología. Durante la sesión solemne del H. Consejo Universitario de la UANL efectuada el 12 de septiembre de 2001, el M.C. Jorge Aldaco Castañeda y su asesor el Dr. Moisés Hinojosa Rivera recibieron el Premio a la Mejor Tesis de Maestría, en el área de ciencias exactas, que año tras año otorga la Universidad Autónoma de Nuevo León, por el trabajo “Autoafinidad de superficies de fractura en una aleación aluminio-silicio”. Los doctores recibieron su premio de manos del Rector de la UANL durante la junta solemne del consejo Universitario del 12 de septiembre del presente año. Doctores Carlos Guerrero, Ubaldo Ortiz y Virgilio González, Investigadores de la FIME que recibieron el Premio de Investigación UANL 2000. La investigación consistió en efectuar un estudio sistemático exhaustivo de mezclas de polímeros bajo la hipótesis de que pequeñas diferencias en la capacidad de formar puentes hidrógeno afectan en forma importante la compatibilidad y miscibilidad de los polímeros. Los resultados del estudio, publicados en el Journal of Applied Polymer Science (V78, p. 850, 2000), permitieron contribuir al conocimiento de la compatibilidad de polímeros expandiendo el potencial de uso de los polímeros involucrados debido al descubrimiento de la alta compatibilidad de algunas de sus mezclas y nuevas morfologías encontradas. 64 El M.C. Jorge Aldaco y su asesor el Dr. Moisés Hinojosa recibieron de parte de la UANL el Premio a la Mejor Tesis de Maestría. En el trabajo de tesis se utilizaron técnicas de análisis autoafin, desarrolladas a partir de la geometría fractal, para la caracterización de las superficies de fractura en una aleación de aluminio de amplio uso. Se corroboró la hipótesis de que la longitud de correlación de la superficie de fractura está relacionada al tamaño de los elementos microestructurales más grandes, que en el caso estudiado fueron los granos metálicos y las dendritas. Los resultados fueron publicados en la revista Aluminum Transactions (V3, No. 1, p. 53, 2000). * Secretario de Proyectos Especiales de la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No.13 �III Verano de la investigación científica y tecnológica Patricia del Carmen Zambrano Robledo* El Verano de la Investigación Científica y Tecnológica es un Programa de la Universidad Autónoma de Nuevo León encaminado a despertar el interés de los jóvenes estudiantes por la investigación. Esta fue la tercera edición y dio inicio el pasado 2 de julio para concluir el 10 de agosto, tiempo durante el cual con mucho entusiasmo y ganas de trabajar 19 estudiantes, todos talentos provenientes de preparatorias y facultades, respondieron al llamado a participar en los laboratorios de nuestra institución, dirigidos por nuestros investigadores. En la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, los resultados han sido muy satisfactorios, reflejándose en los trabajos realizados, aunados a las ganas de seguir participando en el mismo, este año por ejemplo, se hizo extensiva la invitación a alumnos de licenciatura, a lo cual respondieron 9 alumnos que en su mayoría habían participado en los veranos pasados siendo aún estudiantes de preparatoria. Las áreas en las cuales se desempeñaron los estudiantes fue Ingeniería de Materiales, Eléctrica y Potencia, Sistemas, y Control. FIME, José Luis Rivera Mendoza, Luis Martín Espino Rivera, Juan David Sánchez Medina, Ana Georgina Escamilla Guzmán, Nasser Mohamed Noriega, Rosa Montalvo Páez, Israel Ángel Barragán Serna y Karla Yesenia Hipólito Moreno.* Los maestros de la FIME participantes como asesores en el verano de la investigación científica fueron: Dr. Salvador Acha Daza, Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, Dr. Efraín Alcorta García, Dra. Ada M. Álvarez Socarrás, Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dr. Rafael Colás, Dr. Oscar Leonel Chacón Mondragón, Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, Dr. Virgilio González, Dr. Moisés Hinojosa, Dr. Slava V. Kalashnikov, Dr. Jesús de León Morales, MC. Francisco Eugenio López Guerrero, Dra. Patricia Rodríguez López, Dr. Ernesto Vázquez Martínez y Dra. Patricia Zambrano Robledo. Sería muy constructivo para estudiantes e investigadores que se notara una mayor participación en este tipo de programas, los cuales se continuarán realizando por intermedio de la Dirección de Investigación Científica y Tecnológica de nuestra Casa de Estudios. Los alumnos participantes en este programa fueron: de la preparatoria 7 Ote., Nadia Eunice Cortina Contreras y Juan Manuel Gracia Reyes; de la preparatoria 8, Ana Cristina de la Portilla de León, José Hilario García Duarte, Mayra Guadalupe Torres Gaona y Milagros Janeth Esquivel Argueta; de la preparatoria 9, Carlos Arturo Alvarado Ruiz y Mayra Alejandra Pérez Vázquez; de la preparatoria 23, Félix Monsiváis Puente, Arturo González Franco y José Ángel Vázquez Serrato; y de la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 Rotafolio donde se presentan los resultados de uno de los proyectos de investigación realizado en la FIME por estudiantes preparatorianos durante el verano de la ciencia y la tecnología UANL 2001. * Programa doctoral de Ingeniería en Materiales, FIMEUANL. 65 �Eventos • • Sección estudiantil de ASHRAE en la UANL Congreso ICAM 2001 Jesús Garza Paz*, Moisés Hinojosa Rivera** SECCIÓN ESTUDIANTIL DE ASHRAE EN * LA UANL VII CONFERENCIA INTERNACIONAL DE ** MATERIALES AVANZADOS ICAM 2001 El pasado miércoles 30 de mayo del año en curso, se llevó a cabo la ceremonia de toma de protesta de la primera Mesa Directiva de la sección estudiantil del Capítulo Monterrey de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE, American Society of Heating, Refrigerating & AirConditioning Engineers, Inc.), teniendo como principal base estudiantil la FIME. Los días 26 al 30 de agosto se llevó a cabo la VII Conferencia Internacional de Materiales Avanzados ICAM 2001, en la ciudad de Cancún. Dicho evento fue organizado por la Academia Mexicana de Ciencia de Materiales en coordinación con la Unión Internacional de Sociedades de Investigación en Materiales. La FIME-UANL estuvo representada por* un grupo de maestros y estudiantes investigadores que tuvieron una activa participación exponiendo diversos trabajos de investigación. Entre las ponencias estuvieron la del Dr. J. L. Cavazos, que versó sobre el comportamiento de la aleación de aluminio 6063; el M.C. Octavio Covarrubias discutió el efecto de la plasticidad inducida por transformación en aceros. El Dr. J. A. Aguilar analizó la confiabilidad de las mediciones de temperatura en el procesamiento de cerámicos empleando microondas. La Mesa Directiva, quedó conformada de la siguiente manera: Presidente.- Esteban Ernesto Román González Vicepresidente.- Bertha Alicia García Garza Secretario.- Juan Carlos Navarro Aguirre Tesorero.- Laura Grimaldo Padilla todos ellos alumnos de la FIME. La protesta fue tomada por el Ing. Gerónimo J. Quintanilla Rodríguez, primer Presidente del Capítulo Monterrey. El M.C. Francisco Garza exponiendo resultados de sus investigaciones durante el congreso ICAM 2001. Toma de protesta de la Mesa Directiva de la ASHRAE estudiantil. * Catedrático de la FIME-UANL. ** Doctorado en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL. 66 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No. 13 �Acuse de recibo Revista NEW WORLD Revista SOUND & COMMUNICATIONS La versión en Español de la revista de Siemens ofrece en su No. 2 un contenido balanceado con una bien lograda combinación de artículos de interés general y temas tecnológicos. En su sección de ciudades y regiones descubrimos el Líbano y el dinamismo de la ciudad de Beirut. En su sección de Investigación e Innovación se presenta un sensor tridimensional de objetos para el automóvil y los chips desechables de plástico, que amenazan con invadir todo tipo de productos, los que prometen agilizar las compras y proteger contra la piratería. Un vistazo al ciclo completo del papel se ofrece en la sección de Empresas y Mercados. En otro artículo podemos enterarnos que para desarrollar un plaguicida para proteger las plantas contra la mosca blanca fue necesario realizar 100,000 ensayos antes de lograr el éxito. El artículo Ciudad Emergente indica que el monje con celular es el símbolo del nuevo Pekín, ciudad en la que el gobierno Chino está invirtiendo sumas millonarias para establecer laboratorios de vanguardia y recuperar a los científicos emigrados. e-mail: new-world@hoca.de suscripciones: Nwreaderservice@hoca.de (MHR) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No.13 La revista Sound & Communications es una publicación en inglés dedicada a los integradores, contratistas y consultores en las áreas de audio y comunicaciones. Se publica mensualmente y se distribuye en forma gratuita entre los especialistas que acrediten su relación laboral con el tema central de la revista. En cada número de esta publicación aparece información sobre próximos eventos, nuevos productos, novedades bibliográficas, páginas de Internet, reportajes de los principales eventos y congresos, entrevistas y por supuesto artículos técnicos sobre los últimos desarrollos. En todos los números aparecen descripciones de proyectos en los que se analizan los diseños o rediseños de sistemas de audio y comunicaciones en diferentes tipos de espacios arquitectónicos, desde iglesias hasta parques de diversiones. Por ejemplo en el numero 6 del volumen 47 correspondiente a junio del 2001 se analizan los casos de la Opera House de Aspen, Colorado, el Goodman Theatre de Chicago y el Newport Music Hall. Para información puede contactarse a Sound & Communication en el Fax (516) 767-9335 o al email soundcom@testa.com (FJEG) 67 �Acuse de recibo AVANCE Y PERSPECTIVA CIENTÍFICA ESIME Sabe usted: ¿Cómo y dónde se origina un huracán, tifón o ciclón? ¿Cuáles han sido los más dañinos? que El Gilberto es el que tiene registrada la más baja presión atmosférica, que hubo uno que destrozó la isla y la ciudad de Galveston y que un huracán puede consumir la energía de varias bombas atómicas por segundo. La revista Científica ESIME es el órgano de divulgación científica de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional. Su número 22 está dedicado al tema de la mecánica fractal de la fractura. Los diferentes artículos presentados resumen los trabajos del grupo de mecánica fractal del ESIME. A. Balankin expone el estado del arte en el artículo Mecánica de la Fractura: pasado, presente y futuro. Otro artículo expone el comportamiento fractal de sistemas complejos, donde se describen y analizan las propiedades de escalamiento de interfases en medios desordenados. Una interesante aplicación al análisis de ductos para prevenir sus fallas se expone en el trabajo mecánica de la Fractura Probabilística para Análisis de Integridad de Oleogasoductos. Otros temas que se abordan son la modelación de flujo de petróleo en medios porosos y la aplicación de la mecánica fractal en la inspección de soldaduras en la central nuclear Laguna Verde. De todo esto nos habla Luis Capurro en la revista Avance y Perspectiva, órgano de difusión del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, en su número de julio agosto de 2001 correspondiente a su aniversario número 20. Además, Luz Manuel Santos Trigo escribe acerca del Potencial didáctico del software dinámico en el aprendizaje de las matemáticas, de Biofísica José M. Méndez A, y otros interesantes artículos. Correo electrónico avance@mail.cinvestav.mx Pagina en Internet: http://www.cinvestav.mx/webelect/avance.html (JCM). La revista es bimestral, mayor información: http//www.esinez.ipn.mx/científica/revista.html (MHR) 68 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2001, Vol. IV, No.13 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2001 Volumen Volumen de la revista 4 Número Número de la revista 13 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2001, Vol 4, No 13, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Méndez Cavazos, Julio César, Editor Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2001 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020776 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores FIME Gamitadera Quitina Quitosán Reflectómetro Revolución industrial https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20735/Ingenierias_2001_Vol_4_No_12_Julio-Septiembre.pdf f5e98982797a2d81491486edbc47506f PDF Text Text ����Editorial Docencia e Investigación Rafael Colás Ortíz* Las actividades de docencia e investigación que se llevan a cabo en las diversas instituciones académicas nacionales se basan en criterios obsoletos, que sería deseable modificar para mejorar las condiciones de trabajo y la productividad académica. Por ejemplo, es práctica común dividir las actividades académicas en aquellas de docencia y las relacionadas con la investigación, sin considerar su posible interacción. Bajo este esquema se considera normal que un profesor se dedique en exclusiva a impartir clases o supervisar trabajos de laboratorio, sin tratar de generar nuevos conocimientos, y la actualización del conocimiento se limita a la consulta de textos. De igual forma, se supone que un investigador es aquel académico que se dedica en exclusiva a satisfacer su curiosidad científica y su mayor preocupación es que los resultados de sus labores se publiquen en revistas especializadas. Así nos hemos acostumbrado en México a tener escuelas, facultades y universidades dedicadas exclusivamente a la impartición de clases, ya sea para la obtención de un grado académico, un diplomado o un curso de actualización, y centros de investigación, en los que su personal se dedica a la búsqueda del conocimiento, y entre ambos tipos de instituciones existe una total separación. Otra práctica común en nuestro entorno es la de considerar como investigación válida a aquella que solamente busca satisfacer la curiosidad científica, sin importar el uso que se le dé, si es que se le encuentra alguno. Bajo este esquema toda clase de investigación aplicada o de desarrollo tecnológico se vuelve espuria y, como tal, no es bien vista por la comunidad científica. Sin embargo, la ingeniería busca soluciones a problemas cotidianos que permiten el progreso y mejora de la sociedad, por lo que la aplicación del conocimiento es de primordial importancia. * Profesor Investigador del Programa Doctoral en Materiales de la FIME-UANL. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 3 �Por otro lado en los países con progreso científico, tecnológico y económico evidente, como Estados Unidos, Japón, y Alemania, por mencionar algunos, en sus modelos académicos contemplan una fuerte interacción entre la docencia y la investigación. De esta forma el investigador se convierte en docente, al dictar cursos enriquecidos por sus propias vivencias y resultados, y el docente en investigador, al proponer líneas que persigan la generación de nuevos conocimientos. Por los motivos antes mencionados, el sistema educativo mexicano, debe establecer las bases para lograr un entorno en el que las labores de investigación y docencia sean cubiertas por todo el personal académico. Este esquema tiene la ventaja adicional de que la actualización se incorpora día con día, dado que los conocimientos se generan no sólo a partir de lecturas o consultas a revistas o memorias de eventos especializados, sino con las deducciones y observaciones realizadas por el académico y sus estudiantes. La ventaja adicional de un esquema en el que la investigación se acopla a la docencia con el fin de llevar a cabo trabajos de interés para su entorno social o industrial, es la posibilidad de multiplicar los resultados al incorporar estudiantes, ya sea a nivel licenciatura o posgrado. Además el combinar la docencia con la investigación producirá en los estudiantes un efecto motivador al hacer menos monótona la educación y darle sentido a lo aprendido, al utilizarlo para resolver problemas de su entorno. Otro punto adicional a tomar en cuenta en las investigaciones o trabajos con alcances pragmáticos es la capacidad de atracción de recursos frescos, con los que es posible asegurar las demandas de material de consumo o de refacciones que demanda la búsqueda del conocimiento. De esta forma, se podrá convertir el círculo vicioso de falta de resultados por carencia de recursos, a uno virtuoso, en el que los resultados, que emanan de la dupla investigación-docencia, traen consigo el financiamiento de más y mejores proyectos. 4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Del mercado al gigantismo♦ Gabriel Zaid* Así como la revolución urbana de la antigüedad facilitó los contagios y epidemias, la revolución comercial de la Edad Media facilitó la transmisión de fluctuaciones económicas.♦Producir para el consumo local en los feudos y monasterios no estaba a salvo de calamidades naturales, pero sí de las comerciales: los cambios violentos en los precios y volúmenes de la oferta y la demanda. Producir para el mercado y entrar a una economía monetaria creaba oportunidades, pero también el riesgo de quedarse con producción invendible (o vendida a precios incosteables); el riesgo de quedarse sin abastecimientos necesarios (o comprados a precios abusivos). La primera defensa contra las fluctuaciones fue la organización horizontal de las actividades en gremios de productores, comerciantes, banqueros, que regulaban el mercado: quiénes estaban autorizados a participar, cómo se pasaba de aprendiz a maestro, cuáles eran los días festivos, qué operaciones estaban prohibidas, cómo fijar un precio justo. Después surgió la organización vertical de las operaciones, por medio del capital, cuando algunos mercaderes concentraron los recursos necesarios para tener el control del mercado. Y llegó, finalmente, la intervención estatal, cuando el poder disperso de feudos y señoríos locales se concentró en el Estado moderno. producir por cuenta y riesgo del productor, sin saber cómo*van a estar los precios y volúmenes requeridos por el mercado a la hora de tener la cosecha o los productos, renunciar al mercado libre y pasar a un mercado controlado por el capital puede ser muy atractivo. Mercado y capitalismo son fenómenos diferentes y en buena parte opuestos, como lo ha mostrado el historiador Fernand Braudel (La dinámica del capitalismo). No sólo nacen en momentos distintos, sino en lugares distintos de la sociedad. El mercado nace a fines de la Edad Media, en los bajos fondos sociales: en lo que hoy llamaríamos la economía subterránea. El capitalismo no es el mercado, sino el control del mercado. Nace unos siglos después, en el Renacimiento, en las cumbres de la sociedad: entre las grandes familias que tienen recursos, relaciones, prestigio, audacia y sueños de grandeza para organizar mercados de mayoreo, mercados de capitales, mercados de voluntades, alianzas políticas, matrimoniales, eclesiásticas, que rebasen el mercado local hacia todos los confines del mundo. Todavía después, cuando las grandes familias rebasan la ciudad Estado y organizan el control El capitalismo fue comercial antes que industrial. Empezó por organizar la producción independiente de pequeños productores, como se hace hasta hoy: encargándoles producción, por cuenta y riesgo del capitalista. Es decir: financiando a los pequeños productores y sacándolos del mercado libre, a cambio de garantizarles la compra, el precio y el volumen. Si se considera el riesgo de ♦ Artículo publicado en la Revista Letras Libres de marzo 2001 y reproducido con permiso del autor. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 * Poeta y analista político. 5 �Del mercado al gigantismo político de grandes territorios, aparecen el poder absoluto y el Estado mercantilista, que empieza a despojar a los gremios de poderes regulatorios, centraliza las reglas y establece monopolios oficiales controlados verticalmente, en su propio beneficio y el de las grandes empresas concesionarias. También establece leyes asistenciales, como paliativo al daño que sufren los gremios. Por último, en el siglo XX, aparece el Estado soviético, un intento fallido de suprimir el mercado, estatizar todas las actividades y dirigirse al paraíso, bajo una dictadura totalitaria. Sin el control de los mercados no puede haber grandes centros de producción. Sin el capitalismo comercial no puede haber capitalismo industrial. Pero lo distintivo de la revolución industrial de los siglos XIX y XX no fueron las fábricas, la vida urbana, la orientación hacia el futuro, la creación de mercados internacionales, el desarrollo tecnológico o el capitalismo global, todo lo cual se intensificó, pero ya existía. La verdadera novedad es el aprovechamiento de la energía fósil: primero el carbón de piedra, después el petróleo y el gas. Sin la energía fósil, la concentración física de la producción no habría llegado tan lejos. consumo de energía por hectárea se multiplicó miles de veces. La concentración de la producción en grandes centros de trabajo se facilitó por el transporte rápido y barato de carga y personal por tren, canales, carreteras, mar y aire. Desde la edad de piedra hasta la domesticación del fuego, toda la energía consumida por la especie humana provenía de los alimentos. La energía adicional obtenida quemando leña y carbón vegetal, desde entonces hasta el siglo XVIII, fue menor a la energía fósil consumida en los siglos XIX y XX. En doscientos años se hizo mayor consumo que en medio millón. Lo que antes se consumía en un milenio ahora se consume en meses. El desarrollo productivo hasta el siglo XVIII fue una prolongación del medieval, como puede verse en las ilustraciones de la Enciclopedia o diccionario razonado de las ciencias, las artes y los oficios de Diderot. Las máquinas más aparatosas de los obrajes eran movidas por la fuerza hidráulica o la fuerza del viento. Las embarcaciones se movían con velas y los carruajes con caballos, también usados en la agricultura y en la operación de muchas máquinas. Para hornos y fundiciones se usaba carbón vegetal. La energía barata le dio una productividad desconocida al homo faber. La producción por hectárea agrícola y por hectárea urbana se multiplicó decenas de veces, gracias a que el 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Gabriel Zaid La oportunidad para el carbón mineral apareció, precisamente, cuando la tala de bosques para hacer leña y carbón produjo un desastre ecológico en Inglaterra. Dadas las circunstancias, pareció que la fuente de energía renovable se había agotado y que abundaba la que de hecho no es renovable. Una segunda circunstancia importante fue el aprovechamiento de las propiedades termodinámicas del vapor en las minas de carbón, que se volvieron indispensables, pero se inundaban. El vapor al enfriarse se contrae, propiedad aprovechada por Thomas Newcomen (1663-1729) para producir un vacío que subiera el agua del fondo de las minas. Esto dio origen a una serie de máquinas de vapor que convertían el enfriamiento en un movimiento giratorio, aprovechando el mecanismo medieval de la biela-cigüeñal. En esta solución, el vapor mismo es sólo un elemento de transmisión de La Potencia motriz del fuego (1824), como la llamó Sadi Carnot. Después se inventaron las máquinas de combustión interna, donde el fuego no transmite energía al agua de una caldera, para que el vapor transmita esa energía al movimiento de un émbolo, sino que el fuego se produce directamente en el cilindro y empuja el émbolo, como la pólvora al estallar en el cartucho empuja la bala, o como el viento (con la energía del sol) empuja la vela. Las grandes concentraciones de personal en lugares de trabajo fuera de su casa eran relativamente raras y de escala modesta, antes de la revolución industrial. En la construcción de las pirámides de Egipto, en las grandes minas griegas y romanas trabajadas con esclavos, en los grandes talleres de las casas reales, nunca se vio lo que hoy ni llama la atención en la ciudad de México: que más de veinte mil personas vayan todos lo días a un edificio de oficinas de Petróleos Mexicanos, y que la mayoría no viva al lado, o a cientos de metros, sino a kilómetros. Lo que no ha cambiado desde la revolución urbana es que el mayor número de centros de trabajo sigue siendo de escala familiar. La gran diferencia está en la distancia recorrida de la casa al trabajo (que entonces era prácticamente cero y ahora puede llegar a decenas de kilómetros) y en la escala que han alcanzado los grandes centros de trabajo (que antes reunían a cientos de personas y ahora reúnen a decenas de miles). Max Weber cuenta en su Historia económica general que, a mediados del siglo XVI, una fábrica inglesa de doscientos telares (que, hoy sería nada) “era presentada como una maravilla del mundo”. ¿Por qué la concentración no llegó a más, antes de la revolución industrial? Porque no había el Los molinos de viento tienen que instalarse donde hay corrientes de aire; los de agua, donde hay corrientes de agua; las minas, donde hay yacimientos. Pero la producción artesanal puede instalarse en cualquier parte, y durante milenios se hizo en casa. La mayor parte de la población urbana no salía de su casa a trabajar en otra parte. El hogar no era un dormitorio, sino un centro de vida y producción. Los artesanos vivían en el taller, los comerciantes en la tienda, los sacerdotes en la iglesia, los médicos en el consultorio, los notarios en la notaría. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 7 �Del mercado al gigantismo subsidio de la energía fósil. Se había llegado al tope del consumo de leña y carbón permitido por la reproducción de esa energía renovable. Y la energía muscular de las personas y de los animales también tenía topes de reproducción: los alimentos (producidos con la tecnología de entonces), como señaló Malthus en su Ensayo sobre el principio de la población (1798). El gigantismo es deficitario, y tiene que ser subsidiado. Las maravillas del mundo antiguo fueron subsidiadas con trabajo esclavo o servil. Pero la explotación del hombre por el hombre no era tan rentable, como lo han mostrado los historiadores de la esclavitud. Hay que alimentar a los que producen alimentos, hay que protegerlos de la intemperie, hay que vigilarlos; y, aunque se gaste lo menos posible, el margen neto puede ser bajo o negativo. Por eso, lo que los economistas clásicos llamaron el sector improductivo (la corte, el ejército, el clero, las profesiones, la burocracia, los administradores, los rentistas, los prestamistas) nunca representó un porcentaje importante de la población, antes de la revolución industrial. No sólo eso: los lujos faraónicos, los lujos asiáticos, los 8 lujos de las cortes europeas, las terribles desigualdades entre la mayoría y la minoría, resultan insignificantes frente a los lujos y desigualdades que trajo la revolución industrial. La voluntad de poder y de gloria que construye imperios y monumentos, el deseo de imponer cierta racionalidad visible (cuando menos, a los ojos de quien la impone), el afán de distinguirse, la concentración de los recursos y de los ingresos, nacieron con la revolución urbana y crecieron con la revolución comercial, hasta el tope de la energía renovable. Este límite pudo ser rebasado con el carbón de piedra, el petróleo y el gas. Así fue posible el gigantismo de la revolución industrial, la piramidación vertiginosa del poder y los recursos, la aplastante burocratización del mundo en el siglo XX. No por la explotación de la mano de obra tan barata, como creía Marx, sino por la explotación del capital barato: las reservas de energía fósil, los acuíferos, los yacimientos de materias primas, las reservas biológicas, las inversiones físicas amortizadas, los créditos blandos, el patrimonio cultural de obras creadoras, inventos y conocimientos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Las ingenierías y la administración de tecnología Miguel A. Palomo González* Abstract In the near future we will see the consolidation of the knowledge society, whose interacting traits include globalization, information flow, diffusion of technological developments, as well as a great variety of materials, processes, products and service applications. In this context, companies, engineers and universities are facing their own challenges. The field of management of the technology is one were engineers´ skills such as creativity, innovation, entrepreneurship and team work are of great importance in problem solving. Engineers, more then any other professional, must develop a literacy in Management of Technology, as a key to success in the knowledge society. Palabras clave: Administración, Competencia, Estrategia, Ingeniería, Instituciones de Educación Superior, Tecnología. LAS INGENIERÍAS EN EL SIGLO XXI Desde la década de los 50’s hasta nuestros días, los empresarios han expresado su continua preocupación por los ciclos económicos y su impacto en la supervivencia de la empresa, es decir, enfoques hacia la reducción de costos, la productividad, la calidad, los tiempos de entrega, o la competencia agresiva, han sido comunes. En la última década se han manifestado, o han tomado igual importancia, más “fantasmas” que amenazan la supervivencia y crecimiento del negocio, tales como: la automatización, las certificaciones, la reducción del ciclo de vida de los productos, la conservación del medio ambiente, el desarrollo de nuevos productos, la falta de Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 financiamiento* accesible y la globalización (productos, mercados, competencia), entre otros. Podemos afirmar que la empresa siempre ha estado bajo presión y requiere constantemente de personal calificado para afrontar sus retos día a día. Por otro lado, este siglo XXI está marcado por un crecimiento del flujo de información y de tecnologías de información gracias a la masificación de las computadoras y su potencial como herramienta de trabajo, pero también consolida una “edad de oro de la ingeniería”1, en la que los ingenieros tenemos una responsabilidad profesional y junto con las instituciones de educación superior (IES) tenemos un compromiso social que cumplir.2 EL INGENIERO Y SUS HABILIDADES PROFESIONALES EN LA EMPRESA En principio, cuando un ingeniero se integra al mercado laboral, su contratación está determinada * Es Profesor de la Jefatura de Ingeniería Industrial, en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. e-mail: mpalomo@ccr.dsi.uanl.mx 9 �Las ingenierías y la administración de tecnología por tres características importantes: la orientación al trabajo (conjunto de actitudes, creencias y preferencias personales), las destrezas (las habilidades y aptitudes que requiere el puesto) y los conocimientos (la información, el aprendizaje y la comprensión, el juicio y la profundidad que proviene de la información y de aprender a utilizarla). Las destrezas en general se adquieren por medio de la capacitación y se perfeccionan con la práctica. Por su parte los conocimientos en general se adquieren por medio de la educación y se modifican con la experiencia. Destrezas y conocimientos constituyen el contenido que un trabajador aporta al puesto.3 Sin en una economía globalizada, caracterizada por cambios rápidos y por una revolución de la información, el ingeniero requiere de nuevas capacidades y destrezas en la procuración y apropiación de conocimientos nuevos, tanto técnicos como científicos y de gestión, para la creatividad en el abordaje de los problemas y para la excelencia en los métodos de trabajo.4,5 Lo anterior hace obsoletas las distinciones académicas tradicionales sobre habilidades de lectura, de comprensión, de pensamiento crítico y creativo para informarse, dando así origen al nacimiento de tres dimensiones clave e integradas de competencia para informarse en el futuro ingeniero: una capacidad cognoscitiva, una capacidad tecnológica y una capacidad para documentarse (la habilidad para encontrar y recuperar información). Tener “competencia para informarse” es tener la habilidad para encontrar, leer, analizar, interpretar y aplicar la información con discriminación crítica para construir y comunicar sus conocimientos. 6 Si desarrollamos en nuestros futuros ingenieros una competencia para informarse, es muy probable que se desempeñen mejor en sus puestos de trabajo en aquellas actividades que requieran inferencias e 10 interpretaciones sobre problemas tecnológicos donde la respuesta requiere ser construida, más que ser encontrada.7,8 En un sentido estricto y en el contexto de la sociedad del conocimiento, desarrollar la “competencia para informarse” es desarrollar la “competencia tecnológica” del ingeniero, al mismo tiempo que se requiere una, emerge la necesidad de desarrollar la otra. Por ejemplo, en los Estados Unidos, en 1988 se estimó en general una demanda no satisfecha de 340,000 empleos tecnológicos por falta de personal competente9, en el 2000 se estimó en el área de la informática que la demanda no satisfecha era de 268,000 empleos, también por falta de personal competente en la industria de servicio y soporte técnico, representando un reto para la empresa el encontrar personas competentes para este tipo de puesto.10 Pero el problema de contar con personal competente tecnológicamente no es exclusivo del área de informática, también ocurre en otras áreas profesionales como mercadotecnia y en el área contable y expresan su necesidad de que el medio laboral requiere empleados con fuertes competencias tecnológicas en una nueva economía dirigida por la tecnología.11-14 EL INGENIERO Y LA ADMINISTRACIÓN DE TECNOLOGÍA El siglo XXI considerado como la “era tecnológica” también está considerado como la “era de oro de los ingenieros” por requerir una importante competencia tecnológica, ofreciendo una posición privilegiada a los ingenieros que la posean, además de los conocimientos básicos en química, física y matemáticas. Bajo este esquema y en un sentido amplio, tener “competencia tecnológica” es tener los conocimientos y habilidades para entender, Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 �Miguel A. Palomo González hacer uso y tomar decisiones acerca de la tecnología.15 Entendemos por tecnología el conjunto de conocimientos en la forma de materiales, procesos, maquinaria y equipo, métodos, procedimientos, productos, servicios, y el “saberhacer”, desarrollados con el fin de mejorar el nivel de vida del hombre. En el caso del área de administración de tecnología, más que en otras disciplinas profesionales, la “competencia tecnológica” es el factor clave en el éxito y preparación del futuro Ingeniero. De una manera implícita, lo que se requiere o demanda, es que las IES integren en el diseño curricular la administración de tecnología, para que el ingeniero posea los conocimientos y las destrezas para “construir” soluciones relacionadas con: la ingeniería y la tecnología de manufactura, el mercado de las tecnologías, la planeación de la investigación aplicada, el impacto de la tecnología, la evaluación de proyectos tecnológicos, las estrategias tecnológicas, las auditorías tecnológicas, para trabajar con grupos interdisciplinarios, y la estrategia del negocio. Sin embargo, y si somos optimistas, pocos de estos temas se formalizan en el diseño curricular del Ingeniero. ¿QUIÉN DEBE ADQUIRIR COMPETENCIA TECNOLÓGICA? DICHA Corresponde a los tres actores, empresa, ingenieros e IES, el desarrollar una competencia tecnológica y digamos que en el pasado se cumplió con la tarea, si no excelentemente al menos de manera efectiva. De tal forma que la empresa preocupada por producir y vender (en ese orden), se limitó a capacitar; el ingeniero se puso a hacer bien lo que se le enseñó; y las IES a preparar los pocos ingenieros que pedía un mercado laboral con necesidad de “más manos disponibles” y “menos mentes activas”.16 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 En la última década, en la empresa se habla del capital intelectual y de la empresa que aprende, sin embargo, su orientación hacia el “cuidar y desarrollar el capital intelectual” tardará en madurar, ya que por el momento la empresa está altamente preocupada por el enfoque “downsizing” o reducción de los niveles organizacionales, por combatir la competencia internacional en el mercado local, y pagando financieramente para recuperar la parte del mercado que la competencia internacional logró por medio del “caballo de troya” en forma de “alianza estratégica”; el ingeniero en su afán de cumplir con los compromisos y responsabilidades que requiere el puesto se actualiza personalmente, desarrolla sus propias fuentes de información y su propia biblioteca con el fin de desarrollar sus competencias tecnológicas, desafortunadamente en un medio que cambia mucho más rápido que lo que alcanza a comprender. En las IES el panorama es otro en el desarrollo de la competencia tecnológica del ingeniero, veámoslo en tres niveles de complejidad: a).- A nivel profesional: cuando uno va a la empresa y existe la necesidad de innovar y desarrollar una tecnología, nuestro reto es encontrar “buenos ingenieros”, con sólidas bases en ciencias aplicadas y con un valor agregado en administración de tecnología. Por ejemplo, en 1998 se estimó en 11 �Las ingenierías y la administración de tecnología 1’598,340 la población escolar nacional de educación superior (licenciaturas y normal); las licenciaturas representaron 1’392,048 de la población y las 10 licenciaturas más pobladas agruparon el 58.5% de la categoría; dentro de las 10 licenciaturas más pobladas, las ingenierías están representadas por las carreras de ingeniero industrial (3.6%), ingeniero electrónico (2.5%), ingeniero en sistemas computacionales (2.2%), ingeniero civil (2.2%) e ingeniero mecánico (1.4%), representando un 11.9% del total de la población escolar en las licenciaturas.17 b).- A nivel de la administración de tecnología: los programas de diplomados y cursos se limitan a “comentar” las herramientas necesarias para “administrar”, pero no se desarrolla una “competencia tecnológica”, ni los conocimientos y destrezas necesarias para evaluar y construir soluciones para desarrollar una tecnología competitiva. El participante termina con más herramientas de administración, con la percepción de que los tecnólogos son otros y, en el mejor de los casos, con una “introducción” al concepto de administración de tecnología. c).- A nivel de liderazgo (suponiendo que el liderazgo se desarrolla), baste analizar el contenido de un diseño curricular para darnos cuenta que generamos no-líderes. Desarrollamos especialistas, con deficiencias a nivel de visión, espíritu emprendedor, capacidades para diseñar negocios, capacidad de transmitir el conocimiento (oral o escrito) a otros, y sin la sensibilidad para administrar el cambio y trabajar con el factor humano. Independientemente de la responsabilidad que corresponde a la empresa en formar sus propios empleados con una competencia tecnológica y del ingeniero en aumentar sus conocimientos tecnológicos, la tarea social de las IES no se 12 minimiza, se incrementa y se vuelve más critica, ante la amenaza constante de que los contenidos curriculares se vuelvan tecnológicamente obsoletos al instante en que el ingeniero se incorpora al mercado laboral, ante un medio con una dinámica tecnológica continua, una obsolescencia corta de procesos y productos, que exige mayores eficiencias y economía energética, y una regulación ecológica cada vez más severa. Por el momento, sus conocimientos en ciencias aplicadas no están en duda, los programas curriculares se han estado actualizando y especialistas en ciencias aplicadas existen en las empresas y organizaciones. Es la componente “administración de tecnología” la que falta; digamos que se forman ingenieros con un 50% de “competencia tecnológica” (100% en ciencias aplicadas = 50% en competencia tecnológica). Debemos re-inventar el egresado de las carreras de ingenierías, incorporando en el diseño curricular la administración de tecnología, la cual permite el desarrollo de las destrezas y conocimientos que requiere el ambiente laboral en el futuro cercano y abandonar el paradigma del egresado “dependiente, poco creativo, con problemas para tomar decisiones, para interactuar con otras personas y para enfrentar la auto-superación constante”.18 Nos falta interrelacionar la competencia o conocimientos en ciencias aplicadas con los objetivos y estrategias del negocio, esto implica pensar globalmente, tener una responsabilidad social, tener empatía con las personas, más orientación a aprender, a dirigir grupos de tecnología, a usar eficientemente la tecnología, y ser más competitivos. Por otra parte, desarrollar la capacidad de pensar críticamente, de resolver los problemas creativamente, con pensamiento innovador, saber vivir en un contexto que cambia rápidamente y saber adquirir o apropiarse del Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 �Miguel A. Palomo González conocimiento de numerosas fuentes de información y con diferentes perspectivas o enfoques.19,20 A nivel de la toma de decisiones, nos ha faltado incorporar en el diseño curricular las destrezas o habilidades para colectar y analizar información, para saber definir o identificar el problema, generar alternativas de solución, hacer recomendaciones e implementar y actuar en las decisiones tecnológicas y de negocios.21 Para completar la competencia tecnológica actual, debemos incorporar en el diseño curricular las destrezas y conocimientos que van mas allá del enfoque (reducido) hacia una competencia en tecnología de la información o informática.22 Tener una “competencia tecnológica” es tener una “competencia en administración de tecnología”, es poder desarrollar una tecnología competitiva, es poseer los conocimientos sobre: • La razón de ser de la tecnología: variables funcionales, ciclo de vida, investigación aplicada y solución de problemas, su mercado y tecnologías substitutas o similares, la habilidad para evaluar diferentes tecnologías con aplicaciones similares. • Los efectos de la tecnología: cultural, social, económico, político y ambiental. • Diseño e ingeniería de procesos, productos y servicio: en este sentido “diseño” va mas allá de los principios de diseño industrial tradicional, implica además reestructurar negocios, administrar la propiedad intelectual, búsqueda de financiamiento, y construir nuevas maneras de organización.23 • La habilidad para inventar e innovar formas de aplicar la tecnología en nuevas situaciones de reto. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 • Tener conciencia sobre los conocimientos y destrezas profesionales relacionadas con la tecnología, y de los factores críticos para el éxito. A nivel del ingeniero, tener “competencia en administración de tecnología” es conjuntar, con un enfoque holístico, los conocimientos tecnológicos (sobre materiales, procesos, productos, servicios y aplicaciones) con los conocimientos en ciencias de la decisión y los conocimientos de negocios, con el objetivo de desarrollar una tecnología competitiva. Es una necesidad del presente: el administrador necesita entender la tecnología y el tecnólogo entender el negocio.24 La pregunta es ¿queremos que el ingeniero tenga más influencia en las decisiones de los negocios?. Finalmente, para lograr tales niveles de formación, faltaría proporcionar a los estudiantes una adecuada infraestructura educativa: tiempo adecuado en aulas, un acervo bibliográfico rico en material de aprendizaje, espacios “amigables” para la creatividad, y acceso a maestros con competencia tecnológica. 13 �Las ingenierías y la administración de tecnología REFERENCIAS 1. Anagnostopoulos, C. N., Williams, L. A., “Few gold stars for precollege education”. IEEE Spectrum, April 1998, 10 p. 2. UANL, “Visión 2006”. Marzo 2000. 3. Manganelli, R. L., Cómo hacer reingeniería. Grupo Editorial Norma, 1995, p. 173 4. Fernándes Zayas, J. L., “Notas para una nueva ingeniería mexicana”. Ingenierías, Sept.-Dic. 1999, vol. II, no. 5, pp. 22-27 5. ANUIES, “La Educación Superior en el siglo XXI”. Marzo 2000. 6. Editorial, “Past meets the future”, Reading Today, Aug. 2000, 4 p. 7. Mckenzie, J., “Winning with information literacy”. Technos: Quarterly for Education and Technology, Spring 2000, 9 p. 8. Pritchard, R., “Integrating reading strategies into the accounting curriculum”. College Student Journal, March 1999, 5 p. 9. Gladis, S., “Technical literacy: essential new tool for society”. Washington Business Journal, May 4 1988, 4p. 10. Computing Technology Industry Ass., “Major Industry Association comments on technical literacy gap”. Business Wire, July 6, 2000, 2 p. 11. 15. Anagnostopoulos, C. N., Williams, L. A., “Few gold stars for…”, op.cit. 16. Anagnostopoulos, C. N., Williams, L. A., “Few gold stars for…”, op.cit. 17. ANUIES, “Anuario estadístico de ANUIES 1980-1988”. 18. Molina Álvarez, “Problemática actual en la enseñanza de la ingeniería: una alternativa para su solución”. Ingenierías, Abril-Junio 2000, vol. III, no.7, pp. 10-15 19. Palomo González, M. A., “El Proceso Marketing-Innovación como fuente de ideas creativas”. Ingenierías, vol. III, no.8, Jul-Sept. 2000, pp. 41-48 20. ANUIES, “La Educación Superior”, op. cit. 21. Ulrich, D., “Intelectual Capital = competences x commitment”. Sloan Management Review, Winter 1998, 15 p. 22. Charp, S., “Technical literacy: where are we”. T.H.E. Journal, Oct. 1999, 3 p. 23. McClenahen, J. S., “The effective executive”. Industry Week, June 7, 1999, 5 p. 24. Jacobs, P., “Manager or techie?”. InfoWorld, March 8, 1999, 2 p. Hawkins, D. T., “New York business information conference”. Information Today, Jan. 2000, 4 p. 12. Wainwright, F., “Careering ahead”. Marketing Week, Oct. 29, 1998, 3 p. 13. Pritchard, R., “Integrating reading ” op. cit. 14. Brown, C. M., “Yearning to increasing your earnings”. Black Enterprises, Sept. 2000, 7 p. 14 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 �Fractales: fundamentos y aplicaciones Parte II. Aplicaciones en Ingeniería de materiales Carlos Guerrero, Virgilio González* Abstract In the second part of this article about fractals, we focus our attention in the application of this tool to the analysis of surface phenomena such as fracture, roughness, crack propagation, etc. obtained results on fracture surfaces of plastic materials and aluminum are presented. Keywords: plastic, aluminum, self-affinity, fractal, roughness, fracture surface En la primera parte de este artículo y con la intención de lograr una mejor comprensión de diversos fenómenos de la naturaleza, se introdujeron los fundamentos de la geometría fractal, estableciéndose ésta como un complemento a la geometría euclidiana. Conceptos como dimensión fractal, auto-similitud y auto-afinidad fueron utilizados para explicar características de escalamiento de diferentes sistemas. El objetivo de esta segunda parte consiste en la aplicación de estos conceptos en el análisis de algunos fenómenos que se presentan en la superficie de los materiales, ejemplos, fractura, rugosidad, propagación de grietas, etc. Este trabajo se enmarca dentro de una de las líneas de investigación que se desarrollan en el Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales (DIMAT) de la FIME y en la cual trabajan desde hace algunos años varios investigadores y estudiantes del Programa. ANTECEDENTES De la superficie de los materiales dependen muchas de sus propiedades, ejemplo adhesión, fricción, desgaste, permeabilidad, etc. En efecto, Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 son las superficies las que están en contacto con el medio ambiente, y por mucho, son las interacciones existentes entre* ambas las responsables del comportamiento de los materiales. La información que se puede extraer de la superficie se puede relacionar con la microestructura y de ahí con las propiedades mecánicas del material. En el caso particular de la fractura de superficies, el análisis de la misma se realiza normalmente mediante la fractografía, la cual puede proporcionar entre otras cosas, el origen de la fractura, la dirección de propagación, el tipo de carga que la causó, etc. El técnico que realiza la fractografía utiliza una combinación de su experiencia y patrones de referencia (fractogramas) para identificar las características más sobresalientes de la superficie de fractura. Cuando la fractura no se ajusta a un patrón reconocido, el proceso de análisis puede ser muy difícil y altamente subjetivo. * Doctorado en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL. 15 �Fractales: fundamentos y aplicaciones Parte II. Aplicaciones en Ingeniería de materiales Las superficies de fractura usualmente consisten en una colección de patrones repetidos, ejemplos, fracturas, fisuras, estrías, hoyos, maclas, defectos intergranulares, etc. La fractografía cuantitativa pretende traducir estas características a una forma paramétrica, y es ahí donde la geometría fractal tiene cabida, ya que una de las técnicas más utilizadas en la actualidad para el análisis de fractura se basa en la obtención de los perfiles de la superficie generados durante dicha fractura, los cuales a su vez se pueden caracterizar mediante el exponente de auto-afinidad o de rugosidad, parámetro que, de acuerdo a lo establecido en la parte I de este documento, es característico de un sistema autoafín y por ende íntimamente relacionado con la dimensión fractal. Con la llegada del Microscopio de Fuerza Atómica, AFM por sus siglas en inglés, el análisis de la superficie de materiales no conductores se mejoró notablemente. Esta técnica permite la medición de los perfiles de altura generados en las superficies de los materiales en escalas que van desde los nanómetros hasta varios cientos de micras. A continuación se discutirá el comportamiento autoafín que presentan las superficies de fractura de algunos plásticos y del aluminio. Todos los perfiles de altura analizados se midieron con el AFM sin ningún control sobre la carga aplicada. Los datos topográficos se obtuvieron utilizando un AFM en modo contacto variando la longitud del barrido desde 2.3 hasta 10 micras. Para cada imagen se analizaron al menos 100 perfiles de 512 pixeles cada uno. Ver figura 1. El exponente de rugosidad promedio se calculó utilizando el método de ventanas de ancho variable. En este método, un perfil de longitud L se divide en ventanas o “bandas” cuyo ancho es r. Se calcula la desviación estándar de las alturas, σ(i), obteniéndose el promedio de todas las bandas posibles al variar el origen, siempre con r constante, de acuerdo a la ecuación (1) ( Nd )∑ σ (i) W (r ) = 1 Nd (1) i =1 donde Nd es el número de puntos. El exponente de rugosidad ζ se obtiene de un gráfico logarítmico de W(r) –vs- r de acuerdo a la ecuación (2) W(r) ≅ r ζ (2) RESULTADOS Superficies de fractura en polipropileno y poliestireno Los materiales bajo estudio fueron polipropileno semicristalino, PP, y poliestireno amorfo, PS. Se prepararon varias muestras al hacer pasar estos materiales por un capilar; dichas muestras se sumergen en nitrógeno líquido alrededor de 15 minutos para después fracturarlas mediante flexión 16 Fig. 1. Ejemplos de perfiles de alturas generados con el Microscopio de Fuerza Atómica. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Carlos Guerrero, Virgilio González En la figura 2 se puede ver una imagen típica en (3-D) de una superficie de fractura de PP. Se observa claramente la irregularidad de la superficie a diferentes longitudes de barrido. En ambos casos, los exponentes medidos concuerdan muy bien con el proclamado exponente universal de 0.8 reportado para superficies de fractura de materiales no poliméricos. Fig. 2. Imagen del AFM que muestra la superficie de fractura del polipropileno. El análisis de autoafinidad se efectuó sobre todos los perfiles de alturas, algunos de los cuales se muestran en la figura 3. Los resultados de este análisis se presentan en la figura 4.a para las superficies de fractura del PP y en la figura 4.b para la del PS. Tal y como se esperaba, la relación entre la desviación estándar y el tamaño de las bandas corresponde a una línea recta, la cual se extiende sobre dos décadas, desde 2x10-2 hasta 1x100 micras para el PP, y desde 6x10-2 hasta 2x100 micras para el PS. La pendiente de la línea corresponde al exponente de rugosidad, ζ. Para las muestras de PP ζ = 0.788±0.008 y para el PS ζ = 0.810±0.023. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 Fig. 3. Algunos de los perfiles de altura que fueron considerados en el análisis de auto-afinidad (a) imagen en 2-D de la figura 2. (b) perfiles marcados en (a). 17 �Fractales: fundamentos y aplicaciones Parte II. Aplicaciones en Ingeniería de materiales Superficies de fractura en aluminio Fig. 4.a. Análisis de auto-afinidad en las superficies de fractura de polipropileno. Para estas pruebas, el material empleado consistió en una aleación de aluminio comúnmente utilizada en la industria automotriz, la aleación A319. La superficie de fractura se obtuvo mediante ensayos de impacto, realizándose el análisis cuantitativo siguiendo tres técnicas diferentes: Perfilometría, AFM, y Microscopía Electrónica de Barrido, SEM. En este último caso, una de las caras de la muestra fracturada se recubre con una capa de Níquel, seccionándose enseguida, para después pulirse en un plano perpendicular a la dirección de propagación de la fractura. De las observaciones en el SEM se obtuvieron imágenes digitales de 1024 pixeles de largo en un rango de aumentos entre 50X y 2,000X, extrayéndose los perfiles de alturas mediante el análisis de imágenes. La técnica de Perfilometría se utilizó para cubrir escalas de longitud de milímetros. Los perfiles típicos que se obtienen con este método poseen alrededor de 10,000 puntos. De nueva cuenta, el análisis de auto-afinidad se efectuó siguiendo el método de ventanas de ancho variable, pero ahora el criterio a evaluar consistió en la diferencia entre la alturas máxima y mínima, ∆Z(i), calculada en cada banda y promediada entre todas las bandas posibles al variar el origen, manteniendo r constante ( Nd )∑ ∆Z (i) , Z (r ) = 1 Nd (3) i =1 El exponente de rugosidad se obtiene también del gráfico logarítmico de Z(r) –vs- r de acuerdo a la ecuación 4. Fig. 4.b. Análisis de auto-afinidad en las superficies de fractura de poliestireno. 18 Z (r ) ≅ r ζ (4) Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Carlos Guerrero, Virgilio González La figura 5.a corresponde a una micrografía obtenida con el SEM en donde se observa el recubrimiento de níquel sobre el perfil de la fractura. Además de servir como protección a la superficie original, la capa de níquel actúa como contraste con respecto a la aleación de aluminio, facilitando la extracción de los perfiles de altura. Fig. 5. Imagen de SEM mostrando (a) el recubrimiento de níquel sobre la superficie de aluminio y (b) el perfil de alturas correspondiente. La figura 6 muestra un barrido de 5 micras de la fractura del material según es captada por el AFM. Fig. 6. Imagen del AFM en (3-D) mostrando la superficie de fractura del aluminio. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 Los resultados del análisis de auto-afinidad se presentan en la figura 7. Fig. 7. Curva mostrando el análisis de auto-afinidad con todos los datos. Ahí se aprecian las escalas de longitud que abarcan cada una de las técnicas, desde 2nm hasta 10 µm con el AFM, desde 0.06 hasta 30 con el SEM y desde 40 µm hasta 1 cm con el perfilómetro. Es clara la compatibilidad que existe entre todas las mediciones, presentándose una sola curva continua con pendiente del orden de 0.81, valor bastante cercano al ya mencionado de 0.8 reportado para fractura en varios tipos de materiales. La longitud en la cual se cumple el régimen de autoafinidad es de seis órdenes de magnitud, con un límite máximo del orden de 400 µm. Se pretende identificar este valor con el tamaño de grano del material. En la actualidad, esta línea de investigación se enfoca, además de establecer el carácter autoafín de las superficies de fractura de otros materiales como el vidrio y algunos cerámicos, hacia una determinación más precisa de las longitudes de 19 �Fractales: fundamentos y aplicaciones Parte II. Aplicaciones en Ingeniería de materiales correlación de los diferentes sistemas analizados, con la intención de corroborar la hipótesis de que esta longitud corresponde al valor de las heterogeneidades más grandes que se presentan en la superficie del material. En lo referente a los materiales plásticos, es sumo interés el determinar cómo el grado cristalinidad afecta el valor del exponente rugosidad en la superficie, así como caracterización de los frentes de propagación grietas. de de de la de AGRADECIMIENTOS 2. Jorge Aldaco, Autoafinidad de superficies de fractura en una aleación aluminio-silicio, Tesis de Maestría, Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México (2000). 3. Edgar Reyes, Autoafinidad de superficies de fractura en materiales plásticos, Tesis de Maestría, Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México (1999). 4. Oswaldo Montelongo, Estudio de microestructuras dendríticas mediante análisis fractal, Tesis de Maestría, Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México (1998). Los autores agradecen a M. Hinojosa, E. Reyes y J. Aldaco su valiosa participación en la determinación de algunos resultados reportados en este documento. 5. Jesús Garza, Caracterización fractal en fronteras de grano de materiales cristalinos utilizando microscopía electrónica, Tesis de Maestría, Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México (1997). LECTURAS RECOMENDADAS 6. Moisés Hinojosa, Aplicación de geometría de fractales a la descripción de microestructuras metálicas, Tesis de Doctorado, Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México (1996). 1. Xavier Guerrero, Propagación de grietas autoafines en una aleación de aluminio: caso bidimensional, Tesis de Maestría, Universidad Autónoma de Nuevo León, México (2001). 20 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �La formación de capas de hierro en reactores de reducción directa♦ Parte II. Cinética de crecimiento Ubaldo Ortiz,* Juan Aguilar,* Jorge Berrún**, Ricardo Viramontes*** Abstract In the direct reduction reactors for iron ores, the product known as♦ DRI (direct reduced iron) forms layers that are adhered to the firebrick wall (SiO2Al2O3). In this second part the results of the tests conducted at laboratory and industrial scale were analyzed and a mechanism for describing the anchorage and growth of the layers was deduced. The importance of shear stress was confirmed and once that this factor was identified a method for diminishing the adhesion problem was proposed: The success of this method proves that the chosen variables were indeed important, and that the proposed mechanism is correct. KeyWords: Refractories, direct reduction, layers, direct reduced iron INTRODUCCIÓN En la primera parte de este artículo se presentó la problemática de la formación de capas de hierro, llamadas en el ambiente industrial lajas o morros, en reactores de reducción directa. Se mencionó también que la formación de ellas generalmente implica pérdida de disponibilidad de las plantas cuando las capas se desprenden y bloquean la salida del reactor o perturban la calidad del producto, ya que algunas de ellas son bastante resistentes mecánicamente. Quedó de manifiesto el éxito del método desarrollado para simular la formación de capas sobre las paredes de los reactores de lecho móvil en ♦ Este trabajo fue ganador del Premio Tecnos 2000 en la categoría de Publicación Tecnológica/Vinculación Empresa Grande e Institución, el cual fue entregado en ceremonia efectuada el 22 de noviembre de 2000 en CINTERMEX, Monterrey, N. L. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 Micro reactor. las plantas industriales de reducción directa, ya que además de las condiciones de temperatura y esfuerzo normal que en principio eran suficientes para la formación de capas, se aplicó una carga que produjo un esfuerzo cortante y que constituye la diferencia con otros intentos para obtener las capas. Es esta segunda parte* se presentan los resultados del análisis estadístico de los resultados obtenidos con el equipo a nivel laboratorio, en el que se consideró la temperatura, el esfuerzo normal y cortante en la interfase pelet-refractario como variables importantes en la formación de capas. Los experimentos fueron diseñados para encontrar el mecanismo de adhesión con el que se inician las capas. Ya conociendo el mecanismo se * Doctorado en Ingeniería de materiales. FIME-UANL. ** HYLSA *** HYLSA. Se encuentra actualmente en CEMEX. 21 �La formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte II: Cinética de crecimiento desarrollaron métodos y equipos para aplicar tratamientos a los refractarios, de forma que la adherencia de los materiales procesados, en este caso hierro metálico o mejor conocido como hierro esponja, disminuyese significativamente. También se obtuvo un modelo cinético para el crecimiento de la capa en función del esfuerzo, el tiempo, y la temperatura. A continuación describimos el sistema a estudiar. LA CONSISTENCIA FORMADAS DE LAS Por experiencia en el briqueteado en la planta piloto de HYLSA, se sabe que el hierro esponja fluye plásticamente y disminuye su porosidad a temperaturas por encima de los 650°C y se compacta con una presión mayor de 1000 Kg/cm2. Por lo tanto este fenómeno debe ocurrir en los puntos de contacto entre pelets y pared de refractario. En la tabla I se muestran la porosidad y análisis químico de los ladrillos refractarios. La porosidad del hierro esponja en promedio es del 60%. CAPAS Ahora se sabe con certeza que el esfuerzo cortante juega un papel importante en la formación de capas. La comparación efectuada entre las capas industriales y las de laboratorio confirman que aspectos difusionales juegan un papel secundario en el anclaje de las capas mientras que el aspecto mecánico es relevante. Tabla I Porosidad y análisis químico de los ladrillos refractarios Porosidad aparente 11 - 15 % Densidad 2.26 – 2.36 gr/cm SiO2 51 - 55 % Al2O3 42 - 45 % Fe2O3 1.5 - 2.5 % CaO 0.2 - 0.8 % MgO 0.5 % máximo 3 El sinterizado por otra parte es otro mecanismo que tiene lugar ya que las partículas de hierro esponja se unen, disminuyéndose la porosidad y aumentando la resistencia, a tal grado que la densidad de la capa es hasta un 50% mayor que la de la partícula de hierro esponja. Por lo tanto este fenómeno debe ocurrir en los puntos de contacto entre pelets y pared de refractario. El esfuerzo normal en el reactor industrial tiene un valor típico de 3.1 Kg/cm2 mientras que en el reactor piloto es del orden de 0.1 Kg/cm2. A partir de la ecuación de Rumpf (1-2) se pueden calcular las fuerzas puntuales entre las partículas en lecho empacado en función de la porosidad de éste, del diámetro de la partícula y del número de coordinación y el esfuerzo sobre el lecho. Nuestro cálculo arroja que los esfuerzos en los puntos reales de contacto son del orden de 250-2500 Kg/cm2. En la tabla II se presentan los resultados del análisis de varianza. En este análisis F representa el estadístico F, P es la probabilidad de error al aceptar la variable o interacción como importante. Cuando existen dos variables separadas por una coma en un renglón es porque las dos pueden ser importantes. Esto implica que el efecto medido corresponde a la suma de las dos pero se señaló el que es más consistente con las experiencias a nivel planta piloto e industrial así como los resultados 22 TiO2 1.2 - 2.2 % Na2O + K2O 0.5 - 1 % Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Ubaldo Ortiz, Juan Aguilar, José Berrún, Ricardo Viramontes Tabla II. Análisis de varianza Variable pelet, velocidad, esfuerzo Suma de cuadrados 1060.3 F P 5019.2 0.009 pelet, tiempo, esfuerzo 95.2 450.8 0.030 Pelet 1116.3 5284.2 0.009 (metal) (pelet, esfuerzo, temperatura) 365.9 1731.8 0.015 Carbono Velocidad Tiempo 10.1 2686.4 318.8 47.9 12716.9 1509.0 0.090 0.006 0.016 Esfuerzo Temperatura 2556.1 994.6 12100.0 4708.1 0.006 0.009 velocidad, tiempo velocidad, esfuerzo velocidad, temperatura 291.6 2464.0 950.5 1380.4 1164.0 4499.3 0.017 0.006 0.009 gas, carbono pelet, esfuerzo 0.6 1106.9 2.6 5239.5 0.348 0.009 pelet, velocidad, tiempo, esfuerzo 80.6 381.8 0.032 pelet, velocidad pelet, velocidad, esfuerzo, temperatura tiempo, esfuerzo 1055.7 349.8 4997.4 1655.9 0.009 0.015 326.4 1545.1 0.016 cement, metal velocidad, esfuerzo, temperatura pelet, tiempo 0.0 968.0 0.0 4582.3 0.952 0.009 120.1 568.6 0.026 metal, tiempo esfuerzo, temperatura pelet, carbono 4.8 1008.0 0.1 22.8 4771.6 0.5 0.130 0.009 0.620 pelet, temperatura 316.3 1497.1 0.016 velocidad, tiempo, esfuerzo pelet, tiempo, temperatura pelet, velocidad, temperatura metal, velocidad, tiempo 306.3 1449.9 0.016 6.8 32.4 0.109 298.9 1414.9 0.017 7.2 34.2 0.106 pelet, velocidad, tiempo 99.4 470.6 0.029 Error total 0.2 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 observados en los experimentos en la sección de obtención del tratamiento para evitar el anclaje y la sección de obtención del modelo. Cuando existen dos o más variables no separadas por comas se trata de una interacción entre las mismas. Las variables e interacciones en negritas son las consideradas como más importantes. La figura 1 muestra un diagrama de Pareto cuya nomenclatura es la siguiente: A presenta la variable tipo de gas (H2 ó CO), B representa la variable de aplicación de cemento (si o no), C representa la variable tipo de pelet (Alzada o Peña Colorada), D representa la variable nivel de metalización del pelet (85 ó 95%), E representa la variable contenido de carbón del pelet (0.1 ó 3.5%), F representa la velocidad angular (0 ó 30 RPM), G representa el tiempo que dura el experimento (1 ó 30 minutos), H representa el esfuerzo normal aplicada (a través de una carga de 0.1 ó 3 1 Kg/cm2), I representa la temperatura (600 ó 950°C). Fig. 1. Diagrama de Pareto que muestra el efecto de las variables. Las barras representan la diferencia entre el promedio de masa obtenida con los valores altos de las variables y los obtenidos con los valores bajos. 23 �La formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte II: Cinética de crecimiento De esta figura se puede concluir que la variable más importante es la presencia del esfuerzo cortante que se da por la interacción de las variables movimiento y esfuerzo normal. Estas dos variables y su interacción son las tres primeras en orden de importancia considerando el efecto que tienen en la variable dependiente. Las que siguen en importancia son tipo de pelet, la temperatura y el tiempo. Para confirmar que la variable más importante es el esfuerzo cortante, se propone un tratamiento basado en la disminución del mismo y que se note su efecto en la disminución de la masa depositada sobre la muestra de ladrillo. La idea era lograr una superficie más tersa y menos porosa, o sea con menos filos y huecos, para probar si la cantidad de masa adherida disminuía. A fin de disminuir el área de contacto entre pelets y refractario se propuso quitar los filos y rellenar los poros mediante la fusión de la superficie del ladrillo. Se pensó en rellenar los poros con material refractario en polvo, después tumbar los excesos para que quedara la superficie lisa, y después tratar con una flama oxidante para fundir los filos y el material dentro de los poros. Para lograr el acabado deseado a escala laboratorio se utilizó un soplete quemando una mezcla de oxígeno-acetileno para fundir la superficie de las muestras. La temperatura máxima de la flama de acetileno con aire seco a 25°C es de 2586°C. Se decidió utilizar una gama de los materiales refractarios más comunes (Tabla III). El procedimiento experimental para probar los tratamientos se describe a continuación. 24 Tabla III Análisis químico de los materiales utilizados para el tratamiento de los ladrillos Comp. Arena Alumin a Ce m blan -co Caliza SAB Mag nesi a Ce m gris Fe2O3 1.40 3.69 0.56 0.27 1.11 0.41 3.64 SiO2 95.2 13.5 19.9 0.83 52.4 6.40 19.0 MgO 0.04 3.65 1.21 1.06 0.21 87.1 2.4 CaO 0.08 1.04 65.2 65.2 0.40 1.56 63.6 Al2O3 1.62 78.1 5.41 1.16 43.2 1.98 4.95 Na2O 0.23 0.0 0.17 0.04 0.36 0.03 0.63 K2O 1.23 0.0 0.01 0.0 0.07 0.35 0.45 PXC 0.28 0.0 3.42 28.7 0.22 1.45 5.48 SAB.-Polvo de ladrillo de sílica-alúmina Se preparan muestras molidas de los materiales siguientes para ser aplicados a los ladrillos: silicoaluminoso, cal, magnesia, cemento gris, cemento blanco, alúmina, y arena sílica. Estos materiales se pasan a través de una malla 100. Las muestras de los ladrillos se limpian hasta asegurar que no existe contaminación con hierro esponja. Las muestras de polvo son analizadas en el laboratorio para conocer los porcentajes de Fe2O3, CaO, MgO, SiO2, A12O3, K2O, Na2O. Se prepara una mezcla de los polvos con agua de forma que se puedan aplicar para rellenar los poros manteniendo la muestra del ladrillo en posición vertical para simular la aplicación en el reactor. Se aplica el soplete para fundir la superficie del ladrillo para que quede una superficie sin filos y sin huecos. Se corren los experimentos de formación de capas sobre las muestras de ladrillo de acuerdo al diseño de experimentos mostrado en la tabla IV. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Ubaldo Ortiz, Juan Aguilar, José Berrún, Ricardo Viramontes Tabla IV MODELO DE CRECIMIENTO DE CAPAS Diseño de experimentos para las condiciones de tratamiento de los ladrillos Tratamiento Descripción T1 Fusión de la superficie sin agregar aditivo T2 Adición de SAP y fusión de la superficie del ladrillo para cerrar los poros T3 Adición de caliza y fusión de la superficie del ladrillo para cerrar los poros T4 Adición de magnesia y fusión de la superficie del ladrillo para cerrar los poros T5 Adición de cemento gris y fusión de la superficie del ladrillo para cerrar los poros T6 Adición de cemento blanco y fusión de la superficie del ladrillo para cerrar los poros T7 Ladrillo testigo (sin tratamiento alguno) T8 Adición de alumina y fusión de la superficie del ladrillo para cerrar los poros T9 Adición de arena y fusión de la superficie del ladrillo para cerrar los poros En el análisis estadístico de los resultados se aplicó la prueba Kruskall-Wallis de estadística no paramétrica, el cual se puede utilizar cuando las muestras son pequeñas y las varianzas son diferentes. En la tabla V se presenta la masa (en miligramos) de hierro esponja adherida a las superficies. Tabla V Hierro esponja adherido en cada una de las muestras tratadas (mg) T1 3.2 120.8 8.3 65.0 23.9 T2 0.6 0.4 0.1 0.6 0.4 T3 11.0 2.0 69.5 34.0 0.7 T4 23.3 24.6 21.4 7.2 7.0 T5 87.7 6.8 21.0 13.9 88.2 T6 12.9 15.7 59.2 17.3 6.5 T7 6.8 22.3 18.8 2.9 5.1 T8 1.5 2.8 4.7 2.1 8.8 T9 0.1 0.1 0.0 0.5 0.0 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 Después de que se encuentra el mecanismo y un tratamiento para resolver la adhesión derivada del mismo, se desarrolló un modelo de crecimiento utilizando muestras de pelets de la planta industrial. Estos pelets están sujetos a una mayor variación en sus propiedades que los producidos en el laboratorio. Por lo tanto se busca, con la mayor variación inherente en los pelets de la planta industrial, poner a prueba las variables que resulten significativas en la etapa de búsqueda del mecanismo. Por ejemplo, se debe de obtener también como variable importante el nivel de esfuerzo, y con las variables de esfuerzo, tiempo y temperatura se debe de poder explicar una parte importante de la variación de la masa adherida como variable dependiente. Además utilizando la relación funcional entre las variables se puede describir más a fondo el fenómeno. Se obtuvo una correlación de tipo Arrhenius con la temperatura. El valor del parámetro, con unidades de energía, en el exponente sugiere un proceso de tipo físico como la deformación plástica del material. El exponente de la variable esfuerzo concuerda con lo propuesto por Nagao de la Universidad de Tokio (3-7). En este diseño se utilizaron pelets, gases, aplicación de cemento, metalización, carbón, y velocidad típicos de la planta industrial. Las variables que se dejaron como independientes fueron: el nivel de esfuerzo, la temperatura, y el tiempo. Los pasos que se siguieron para la obtención del modelo se describen a continuación. Las pruebas se hicieron en el microreactor con hierro esponja de la planta con metalización entre 90 y 95%, y carbón entre 1 y 3%. El cemento no se aplicó porque los pelets de la planta ya tienen. Se utilizó una mezcla de gas con 75% H2 y 25% CO para simular mejor la composición en la zona de formación de capas. La velocidad angular para 25 �La formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte II: Cinética de crecimiento generar el esfuerzo cortante en la interfase peletrefractario fue constante e igual a 30 rpm. El tiempo, el esfuerzo, y la temperatura se variaron, según las tablas VI y VII. Tabla VI Condiciones de operación del microreactor Temperatura / tiempo Esfuerzo normal Velocidad angular Según la Tabla VII / Según la Tabla VII / 30 rpm Contenido de carbono 1 – 3% Grado de metalización Promedio de 90% Tipo de Pelet Alzada Tipo de gas 75% H2 / 25% CO Tabla VII Diseño de experimentos y resultados de las pruebas aplicadas al modelo propuesto. Estas pruebas se llevaron a cabo en el microreactor Exp. Esfuerzo normal 2 (Kg/cm ) Tiempo (min) Temp. (°C) Capa (mg) 1 3.1 15.5 600 0.9 2 3.1 30 600 3.2 3 1.6 15.5 775 0.7 4 0.1 1 600 0.2 5 0.1 30 950 0.4 6 3.1 30 775 4.7 Tabla VII. Continuación 19 3.1 1 600 1.1 20 3.1 15.5 950 7.1 21 1.6 15.5 600 2.0 22 3.1 1 775 0.7 23 1.6 30 600 0.3 24 0.1 15.5 775 0.2 25 3.1 1 950 1.2 26 1.6 30 950 3.3 27 0.1 1 775 0.1 28 1.6 1 950 0.9 29 1.6 30 775 1.3 30 3.1 15.5 950 9.5 Las tablas VIII, IX y X muestran los resultados estadísticos. La tabla IX confirma que las variables que resultaron importantes en la búsqueda del mecanismo también lo son en el modelo de crecimiento de las capas. La tabla X muestra los valores de los coeficientes de las variables del modelo Tabla VIII Análisis estadístico del modelo Suma cuad. Grad. Lib. Cuad. medios F P 22.46 0.0 Modelo 34.46 3 11.49 13.29 26 0.51 47.75 29 7 1.6 1 950 2.3 Error 8 0.1 30 775 0.8 Total 9 3.1 15.5 775 4.8 10 0.1 30 600 0.2 11 0.1 1 950 0.1 12 1.6 15.5 950 1.1 13 0.1 15.5 950 1.5 14 1.6 1 600 0.2 15 0.1 15.5 600 0.2 16 3.1 30 950 2.6 Tiempo 6.22 1 6.22 12.16 .0018 4.80 1 4.80 9.38 .0050 34.46 3 Tabla IX Análisis estadístico de las variables Esfuerzo 17 1.6 1 775 1.2 Temp. 18 1.6 30 775 5.1 Modelo 26 Suma cuad. Grad. Cuad. Med. F P Lib. 23.44 1 23.44 45.85 .0 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Ubaldo Ortiz, Juan Aguilar, José Berrún, Ricardo Viramontes Tabla X Análisis estadístico de los coeficientes del modelo (r2 = 0.69) Coef. Error estándar Valor t P 4.6 0.97 4.77 0.0001 Esfuerzo 0.60 0.09 6.57 0.0 Tiempo 0.32 0.09 3.58 0.0014 Temp. -3014 984 -3.06 0.0050 Constante propiedades diferentes, aceptable la correlación. se puede considerar La figura 4 muestra los datos observados contra los pronósticos. La conclusión es que, con más de 95% de confianza, sí hay diferencia entre las medias. Como consecuencia de estos resultados, se seleccionó la arena sílica para dar el tratamiento a los ladrillos. Las figuras 2 y 3 muestran superficies de ladrillos sin tratar y después del tratamiento. Fig. 3. Muestra de la superficie de un ladrillo tratado Fig. 2. Muestra de la superficie de un ladrillo sin tratar. Las tres variables que se consideraron importantes para el modelo explican el 69% de la variación de la masa adherida. Para un fenómeno complejo como este, tomando en cuenta que la planta estaba procesando una mezcla de minerales Alzada / Peña Colorada que son pelets con Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 Fig. 4. Pronóstico de valor observado de masa adherida (mg X 10) 27 �La formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte II: Cinética de crecimiento La ecuación que se obtuvo del análisis de los resultados es la siguiente: M = 99.5σ 0.6e −5989 RT 0.32 t T = temperatura (=) °K σ = esfuerzo normal (=) Kg/cm2 t -= tiempo (=) minutos M= masa adherida (=) miligramos R= constante de los gases (=) cal/mol °K DISCUSIÓN DE RESULTADOS Respecto al Mecanismo En este trabajo se planteó la hipótesis de que el esfuerzo cortante era importante en la formación de capas en el laboratorio. Los resultados mostrados confirmaron la importancia del esfuerzo cortante. Ya habiendo obtenido las capas en el laboratorio, se diseñaron experimentos para obtener cuales otras variables e interacciones eran importantes. Mediante los resultados se demostró, con una confianza mayor al 95%, que existen otras variables e interacciones importantes pero ciertamente el esfuerzo cortante es la más importante de todas. Ante la imposibilidad práctica de hacer 29=512 experimentos para separar completamente los efectos de cada variable e interacción, se seleccionaron las variables más prometedoras para obtener una solución del problema mediante su manipulación. En este caso ya se habían hecho pruebas en varias ocasiones variando todas las variables excepto el esfuerzo cortante, sin obtener la formación de capas. Ya que se demostró que esta variable era importante, se seleccionaron como importantes las otras variables e interacciones que combinadas con el esfuerzo normal, el movimiento, o ambos fueran consistentes con una mayor área de 28 contacto entre pelet y refractario. Por ejemplo: el tipo de pelet se seleccionó porque es lógico que un pelet más plástico se deformará más y habrá una mayor área de contacto, la temperatura se seleccionó porque a una mayor temperatura el pelet se deformará más provocando una mayor área de contacto. El tiempo se seleccionó porque a mayor tiempo se expone más material al irse gastando el pelet. La metalización se eliminó porque se sabe que desde niveles promedio de metalización menores al 85% la superficie del pelet ya llegó a su valor asintótico de metalización. De esta forma, con la aplicación combinada de estadística y fisicoquímica, se demostró que las variables: movimiento, esfuerzo normal, tiempo, temperatura, tipo de pelet y sus interacciones son las importantes. En la tabla del análisis de varianza se señalaron las que son, basándose en los argumentos ya explicados, las más consistentes con las observaciones a nivel laboratorio, planta piloto, y planta industrial. Tomando como base las variables e interacciones seleccionadas, el mecanismo de anclaje y crecimiento es el siguiente: Entrada de finos o material extruido en los poros o grietas del ladrillo debido a los esfuerzos cortantes. Sinterizado del hierro esponja disminuyendo su porosidad y al mismo tiempo aumentando su resistencia. Se sabe por la medición de la resistencia de los enlaces entre pelets que ésta puede llegar hasta 70 kg/cm2 en tensión. Esta resistencia, tomando en cuenta la porosidad del ladrillo, que es aproximadamente 10%, es más que suficiente para sostener el peso de una capa. El hierro esponja sinterizado queda entrelazado con la porosidad del ladrillo formando lo que se puede llamar el anclaje de la capa. El proceso de crecimiento continúa al depositarse y sinterizarse más material fino que ya viene con el mineral o arrancado de la superficie de los pelets Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Ubaldo Ortiz, Juan Aguilar, José Berrún, Ricardo Viramontes por los esfuerzos cortantes. Los lugares preferidos de crecimiento serán donde se concentren los esfuerzos, esto es en las aristas de la superficie, los bordes, y donde haya más alta temperatura. El mecanismo de crecimiento se autoalimenta porque cualquier borde en la pared del reactor es un punto de concentración de esfuerzos en donde el pelet se degrada más, aportando más finos para el crecimiento de la capa. La literatura de flujo de sólidos enseña que los bordes sobre la pared son puntos de concentración de esfuerzos porque la pared empieza a cargar por reacción en estos puntos, generándose de este modo esfuerzos locales mucho mayores que los esperados con pared lisa. Esto implica que el mecanismo de anclaje consiste en la generación de finos y su penetración a los poros para posterior sinterizado ya que dentro del poro la única energía impulsora para reforzar el ancla es la energía de superficie porque la presión de contacto no puede actuar dentro del poro. En el anclaje el esfuerzo cortante y el sinterizado actúan en serie. En cambio en el mecanismo de crecimiento actúan en paralelo. Los finos generados o alimentados en contacto con la superficie de la capa fluyen plásticamente impulsados por estas dos fuerzas para buscar una configuración termodinámicamente más estable formando una unión con el resto de la capa. importante aclarar que el tiempo de prueba de los tratamientos se inició con 30 minutos pero algunas de las superficies desgastaban el pelet en menos de 10 minutos. Sin embargo para asegurar el resultado, las muestras de arena sílica, tanto de laboratorio como industriales, se probaron sin que se les llegara a pegar ni un miligramo. Respecto al modelo En estos experimentos, una vez más, se pusieron a prueba las conclusiones obtenidas en la sección de búsqueda del mecanismo. El hecho de que las variables: tiempo, esfuerzo, y temperatura puedan explicar en gran medida la variación de la masa depositada confirma su importancia. El valor del parámetro de energía en el término exponencial del modelo indica un fenómeno que no es altamente dependiente de la temperatura como generalmente lo es una reacción química. El valor está más bien del lado bajo, implicando esto un proceso de tipo físico o de reacomodo a escala atómica. El valor del exponente de la variable esfuerzo concuerda con lo propuesto por Nagao T. para contactos con deformación plástica entre partículas. De nuevo, esto confirma las hipótesis. Tratamientos termoquímicos Los resultados anteriores sirvieron como base para proponer tratamientos termoquímicos buscando evitar el anclaje. Los tratamientos propuestos se basan en la disminución del esfuerzo cortante entre el pelet y el refractario al tapar los poros y eliminar los filos de éste. El hecho de que se hayan obtenido superficies, como las tratadas con arena sílica y con polvo del mismo ladrillo, con calidad para evitar el anclaje confirma la validez de las conclusiones respecto al mecanismo. Es Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 Refractario con hierro esponja adherido. 29 �La formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte II: Cinética de crecimiento CONCLUSIONES Se demostró que el esfuerzo cortante es el origen de la formación de las capas a escala laboratorio. Esto explica una de las formas en que se logra el mecanismo de adhesión por entrelazado entre los sólidos granulares y las paredes de refractario. El mecanismo de entrelazado descrito en la literatura se aplica a materiales fibrosos, o partículas que se pueden entrelazar unas con otras por su forma. Lo aquí descrito consta de varios pasos: generación de finos con el nivel de esfuerzo adecuado para penetrar a los poros (extrusión del material), sinterizado de estos finos dentro del poro, y adhesión por sinterizado y flujo plástico para continuar creciendo la capa. Se probó a escala laboratorio que la adhesión entre hierro esponja y el refractario se puede evitar tratando la superficie del refractario con arena sílica. El tratamiento se basa en la disminución de la porosidad en la superficie del ladrillo por fusión de ésta y de las partículas de arena sílica utilizadas como material de aporte, mediante una flama con temperatura superior a 1725°C. Al fundirse las partes más activas de la superficie, como son las aristas y los bordes de los poros, se rellenan los poros y grietas con los granos de arena sílica y se eliminan los filos. De esta forma se lograron dos objetivos: se disminuyó el esfuerzo cortante que genera parte de los finos, y se taparon los huecos donde se introducen éstos, evitando así la formación de las anclas que soportan el peso de la capa. Se logró obtener una ecuación para calcular el crecimiento de la capa en función del esfuerzo, el tiempo, y la temperatura. Los métodos estadísticos confirmaron que el modelo y las variables son significativos con un nivel de confianza superior al 95%. Desde el punto de vista fisicoquímico, la forma de la ecuación y los valores de los parámetros concuerdan con lo esperado al plantear modelos del 30 flujo plástico de materiales bajo condiciones de esfuerzo y alta temperatura. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento al CONACYT por el apoyo para la realización de este trabajo, así como a la empresa HYLSA. REFERENCIAS 1. RUMPF (H.).- The strength of granules and agglomerates, Proceedings of the international symposium on agglomeration, Philadelphia, Pa, April 12-14, 1961 – New York, London Interscience Publishers, 1962,p 379-418. 2. RUMPF (H.).- Particle adhesion proceedings of the 2nd International symposium on agglomeration, Atlanta, Ga, March 6-10, 1977 Baltimore, Md Port City Press Inc. 1977 p 97126. 3. NAGAO (T.).- A study of the statics of granular materials Bulletin of JSME, 1967 Volume 10, Number 41, p 775-785 4. NAGAO (T.).- The stress-strain relations of granular materials, 1st report Bulletin of JSME, 1978 Volume 21, Number 157, p 1077-1084. 5. NAGAO (T.).- The stress-strain relations of granular materials, 2nd report Bulletin of JSME, 1979 Volume 22, Number 164, p 148-155. 6. NAGAO (T.).- The stress-strain relations of granular materials, 3rd report Bulletin of JSME, 1979 Volume 22, Number 167, p 636-641. 7. NAGAO (T.).- The principle of similarity in the mechanics of granular materials, 1st report International Chemical Engineering, 1986 Volume 26, Number 4, p 716-723. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Más vale prevenir que... controlar el ruido♦ Fernando J. Elizondo Garza* Abstract Controlling the noise from a source implies, besides the implementation costs, a lack of engineering and/or administrative vision. In this paper the different ways to prevent future noise problems will be discussed. Palabras clave: ruido, políticas, prevención, control, legislación, educación I.- INTRODUCCIÓN No hay mejor método de control de ruido que el evitar que se produzcan los problemas de ruido. Esta premisa simplista, ♦que parece extraída de un tratado de filosofía Zen, puede evitar muchos problemas, gastos innecesarios, demandas legales, molestias a personas y daños auditivos. Sin embargo, requiere el desarrollo de una habilidad y una actitud un tanto esquivas al proceso educativo: el predecir y el prevenir. Visto deterministamente, predecir, saber lo que ocurrirá en el futuro es sencillamente imposible, pero altamente deseable, de ahí que los profesionistas nos conformemos con predicciones restringidas o predicciones probabilísticas, las que nos permiten diseñar (que implica en sí predecir) y a veces, digamos un tanto más pretenciosamente, hacer el futuro. II.- CONTROL DE RUIDO El tener que controlar el ruido producido por una fuente es, en sí, un indicador de un error, negligencia, ignorancia o delincuencia. La lucha contra los ruidos urbano y comunitario tiene dos objetivos principales: • Protegernos del ruido que actualmente nos molesta y que perturba nuestra vida diaria. • Protegernos en el futuro contra los crecientes niveles de ruido que puedan reducir, aún más, la calidad de nuestro medio ambiente y por lo tanto nuestra calidad de vida. La lucha contra* el ruido puede utilizar diferentes tipos de acciones, pudiéndose estas agrupar de la siguiente manera: • Acciones ingenieriles. * de diseño. * de control de ruido. • Acciones legislativas. • Acciones de autoridad. • Acciones administrativas. * de prevención. * inmediatas. * de planeación. • Acciones educativas. A continuación se discutirán, de éstas sólo aquellas acciones que permiten evitar que un problema de ruido se dé, o sea aquellas que nos permiten conformar un futuro acústico. * ♦ Ponencia presentada en el VII Congreso Mexicano de Acústica, Veracruz, Ver., Octubre 2000. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 Director de la Revista Ingenierías, Laboratorio de Acústica / FIME-UANL. E-mail: fjelizon@hotmail.com 31 �Más vale prevenir que... controlar el ruido III.- ACCIONES INGENIERILES Las acciones ingenieriles para la reducción del ruido son las más estudiadas, están en los libros, se imparten seminarios sobre ellas, pero por desgracia, en muchas ocasiones, no se utilizan sino hasta que el problema de ruido aparece. De las acciones ingenieriles, como ya se comentó, sólo las de diseño nos ayudan a evitar problemas, pues la de control se usan para solucionar un problema ya identificado. Por desgracia, en el proceso de diseño de máquinas, líneas de producción, plantas industriales, generalmente la preocupación central es la funcionalidad, olvidando los efectos secundarios, entre ellos el sonido emitido. Por lo anterior es de gran importancia incluir en los sistemas educativos cursos de apoyo al diseño, entre ellos diseño acústico, y el establecer proyectos que lleven al alumno a conjuntar todo lo aprendido, esto es, a considerar en un diseño todos los aspectos no solo la función, pues aspectos como la seguridad, la ergonomía, la economía, los efectos al ambiente e incluso la estética deben considerarse para ser competitivo en el mercado global actual. 32 Por cuestión de espacio no trataremos los aspectos del diseño acústico, para centrarnos en los otros tipos de opciones que permiten evitar que se den los problemas de ruido. IV.- ACCIONES LEGISLATIVAS Las leyes establecen lo que es bueno o malo para una sociedad y por lo tanto son la base para poder reconocer, solucionar o evitar un problema. A partir de las leyes se deben derivar reglamentos y normas que son los documentos que establecen lineamientos, límites y procedimientos para evitar, dimensionar, y/o solucionar los problemas. En el caso del ruido como problema ambiental, nuestra legislación por desgracia está desestructurada, está llena de lagunas y es obsoleta en algunos aspectos, lo que produce que algunos problemas de ruido en las comunidades no se puedan solucionar, ni rápida ni adecuadamente, y mucho menos evitarse. Las leyes y reglamentos sobre ruidos comunitarios nos deben proteger de los ruidos Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 �Fernando J. Elizondo Garza producidos por máquinas y aparatos de las industrias, de los establecimientos comerciales y de nuestros vecinos, de los ruidos producidos por obras en construcción y eventos públicos, del ruido producido por vehículos de cualquier especie, y, en general, de cualquier fuente de ruido que perturbe, moleste o dañe a los humanos. Para lograr lo anterior debe haber reglamentos y/o normas que consideren todos los tipos de fuentes de ruido presentes en la vida moderna. Dichos reglamentos y normas sobre ruido deben definir claramente su ámbito de acción, deben establecer limites máximos permisibles de ruido, deben establecer con claridad los procedimientos de medición y/o cálculo, así como el equipo a utilizar o la manera de conseguir la información, las características de los reportes o actas a elaborar, y las acciones a tomar incluyendo las penalizaciones para infractores. De gran ayuda son también las legislaciones sobre desarrollo urbano y construcción, las cuales deben establecer reglamentaciones claras sobre la ubicación y técnicas de construcción de casas, edificios, autopistas, vías férreas, aeropuertos, etc. lo que asegurará que las edificaciones y viviendas cuenten con el aislamiento acústico adecuado para proteger a sus ocupantes contra los ruidos del medio ambiente, esto es: de los vecinos, de las autopistas, de los aviones, etc. Es una tendencia mundial el establecer normas nacionales sobre los niveles de ruido máximo que una fuente de ruido nueva: vehículo, máquina, aparato, etc., debe emitir al salir de la fábrica. Después le corresponde a otras instancias nacionales o locales establecer los reglamentos que limiten su uso. Los reglamentos de ruido ambiental generalmente no tienen un máximo permisible Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 absoluto, sino que establecen máximos por horario, correcciones por características del ruido, excepciones, etc. Lo anterior debido a factores como el enmascaramiento, que produce que un mismo ruido industrial resulte más molesto en la noche que en el día cuando es enmascarado por el ruido del tráfico, o el efecto del tipo de ruido, que hace que dos ruidos con el mismo nivel sonoro no nos resulten igualmente molestos, esto por las características físicas del mismo o el contenido semántico del mismo. V.- ACCIONES DE AUTORIDAD Las leyes y reglamentos son sólo ideas y expectativas plasmadas en papel. Son la base conceptual para la acción, pero serán útiles a la sociedad sólo si, siguiendo el precepto de “si no hay pena no hay ley”, las autoridades hacen que se cumplan. Sin el ejercicio de la autoridad, una ley es literatura. En general, la acción o inacción de la autoridad en cuanto al cumplimiento de leyes, reglamentos y normas, determina los niveles de ruido ambiente en una comunidad. 33 �Más vale prevenir que... controlar el ruido Hacer que se cumplan las leyes, es todo, menos fácil. Los factores son múltiples, siendo algunos de ellos los siguientes: Legisladores ignorantes o desconectados de la • sociedad que representan. Reglamentos y normas incompletos o mal • elaborados. Leyes que protegen a los delincuentes, como • la legislación mexicana de amparo. Insuficientes inspectores. • Autoridades sin equipo de medición, lo que • imposibilita evaluar el ruido. Errores de carácter jurídico que invalidan las • acciones legales. Inspectores o autoridades corruptas. • Inspectores o autoridades mal pagadas. • Ordenes superiores por razones de índole • política o personal. Etc, etc. • VI.- ACCIONES ADMINISTRATIVAS Son acciones administrativas aquellas relativas a organizar o a apoyar el trabajo de una empresa u organización. Estas pueden ser de tres tipos: Acciones de planeación. La planeación establece, en base a un presente conocido y un futuro deseado, el conjunto de acciones, distribuidas entre el presente y el futuro, que hagan realidad lo que se desea. Por ejemplo, el que se establezca, de común acuerdo entre una industria que fabrica equipos ruidosos y la autoridad, un programa de disminución gradual del ruido generado por sus productos, producirá una reducción gradual en el ruido ambiente. 34 Acciones de prevención. A diferencia de la planeación que establece las acciones a realizar, o no, para que algo suceda, la prevención busca establecer acciones para que algo no suceda, o el establecer que hacer si llegase a suceder. La prevención es un factor importante en el ruido ambiente futuro de una comunidad. Por ejemplo, la planificación de zonas puede evitar la construcción de viviendas junto a empresas o en lugares en que se espere la ampliación de un aeropuerto o por donde haya de pasar una autopista, ahorrará muchos dolores de cabeza y manifestaciones en el futuro. Para las empresas el prevenir el ruido representa ahorros y menos problemas con vecinos, autoridades, sindicatos, medios de difusión, etc. En los proyectos de construcción y modernización de fábricas se debe atender a minimizar el ruido ambiente. Es mucho más barato diseñar una fábrica silenciosa que imponer sistemas de vigilancia del ruido una vez que la fábrica está en marcha. Cuando se haga el pedido de compra de una maquinaria deben incluirse especificaciones fijando niveles de ruido de 5 dB, y aún mejor 10 dB, por debajo del nivel indicado por las normas o reglamentos. Este margen protegerá contra los sobreniveles de ruido que una máquina puede presentar por reverberación, mala instalación, efectos de suma por estar cerca de otras máquinas, problemas de mantenimiento, etc. Las plantas deben proyectarse de forma que las máquinas más ruidosas no queden cerca de los límites del predio, mucho menos si hay casas habitación enseguida. Las que produzcan vibraciones de baja frecuencia se deben montar en Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 �Fernando J. Elizondo Garza aislantes de vibraciones o en cimentaciones independientes. que, dada su ignorancia de ciencias, creen que las leyes de la física cambiarán porque ellos lo ordenan. El aumento inicial de costos se puede justificar por los ahorros que se harán al no tener que gastar en solucionar un problema de ruido, por ejemplo en barreras o cabinas antiruido, mucho más caras, además de los costos extra si la máquina está montada en un lugar de difícil acceso. Es claro que no busca evitar que se den los problemas de ruido. También mientras más silenciosa sea la fábrica, menores serán los gastos del programa de conservación de la audición de los trabajadores, o los gastos generados por perdidas de audición u otros desórdenes físicos en los trabajadores, si llegan a ser atribuidos a la exposición al ruido. Acciones administrativas inmediatas. Para los fines de este texto se definen las acciones administrativas inmediatas de control de ruido como aquellas acciones que buscan en el corto plazo lograr una reducción de ruido, en un lugar específico y sobre un receptor o grupo de personas específico, sin alterar el sistema que produce el ruido, sino más bien trabajando sobre modificaciones de posición relativa entre fuente y receptor, horarios, dosis, rutas, etc. Es un enfoque que busca evitar gastos en diseño, sustitución de maquinaria, equipo o vehículos y sobre todo de especialistas. En pocas palabras, es usado por personas que han caído en posiciones administrativas más por circunstancias que por preparación, o por administradores de profesión Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 VII.- ACCIONES EDUCATIVAS La educación de la comunidad, entendida en sentido amplio, es fundamental para que una sociedad logre vivir en un medio ambiente adecuado y con una alta calidad de vida. Al hablar de educación generalmente se piensa en las escuelas, pero realmente para divulgar el conocimiento actualmente contamos con una gran variedad de medios. De hecho podemos educar una comunidad a través de: • Escuelas. • Periódicos. • Revistas. • Radio. • Televisión. • Eventos científicos. • Eventos políticos (en el buen sentido). • Internet, etc En cuanto a ruido, lo mínimo que una sociedad debe saber para que pueda luchar por un medio acústico decoroso es: • ¿Qué es el ruido? • ¿Qué efectos causa el ruido? • ¿Qué reglamentación existe sobre ruido? • ¿A quién le toca resolver los problemas? • ¿Dónde denunciar los problemas? • ¿Qué hacer en lo personal para producir menos ruido? 35 �Más vale prevenir que... controlar el ruido VIII.- COMENTARIOS FINALES Se dice comúnmente que “más vale prevenir que lamentar”, que es mejor considerar el ruido desde el diseño o la selección de maquinaria y equipo, o la ubicación de la misma, es más barato que arreglar un problema de ruido. Sin embargo, en un país sin reglamentos adecuados, con autoridades corruptas y con una sociedad inculta, lo anterior no siempre es cierto; pues no hacer nada y dejar que el problema de ruido persista puede ser más económico. También el ampararse o el sobornar a los inspectores puede resultar más barato que hacer ingeniería acústica para arreglar un problema. Por lo anterior es de gran importancia el generar una cultura sobre los problemas de la contaminación ambiental por ruido en todos los niveles de la sociedad, desde los legisladores hasta la sociedad civil, y el promover acciones tendientes a evitar que los problemas se den, lo que implica que debemos aprender a hacer nuestro futuro. BIBLIOGRAFÍA 1. Fernando J. Elizondo. Programa de capacitación para el fortalecimiento de la gestión ambiental del estado de Nuevo León, Curso 7: Diagnóstico, medición y evaluación de la contaminación ambiental, Unidad IV: Ruido, Tema V: Control de ruido, junio de 2000, Monterrey, México. 2. Cyril M. Harris. “Handbook of noise control”, second edition, McGraw-Hill, USA, 1979. 3. Pelton, H. K., “Noise control management”, Van Nostrand Reinhold, New York, 1993, USA. 4. Secretaría de Desarrollo Social, “Norma oficial mexicana NOM-081-ECOL-1994, que establece los límites máximos permisibles de emisión de ruido de las fuentes fija y su método de medición”, publicado en el Diario Oficial de la Federación del viernes 13 de enero de 1995. 5. Fernando J. Elizondo y Ricardo Garza C. Propuesta para controlar la contaminación por ruido. Memorias del IV Congreso Mexicano de Acústica, Guanajuato, México, septiembre 1997. cenidet EL INSTITUTO MEXICANO DE ACUSTICA Y EL CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO INVITAN AL 8o CONGRESO INTERNACIONAL MEXICANO DE ACUSTICA Centro de Convenciones del Hotel Dorado’s Oaxtepec, en Oaxtepec, Morelos, México 14, 15 Y 16 NOVIEMBRE, 2001 INFORMACION EN MEXICO, D.F.: Coordinador General, M.C. Sergio Beristáin, Presidente del IMA, sberista@hotmail.com; http://www.geocities.com/sberista/, Apartado Postal 75805, Col Lindavista 07300 México D.F. Tel. 01-5682-2830, 5682-5525, FAX 01-5523-4742 EN MORELOS: Vicecoordinador, Dr. Dariusz Zwedowicsz; d.sz@cenidet.edu.mx, Apartado Postal 5-164, Palmira, Cuernavaca, Mor., Tel. 017-318-7741, 312-7613, FAX 017-312-2434 REGIÓN NORTE: Coordinador, Ing. Fernando Elizondo Garza, Laboratorio de Acústica, FIME, Universidad Autónoma de Nuevo león, TEL. 01-8329-4020, ext 5762, FAX 01-8376-2903, 8332-0904, fjelizon@hotmail.com REGIÓN OCCIDENTE: Coordinadora, Dra. Martha G. Orozco Medina, Ciencias Ambientales, Universidad de Guadalajara, Tel. 013-682-0384, FAX 013-682-0120, mgorozco@megared.net.mx 36 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 �Pérdidas por las líneas en las conexiones de transformadores y bancos de distribución Santiago Lajes Choy Davel Borges V., Carlos Hernández R.* Abstract This paper describes a study to evaluate the substitution of the lazy capacity in a distribution transformer. The study includes the comparison between the winding connections for full and incomplete transformers banks on the energy losses. The effects of the neighbor lines on the energy losses of the bank are included. Finally, a mathematical expression is proposed in order to evaluate the substitution full bank for the connection of two transformers. Palabras pérdidas. clave: transformadores, sustitución, donde: K = Coeficiente de carga INTRODUCCIÓN En los últimos años la literatura especializada 1-3 le ha dedicado atención al tema de la sustitución de las capacidades ociosas, tanto en transformadores independientes, como bancos de transformadores de distribución, buscando la disminución de las pérdidas de potencia y energía. En el presente trabajo se realiza un análisis de los transformadores monofásicos a partir del concepto de coeficiente de carga límite y como resultado del mismo se evalúa la sustitución de unidades en bancos de transformadores de distribución, incorporando el efecto de la asimetría en la variación de las pérdidas por las líneas de alimentación del banco. PÉRDIDAS EN TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN ∆P0, ∆ Pc = Pérdidas de vacío y cortocircuito, respectivamente. En la figura 1, se plantea ∆P Vs. K para transformadores de distribución. De estas curvas se observa (a modo de ejemplo) que para un transformador de 25kVA de potencia nominal, trabajando con un coeficiente de carga igual a 0.2, puede ser sustituido, con el objetivo de disminuir las pérdidas y eliminar capacidad ociosa, por uno de 15 kVA siempre y cuando el nuevo coeficiente de carga sea menor de 0.52, siendo este último el coeficiente de carga límite. *En esa misma línea de pensamiento, ese transformador de 25 kVA puede ser sustituido por otro de 10 kVA si el coeficiente de carga es menor de 0.70. Las pérdidas de potencia en un transformador de distribución se expresan como: ∆P = ∆P0 + ∆ PcK2 (1) * Facultad de Electromecánica Departamento Eléctrica, Universidad de Camagüey, Cuba. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 37 �Pérdidas por las líneas en las conexiones de transformadores y bancos de distribución intermedia. Estos no se presentan en el trabajo por motivos de espacio. VALORACIÓN ECONÓMICA DE LA SUSTITUCIÓN DE UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO Si en el análisis comparativo el coeficiente de carga real de transformador de menor capacidad K1 es menor que el coeficiente de carga límite, entonces en una primera instancia podrá sustituirse el transformador mayor por ese de menor potencia. Si K1 > KL entonces no es posible hacer el cambio. Fig. 1. Dependencia de las pérdidas en función de K. De esta forma el coeficiente de carga límite, por debajo del cual se puede sustituir un transformador de mayor capacidad por uno de menor potencia nominal, se podrá hallar a partir de igualar ambas expresiones de pérdidas de potencia, de donde: ∆Po − ∆Po1 + ∆PcK 2 KL = ∆Pc1 (2) En este caso, recomendamos hacer el análisis comparativo a partir del VAN de costo [4], cuya expresión será: VANc = K + donde: ∆P0, ∆P01 = Pérdidas de vacío para el transformador de mayor y menor capacidad, respectivamente. N ∑ J =1 (C E + C A ) J + (1 + TD ) J ∆PJ J J =1 (1 + TD ) N βτ ∑ (3) ∆Pc, ∆Pc1 = Pérdidas de cortocircuito para el transformador de mayor y menor capacidad, respectivamente. donde: K = Coeficiente de carga del transformador de mayor capacidad. Ce = peK; CA = pAK = gastos anuales de explotación y de amortización, respectivamente. KL = Coeficiente de transformador menor. pe, pA = coeficiente de reparaciones corrientes y mantenimientos y de amortización, respectivamente. carga límite, del Los autores proponen una tabla con todos los valores de coeficiente de carga límite para diferentes coeficientes de carga del transformador mayor, para diferentes capacidades contiguas e 38 No obstante, si es recomendada la sustitución de la unidad mayor por una de menor capacidad (K1 < KL), habrá que completar el análisis con una valoración económica, la que probará la racionalidad o no de la sustitución. K = costo del transformador. TD = Tasa de descuento o de interés del banco. N = No. total de años de análisis. β = Costo del kW-h de pérdidas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Santiago Lajes Choy, Davel Borges V., Carlos Hernández R. τ = Tiempo de pérdidas. ∆P = pérdidas de potencia. Para que el transformador de mayor capacidad (sin subíndice) pueda ser sustituido por uno de menor capacidad (subíndice 1), se debe cumplir. VANc1 ≤ VANc (4) Sustituyendo la expresión (3) en la (4) para ambos transformadores, en un año j concreto, tenemos que: N ∆ ∈ −∆ ∈1 ≥ ∆K 1 J J =1 (1 + TD ) 1+ p ∑∑ N β∑ 1 J =1 Probemos precisar los componentes de ∆K: ∆K = Kd + KM1 + Keq1 + Kr – K donde: (5) (1 + TD) J Kd = Costo del desmontaje del transformador mayor. KM1, Keq1 = Costo del montaje transformador de menor capacidad. donde: ∆K = K – K1 = Gastos adicionales para sustituir el transformador mayor por el menor. ∆∈, ∆∈1 = Pérdidas de energía para cada transformador respectivamente. Para pΣ = pA + pe = 0,056; TD = 10% y β= 0,063 $ kW-h, suponiendo que el cambio se quiere producir al quinto año de explotación del transformador mayor, tenemos: ∆∈ - ∆∈1 ≥ 5,07 kW.h/ $ ahorro de pérdidas exigido es mayor por peso invertido. Por otra parte mientras más tiempo de explotación tenga el transformador de mayor capacidad, menor será el ahorro de pérdidas límite por peso invertido en el cambio. Esto satisface la lógica, pues mientras más años de explotación tenga el equipamiento más fácilmente se justifica su sustitución en caso de estar sub-utilizado. y del Kr = K (1- pr tj ) = Costo no amortizado de la inversión (K). pr = Coeficiente de renovación, que es el inverso del tiempo normativo de duración del transformador mayor (tnd ). tj = Tiempo de explotación del transformador mayor en el año j que se produce el cambio. Sustituyendo en la expresión (7) el valor de Kr, obtenemos: (6) ∆K Es decir que por cada peso adicional en el cambio, tendrá que ahorrarse más de 5,07 kW-h, de lo contrario no sería racional efectuar la sustitución de esa capacidad ociosa. Para el cambio en el año 10 de explotación se exige 3,47kW.h de ahorro por peso adicional invertido y si el cambio se produce a los 20 años, entonces el ahorro deberá ser de 2,75. Obsérvese que al aumentar la tasa de interés el Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 39 �Pérdidas por las líneas en las conexiones de transformadores y bancos de distribución ∆K = Kd + KM1 + Keq1 – pr tjK (8) Para el cambio en el año 10 de explotación se exige 3,47 kW/h de ahorro por peso adicional invertido y si el cambio se produce a los 20 años, entonces el ahorro deberá ser de 2,75. Obsérvese que la suma del 2do y 3er término es igual al costo K1 del nuevo transformador y que para tj = 0 (no explotación del transformador mayor), desaparece el último término de la expresión (8) y cuando tj = tnd entonces se hace igual a K. S I = 2 I L Vf / 3 (10) Las pérdidas de energía para el banco completo se expresan:  S 1 ∆ E = 3 ∆P0 T + ∆ PCC  3  SN 2   τ  (11) donde: ∆P0 , ∆PCC = Pérdidas de potencia (kW) en vacío y de cortocircuito de un transformador. VALORACIÓN ECONÓMICA DE LA SUSTITUCIÓN DE UN TRANSFORMADO TRIFÁSICO T , τ = Tiempo total de conexión del banco y de pérdidas (horas) Interesante resulta analizar bancos de transformadores con tres transformadores iguales las cuales alimentan cargas trifásicas y bancos con dos transformadores de fuerza y uno de alumbrado, que por supuesto alimentan cargas trifásicas y monofásicas. Valoremos inicialmente bancos de tres transformadores iguales. En este caso el análisis se realiza si es detectado que el banco está subcargado, a partir de aquí se evalúa la factibilidad de desconectar uno de los tres transformadores, recordemos que esta conexión se utiliza para cargas trifásicas fundamentalmente Para el banco completo, este entrega la potencia trifásica. S c = 3 I L VL En el caso de dos transformadores (banco incompleto). (9) S , S N = Potencia aparente (kVA) de la carga total y nominal respectivamente. de un transformador, Para el banco incompleto, conociendo que cada transformador entrega 0,577 S, se tiene: ∆E I = 2 ∆ Po T + 2 ∆ Pcc 3  S   Sn 2   τ  (12) Graficando en un mismo diagrama las expresiones (11) y (12), se obtienen zonas óptimas de utilización para ambas conexiones, aunque todavía sin incluir la influencia de las pérdidas en las líneas de alimentación. Igualando las expresiones (11) y (12), se obtiene el valor de carga crítico que limita las zonas de utilización. donde: I L , VL = Corriente y voltaje de línea en Amperes y kV respectivamente. 40 Sc = 3 ∆ P0T Sn ∆Pccτ (13) Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Santiago Lajes Choy, Davel Borges V., Carlos Hernández R. Evaluando los resultados a partir de la expresión (13) (tabla I), se observa que los valores de Sc están muy por debajo del total de potencia instalada en la conexión de dos transformadores, e incluso en bancos de unidades hasta 100 kVA varían entre 1.14 y 1.48 de la potencia de un transformador y en bancos de 167 a 333 kVA, alrededor de 0,9. TABLA I. Resultados de la potencia critica, obtenidos con la expresión (13) SN (de un ∆Po/∆Pcc transf., (kW) kVA del Banco) T/τ 5 0,036/0,1 8000 3940 10 0,06/0,17 2,03 14,66 1,46 15 0,07/0,27 2,03 18,84 1,25 25 0,13/0,4 2,03 35,17 1,40 37,5 0,16/0,45 2,03 55,18 1,47 50 0,19/0,58 2,03 70,62 1,41 75 0,25/0,9 2,03 97,54 1,30 100 0,3/1,4 2,03 114,23 1,14 167 0,3/2,3 2,03 148,84 0,89 250 0,49/3,5 2,03 230,84 0,92 333 0,6/4,5 2,03 300,06 0,90 Sc (kVA) / 7,40 Sc/SN 1,48 1000VL2 γL = constante unitaria de pérdidas, VL = Voltaje de Línea en kV. γ L = Resistencia por kilómetro de la línea, 1.32 S 2 Lτ K 2I (15) donde: K2 I = 1333 V 2 (2γ L + 3γ n ) γ n = Resistencia por kilómetro del neutro, En ese caso, para la conexión completa, las pérdidas de energía por la línea se expresan: Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 K 2C = ∆E L I = Probemos incorporar al análisis las pérdidas que tienen lugar en las líneas que alimentan a los bancos de transformadores de distribución. S2 Lτ K 2C L = Longitud en kilómetros de la línea de alimentación. Ω/km. De forma similar, pero considerando la asimetría de la conexión estrella – delta abierta del banco incompleto, las pérdidas de energía por la línea serán [1]: EFECTO DE LAS CONEXIONES EN UN TRANSFORMADOR TRIFÁSICO ∆E LC = donde: (14) Ω/km. Obsérvese que K2I < K2c, por lo que para una misma combinación de carga y longitud de la línea de alimentación el cambio de la conexión completa a la incompleta produce un incremento de las perdida por la línea, en otras palabras, tiende a reducir la zona óptima de utilización de la conexión incompleta. Incorporando las pérdidas por línea a las expresiones (11) y (12), se obtienen las ecuaciones generales para la conexión completa e incompleta:  S  ∆E c = 3∆PoT +    Sn  2 1 S 2L   ∆ Pcc + n  τ K 2 c  3 (16) 41 �Pérdidas por las líneas en las conexiones de transformadores y bancos de distribución  S  ∆E I = 2∆Po T +    Sn  2 2 1.32 S n2 L   ∆ Pcc + τ K 2 I  3 RESULTADOS EN EL CASO DE UN BANCO CON UNIDADES NO IGUALES (17) Igualando las expresiones (16) y (17), se puede hallar el valor de carga crítica, que limita la zona de utilización de ambas conexiones: Sc = ∆PoT  1.32S n2 Lγ L (2γ L + 3γ n )τ 0.33∆Pcc + (3000γ n + 667γL )VL2   Sn (18) Si comparamos las expresiones (18) y (13), obsérvese que para L=0, (no considerar el efecto de las pérdidas por la línea), la expresión (18) se convierte en la (13). De considerar este efecto como se propone en el presente trabajo, la ecuación (18) nos confirma que al incorporar el efecto producido por las pérdidas en las líneas de alimentación de los bancos se reduce la zona de utilización de la conexión incompleta y esto se agudiza en la medida que se incrementa la longitud de la línea. Por otra parte a incrementos del voltaje nominal, Sc aumenta y la zona óptima de los bancos completos se reduce. Si resulta que el banco completo está cargado a un valor menor que la expresión (18), entonces en una primera instancia pudiera eliminarse una de las tres unidades y trabajar en conexión incompleta. No obstante a este análisis habrá que incluirle los gastos adicionales necesarios para concretar esta medida técnica. Esto lo evaluaremos mas adelante. Si la carga es mayor que Sc, no es necesario aplicar la medida. 42 Para evaluar el comportamiento de los bancos de transformadores compuestos por dos unidades de fuerza iguales y una de alumbrado, donde esta última tiene una capacidad nominal mayor que cualquiera de las otras dos. Aquí como se conoce el transformador de alumbrado asume 2/3 de la carga monofásica, y cada transformador de fuerza 1/3 de esta carga, por lo que se suministra 4/3 de la carga monofásica, engendrándose una capacidad ociosa. La carga trifásica se distribuye a partes iguales. Tomado lo anterior en consideración, para el banco completo: ( ) ∆E = 2 ∆ P + ∆ P T + 0 03 c   ∆P  cc  1  4 2 4  K + K +  9 9 9  S2 τ cc3 2  3Φ S n3  2 2 2 4  K + K+  9 9 9   + ∆P S 2 n ( ) (19) donde: ∆P0 , ∆Pcc y ∆P03 , ∆ Pcc3 = Pérdidas de potencia (kW) en vacío y de cortocircuito de un transformador de fuerza y el de alumbrado, respectivamente. K= S1Φ S 3Φ = Relación entre la carga monofásica y trifásica. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Santiago Lajes Choy, Davel Borges V., Carlos Hernández R. S n , S n3 = Potencia aparente nominal del transformador de respectivamente. fuerza y alumbrado En el caso del banco incompleto, considerando que se desconecta uno de los transformadores de fuerza, toda la carga monofásica la asume el transformador de alumbrado y la trifásica se distribuye por igual en los dos transformadores a 0,577 S3φ cada uno, por lo que aquí aparece la capacidad ociosa a consecuencia de la carga trifásica. La expresión para el banco incompleto quedará de la siguiente forma: ∆E1 = (∆ P0 + ∆P03 )T + ∆E L I = (K 2 ) + 2.66 K + 1 S 32φ K 2c ) + 2.3K + 1.32 S 32φ 2 K 2I Lτ (22) Lτ (23) Observándose que para K=0, las expresiones (22) y (23) se convierten en las (14) y (15) respectivamente. Integrando el efecto por la línea y en los bancos las expresiones de pérdidas de energía para la conexión completa e incompleta será: ∆E c' = (2∆P0 + ∆P03 )T + [A1 + A2 + A3] S 32φ τ (24) donde:  0.33∆Pcc K 2 + 1.15K + 0.33  2 + ∆ P 3   S3Φ τ cc 2 S n23  Sn  (20) La potencia trifásica crítica, que limita las zonas óptimas de cada conexión se obtiene a partir de igualar las expresiones (19) y (20) y está dada por la siguiente ecuación: S3Φc = ∆E Lc (1.77 K = 2 2 2 4  K + K+  9 9 9 A1 = ∆Pcc S n2 1 4 2 4  K + K+  9 9 9 A2 = ∆Pcc3  2 Sn3 A3 = ∆P0 Τ 1   2 2 4 5 2 6,35 2  K + K −  K + K+  9 9 9  9 9 9  τ ∆Pcc3 − ∆Pcc S n23 S n2     (1.77 K 2 ) + 2.66 K + 1 L K 2c (21) Obsérvese que para K=0 y Sn3 = Sn , ∆Pcc3 = ∆Pcc es decir, para bancos de transformadores con tres unidades iguales y sin carga monofásica, la expresión (21) se transforma en la (13). Incorporado al análisis las pérdidas por las líneas de alimentación, éstas se expresan para los bancos completos e incompletos de la siguiente forma: Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 43 �Pérdidas por las líneas en las conexiones de transformadores y bancos de distribución ∆E I' = (∆P0 + ∆P03 )T + [B1 + B2 + B3] S 32φτ (25) donde: B1 = ∆Pcc (0.33∆Pcc ) B2 = ∆Pcc 3 (K B3 = 2 (K S n2 2 + 1.15K + 0.33) S n23 ) + 2.3K + 1.32 L K 2I Igualando ambas expresiones, obtenemos la potencia aparente crítica que limita las zonas de utilización de las conexiones en análisis y está dada por la siguiente expresión: S 3φc = ∆P0T τ {C1 − C 2 + C 3} (26) donde: 2 5 2  K + 0.7 K +  9 9  C1 = ∆Pcc 3  S n23 2 2 4 1 K + K− 9 9 C 2 = ∆Pcc 9 S n2   K 2 + 2.3K + 1.32 C3 =  − 1.77 K 2 + 2.66 K + 1 L K 2I   Comparando las expresiones (26) y (21), obsérvese que para L = 0, la expresión (26) se convierte en la (21). Al incrementar la longitud de la línea, la zona de utilización de la conexión incompleta se reduce, lo que satisface la lógica. Por otra parte a incrementos del voltaje nominal, 44 aumenta K2I y K2c y por consiguiente aumenta la zona de utilización del banco incompleto. Igual que evaluamos en bancos de tres unidades iguales, la carga que asume el banco completo asimétrico es inferior a Sc (Expresión 26), entonces en una primera instancia resulta recomendable desconectar una unidad. En ambos casos debemos incorporar al análisis la inversión adicional necesaria para aplicar la medida técnica. Recomendamos entonces, efectuar el análisis comparativo a partir del VAN de costo (4) y las expresiones (3), (4) y (5) de forma similar a transformadores independientes. CONCLUSIONES Se muestran los valores del coeficiente de carga límite en función del coeficiente de carga del transformador ocioso. Se realiza un análisis comparativo entre transformadores de capacidades contiguas y alternas. Para evaluar la racionalidad de efectuar la sustitución de la capacidad ociosa, además de cumplir que el coeficiente de carga del transformador menor debe ser menor que el coeficiente de carga límite (K1 < KL), debe incluirse un análisis a través del VAN de costo. Se precisa el ahorro de pérdidas de energía exigido por peso adicional invertido, que aumenta a incrementos de la tasa de interés y viceversa y disminuye en la medida que el cambio se produce con más años de explotación del transformador mayor. Se presenta un análisis comparativo entre las conexiones de transformadores de distribución con bancos completos e incompletos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Santiago Lajes Choy, Davel Borges V., Carlos Hernández R. Se evalúan los resultados para los casos de bancos con 3 transformadores iguales y para bancos con 2 transformadores de fuerza y uno de alumbrado. Inicialmente se realiza el análisis comparativo entre ambas conexiones, incluyendo la pérdida de energía en el banco y posteriormente se evalúa la influencia de la línea y sus pérdidas. Se observa que en la medida que la longitud de la línea se incrementa se hace más pequeña la zona de utilización de la conexión incompleta. Sin embargo a incrementos del voltaje nominal aumenta la zona de utilización del banco incompleto. Se muestra la expresión para el análisis de la factibilidad económica de sustituir los bancos completos en explotación por conexiones incompletas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 BIBLIOGRAFÍA 1. Casas, L: Sistemas Electroenergéticos, “Apuntes para un libro de texto”. Tomo I y II. MES, UCLV, Santa Clara, 1982. 2. Korotkievich, M.A.: Optimización en la explotación de circuitos de distribución, MINSK, 1984. (En Ruso) 3. Korotkievich, M.A: y Traviaanski M.Y.: Perfeccionamiento en la explotación de redes eléctricas de ciudades, Sta bropol, 1987, (En Ruso). 4. Fernández, L: “Evaluación financiera de proyectos energéticos”. Seminario de economía de la energía CEPAL – Ministerio de Economía y Planificación de Cuba. La Habana, Febrero, 1997. 45 �Apuntes para un análisis de los procesos científicos en la sociedad♦ José María Infante* Hablar de ciencia y sociedad puede provocar confusiones, ya que se daría a entender que la ciencia y la sociedad son dos entidades separadas. Como si una pudiera surgir al margen de la otra, como si los procesos de una cualquiera de ellas fuesen autónomos. ♦Para comenzar, toda sociedad hace ciencia o desarrolla ciencia, desde antes de Imhotep (Asimov, I. 1971).1 Porque la ciencia no es más que uno de los modos –quizá el principal– por los que una sociedad se adueña de su entorno, modelándolo según sus propias y cambiantes necesidades y consiguiendo efectos, intencionalmente buscados o no. CIENCIA INSTITUCIONALIZADA En el entendido de que la sociedad es la estructura más abarcadora y compleja, sugiero que hablemos de ciencia en la sociedad. Este trabajo es un intento de poner en claro cuáles son los aspectos a los que deberíamos atender para poder explicar cuáles son los movimientos de lo científico en lo social. Esta visión suele ser correcta pero es sin duda parcial. Aun cuando haya científicos que busquen la espectacularidad, lo más acertado es que el placer por la innovación no provenga de ella misma sino de las complejas relaciones que se establecen entre el investigador y el objeto de la investigación, aunque algunos periodistas estén buscando siempre una nota de corte amarillista. Javier Sampedro (2000)2 ilustra muy claramente esta tendencia de la prensa* “popular” a exagerar los hallazgos científicos, presentando titulares de escándalo: “La salud mental de quienes sufren un accidente de avión es mejor que la de los pasajeros que no lo sufren, según un estudio”; o la presentación por parte de agencias noticiosas con interpretaciones inadecuadas de correlaciones estadísticas – generalmente, por lo demás, descontextuadas– lo que puede causar falsas impresiones o mitos. Lo que cualquier observador ajeno puede ver es que hay una forma de hacer y difundir la ciencia que está disponible o se presenta asiduamente en los medios de comunicación de masas. Los periódicos nos informan sobre diferentes aspectos de orden espectacular, generalmente relacionados con logros o avances que podrán mejorar la calidad de vida o aliviar algún sufrimiento: una nueva terapia para el cáncer, un nuevo artefacto para optimizar las comunicaciones, un nuevo vehículo más eficiente, un nuevo proceso para ciertos alimentos y así por el estilo. Puede haber científicos que estén trabajando sólo en la búsqueda de un premio Nobel, pero ello, quizá siguiendo un adecuado principio de realidad, no es el motivador de la mayoría de los científicos que están trabajando en el mundo. Algunos, ♦ Artículo publicado en la Revista CienciaUANL de enero-marzo 2001 y reproducido con permiso del autor. 46 * Subdirector de Investigación, Facultad de Filosofía y Letras, UANL. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �José María Infante encontrar condiciones favorables, se dirigieron a los Estados Unidos a desarrollar su trabajo, desde donde han obtenido reconocimiento internacional (Ruiz Camacho, 2000).4 también más realistas, sólo buscan ganar dinero, mientras otros quieren impresionar a sus alumnos o discípulos, conquistar una dama o siguen alguna otra razón, clara u obscura. Porque los premios Nobel ponen en evidencia un asunto no fácil de explicar, el de las relaciones entre las orientaciones individuales y los procesos sociales, ejemplificado por las dificultades para entender por qué esos procesos individuales se acompasan con procesos sociales. Si analizamos la lista de premios Nobel, vemos que surgen de un número limitado de países: Estados Unidos de América, Gran Bretaña, Alemania, Francia, Suecia, Suiza, Austria, Holanda, (ex) URSS, Dinamarca, Italia, Japón, Argentina, Canadá, Australia, Finlandia (en orden decreciente por el número de premios Nobel recibidos en física, medicina y química). Si contamos entre 1901 y 1989, de los 400 premios otorgados, 153 fueron para científicos de Estados Unidos; pero esta desproporción se acentúa de 1974 en adelante, donde, de 106 premios, 62 se otorgaron a científicos estadounidenses y donde hay 15 científicos de otros países que recibieron un Nobel, pero que toda su actividad científica la realizaron en los Estados Unidos (Williams, T. 1993).3 Una manifestación de esto también la encontramos en México: científicos como Mario Molina o Ricardo Miledi, al no Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 La aparición de Argentina en la lista anterior es excepcional, como lo es su aparato científico: como bien lo ha explicado Marcelino Cereijido (1999)5 la ciencia en ese país no existe, sólo se trata de científicos que desarrollan su trabajo pese a las trabas y enemistades del aparato burocrático. Éste es, en general, el drama de la ciencia en los países de desarrollo intermedio –incluido México–: hay actividad científica pero es insuficiente en cantidad, aunque pueda mostrar calidad por la labor de sus investigadores; además, el aparato científico está desacoplado del sistema productivo. Entre los premios Nobel, hay quienes surgen de instituciones como las universidades, pero también quienes han desarrollado sus trabajos de investigación en empresas u otros medios no vinculados a lo académico o a la transmisión del conocimiento, lo que muestra esa articulación de la que hablo: mientras en los países latinoamericanos la ciencia se produce casi exclusivamente en las universidades públicas, en los países de la lista ut supra la producción científica también surge de esas múltiples fuentes. Mario Molina 47 �Apuntes para un análisis de los procesos científicos en la sociedad Otra modalidad de actividad pública de la ciencia, menos presentada por los medios de comunicación de masas, son los congresos o reuniones científicas. Los congresos científicos internacionales comienzan a desarrollarse de manera sistemática a partir de mediados del siglo XIX en Europa, lo cual es un indicador de algunos cambios importantes en la actividad científica: por un lado, se produjo un aumento cuantitativo considerable de las personas dedicadas a ello –como causa y consecuencia del aumento de la riqueza– y, por otro lado, el incremento de la importancia relativa que el sector dedicado a la ciencia estaba teniendo en la sociedad como conjunto. Es posible que la explosión de los nuevos medios de comunicación (me refiero concretamente a la red Internet) cambie un poco o mucho esta forma de relación, la de los congresos, pero hasta ahora éstos no parecen haber asimilado esos cambios. El que aparezcan menos en la prensa se debe, probablemente, a que los congresos no son espectaculares salvo para los propios científicos involucrados. Con ello quiero decir difícilmente en los congresos se presentarán grandes descubrimientos o innovaciones, ya que sirven para extender los conocimientos y hacer más precisos los hallazgos, pero no para el espectáculo de carácter extracientífico. Son una muestra de los avances y del significado que se le otorga a la actividad científica en la sociedad. Pero también en los congresos hay agrupación por países, según niveles de desarrollo: en los congresos internacionales, la presencia de los países de punta –en especial los Estados Unidos– suele ser de alrededor de las cuatro quintas partes, o sea que por cada científico proveniente de un país periférico hay aproximadamente cuatro de una zona de alto nivel de desarrollo económico social. Y ello no es accidental ni extraño: Los Estados Unidos producen 48 el 22.2 por ciento del PIB mundial e invierten en ciencia y tecnología el 37.9 por ciento del total mundial. América Latina, por su lado, produce el 8.4 por ciento del PIB mundial e invierte el 1.9 por ciento de los fondos dedicados a ciencia y tecnología. Tampoco es extraño, por lo tanto, que la mayoría de los congresos científicos en la actualidad se realicen en los Estados Unidos. Adicionalmente, uno de los problemas que tenemos es la especificidad de los términos que designan los conceptos que usamos para explicar o calificar las actividades científicas; una definición de los diferentes aspectos de la política científica debe ser precisa en este punto: también una definición clara permitirá una más clara compilación de datos estadísticos que nos permitan evaluar los resultados de las políticas científicas y tener una distinción de las actividades y sus aportes. Lo que generalmente conocemos como I + D (en inglés, R&D) se refiere a las actividades de investigación científica y desarrollo experimental que abarcan el trabajo creativo que se lleva a cabo en una sociedad con el propósito de incrementar los conocimientos sobre la naturaleza, el ser humano, la cultura y la sociedad y el uso que se hace de esos conocimientos para nuevas aplicaciones que a su vez transformarán todos esos ámbitos. Las actividades de I + D comprenden investigación básica, investigación aplicada y desarrollo experimental. Por investigación básica deben entenderse “trabajos experimentales o teóricos, que se emprenden fundamentalmente para obtener nuevos conocimientos acerca de los fundamentos de fenómenos y hechos observables, sin pensar en darles ninguna aplicación o utilización 6 determinada” (OCDE, 1996:89). y puede hablarse de desarrollo experimental cuando la actividad se manifiesta a través de “trabajos sistemáticos basados en los conocimientos existentes, derivados Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �José María Infante el desarrollo económico y social. Así lo reconoció la conferencia mundial que se desarrolló en Budapest en 1999 (Unesco/ICSU, 1999).8 La investigación científica debe tener en cuenta como objetivo principal el bienestar de la humanidad y para ello es necesario establecer sistemas de intercambio y cooperación entre todos los agentes sociales: las instituciones o centros de investigación, las universidades, la industria y todos los demás agentes privados. de la investigación y/o la experiencia práctica, dirigidos a la producción de nuevos materiales, productos o dispositivos, al establecimiento de nuevos procesos, sistemas y servicios, o a la mejora sustancial de los ya existentes” (OCDE, 1996:90).6 También en este aspecto a la OCDE reconoce que la categoría de desarrollo experimental tiene muy poco o inexistente significado para las humanidades, y que en el caso de las ciencias sociales podría hablarse de esta actividad cuando tratamos de convertir los conocimientos adquiridos, por medio de la investigación, en programas operativos destinados o modificar en parte las relaciones sociales prexistentes. Me parece que hasta que no adoptemos un lenguaje uniforme –y estas propuestas de la OCDE bien pueden ser un punto de partida– las discusiones sobre ciencia, sociedad y política seguirán sumidas en territorios oscuros. En la actualidad, la ciencia y sus aplicaciones son indispensables para el desarrollo, como nunca antes en la historia humana. Ya en 1971, Amílcar Herrera7 sostenía que la llamada revolución científica y tecnológica había sido una consecuencia de otras transformaciones sociales y políticas, pero que una vez puesta en marcha la actividad científica podrían activarse procesos, que a su vez aceleraran Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 Algunas cifras para América Latina muestran que los procesos de I + D sib desiguales: para 1998, la Argentina gastaba 42.7 dólares estadounidenses por habitante en este rubro mientras Canadá insumía 410, los Estados Unidos 850.8 y en México apenas llegábamos a un poco más 15 (RICYT, 2000).9 En cuanto al gasto en I + D como proporción del PIB, Argentina ostentaba un 0.42 por ciento, Brasil 0.76, Canadá 1.61, Chile 0.62, Estados Unidos 2.67 y México 0.47. Por lo que hace al número de investigadores en I + D por cada mil integrantes de la población económicamente activa, en 1995 (último año para el que se dispone de cifras completas) la proporción era de 1.9 en Argentina, 0.67 en Brasil, 5.51 en Canadá, 6.31 en España, 7.24 en los Estados Unidos y 0.55 en México. Todas estas cifras muestran que el problema no es sólo de recursos, sino también de voluntad política: con equiparar el esfuerzo económico de manera proporcional en términos relativos al realizado por Canadá, por ejemplo, nuestra ciencia se multiplicaría por cuatro o cinco aproximadamente. De la tabla I podemos también analizar la distribución proporcional de los recursos entre algunos países. 49 �Apuntes para un análisis de los procesos científicos en la sociedad Tabla I. Gasto en I + D por tipo de actividad en 1997 País Porcentaje dedicado a la investigación básica Porcentaje dedicado a la investigación aplicada Porcentaje dedicado a desarrollo experimental Argentina 25.8 49.8 24.4 Chile 54.0 43.0 3.0 España 22.8 38.8 38.4 Estados Unidos 16.8 22.4 60.8 México 23.3 47.7 29.1 Portugal 27.8 42.7 29.5 Fuente: RICYT (2000) Puede verse que, a mayor desarrollo, disminuye la proporción de la investigación básica y aumenta considerablemente la proporción del desarrollo experimental. También hay que decir que no se incluyen más países en esta lista debido a la carencia de datos, lo cual es una muestra más de las dificultades que tienen los países con menos desarrollo económico: carecen de datos estadísticos elementales para poder orientar sus políticas. La ciencia política ha ignorado la política de la ciencia (Oteiza, E. 1996),10 y por ello la política concreta no incluye normalmente a la ciencia en sus debates. Una posible excepción lo ha sido la última campaña electoral por la presidencia de los Estados Unidos, donde el candidato Gore se empeñó en introducir el tema en la agenda electoral, con una permanente rehuida por parte de su oponente. Iteiza se pregunta por qué las políticas que se formularon en América Latina, y que estaban destinadas a sostener la producción de ciencia y tecnología, no se llevaron a la práctica. Entre una de sus respuestas está la ausencia de una cultura 50 general sobre ciencia y tecnología entre las élites de poder; mientras que en los países europeos (Estados Unidos incluido) esa cultura forma parte del largo proceso constitutivo de sus complejas estructuras sociales –en especial a partir del Renacimiento– y eso no se ha dado en América Latina. Es posible que el trasfondo religioso tenga algo que ver con ello: no podemos olvidar la tradicional enemistad que la iglesia católica ha presentado contra la actividad científica. Por otro lado, las sociedades autoritarias –con o sin elecciones– han sido una constante en Latinoamérica, y ello tampoco es ajeno a las consecuencias mencionadas: al articular formas de denominación y control de tipo corporativo, han impedido el proceso de formación de una sociedad de conocimiento que, basándose en la ciencia, impulse formas abiertas de uso y distribución del poder. Las diferencias son manifiestas también en las políticas: la Unión Europea ha estado impulsando políticas de investigación científica y desarrollo desde hace ya varios años. El último programa fue aprobado el año pasado para el período 1999-2002. Denominado V Programa Macro se estructura en relación con cuatro áreas: calidad de vida y gestión de recursos vivos; sociedad de la información; crecimiento sostenible y competitivo y, por último, medio ambiente y desarrollo. Con respecto a cada una de ellas se decidió impulsar de manera Preferente un conjunto de líneas de investigación que se consideraron importantes para el conjunto de la sociedad europea: alimentación y salud, enfermedades infecciosas, producción celular, medio ambiente, desarrollo integral de las áreas rurales, envejecimiento de la población, sociedad de la información para los ciudadanos comunes, nuevas técnicas en el trabajo, multimedia, tecnologías básicas, procesos innovadores en las organizaciones, tecnología de transporte marítimo, agua potable, clima y biodiversidad, la ciudad Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �José María Infante futura, energía renovable y “limpia”, mejoría de los conocimientos socioeconómicos y otros más. Puede objetarse que la lista es demasiado extensa y que podría hacerse una concentración, puede decirse que hay otras prioridades que no están contempladas, puede proponerse otro programa político, pero lo cierto es que hay una política, cosa de la que carecemos casi todos los países latinoamericanos. Hay que recordar que las políticas también involucran reformas impositivas y un tratamiento fiscal adecuado: los países que han tenido estímulos fiscales a la inversión de la iniciativa privada en investigación científica y tecnológica son los que han tenido un crecimientos más vigoroso en este aspecto (Pérez Tamayo, R., 1998).11 LA CIENCIA NO INSTITUCIONALIZADA Las posibilidades de un desarrollo científico “individual” están asociadas, indudablemente, a la educación. La Conferencia Mundial sobre ciencia a la que nos referíamos estableció una declaración en la que se insiste en la educación científica como un prerrequisito para el desarrollo democrático y sustentable. El punto es que, en general, la mayoría de los países latinoamericanos están absolutamente atrasados en todos los niveles con relación a la educación científica básica. Thomas Kuhn Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 El mal no es sólo nuestro: en España, los temarios de enseñanza primaria en matemáticas y geología presentan un atraso de casi veinte años, en temas que han sufrido una gran transformación en este período (Arroyo, J. 2000).12 Si no disponemos de una enseñanza con bases científicas apropiadas, el interés por la dedicación a las actividades de I + D no aparecerá en los niños y de allí la consecuencia inevitable del escaso número de científicos en nuestros países. Otro aspecto de la ciencia no institucionalizada al que debemos prestar especial atención desde la perspectiva social es el de las consecuencias que muchas de las aplicaciones científicas y tecnológicas han traído al resto de los procesos sociales, sea en forma de daños a la ecología o directamente a los seres humanos. Incidentes como el de las “vacas locas” ponen de manifiesto la necesidad de cuidar de manera extrema las implicaciones que la actividad científica puede traer al resto de la actividad social, con sus costos económicos, sociales y políticos. ¿Progresa la ciencia atada al progreso social? Hemos tenido hasta ahora dos grandes explicaciones del progreso científico: la propuesta por Karl Popper, uno de los teóricos del crecimiento y desarrollo científico más escuchados en el siglo XX, quien insistió que el progreso científico debía verse como inherente a la actividad individual de Karl Popper 51 �Apuntes para un análisis de los procesos científicos en la sociedad los científicos (Popper, K. 1971).13 Thomas Kuhn, por su parte, puso énfasis en los elementos de orden social presentes en la actividad científica, pero sin tomar mucho en cuenta el resto de las actividades sociales relacionadas (Kuhn, T. 1971).14 Si tenemos en cuenta que, tal como las hemos definido, las actividades de I + D colocan a la ciencia en el seno mismo de la sociedad, hace falta una síntesis que continúe los trabajos iniciados hace ya muchos años por W. Dampier (1986)15 tratando de explicar las múltiples relaciones entre la ciencia y el resto de los componentes del sistema social. ¿Puede haber alguna conclusión de todo esto? No en un sentido estricto, sino una invitación a reflexionar, intercambiar opiniones e impulsar todas aquellas actividades que nos permitan alcanzar una sociedad más científica, que a su vez será sin duda una sociedad más democrática y con un mejor nivel de vida para todos los mexicanos. REFERENCIAS 1. Asimov, I. 1973. Enciclopedia biográfica de Ciencia y Tecnología. Alianza, Madrid. 2. Sampedro, J. 2000. El cartílago de tiburón no cura el cáncer. El País, año XXV, nº 8362, 11 jun 2000. 3. Williams, T. 1993. El estallido científico. Aguilar, Madrid, España. 7. Herrera, A. 1971. Ciencia y política en América Latina. Siglo XXI. México, D. F. 8. UNESCO/ICSU 1999 World Conference on Sciencie. Declaration on Science and the Use of Scientific Knowledge. 4 jun 99. http://nenx.nature.com/wcs/02-fg.html. 9. RICYT 2000. Red Iberoamericana de Ciencia y Tecnología. Indicadores. http:// www.ricyt.edu.ar, 20 nov 2000. 10. Oteiza, E. 1996. Dimensiones políticas de la “política científica y tecnológica”. En Albornoz, M., Kreimer, P. y Glavich, E. Ciencia y sociedad en América Latina. Universidad Nacional de Quilmes, Buenos Aires, Argentina, 75-86. 11. Pérez Tamayo, R. 1998. La inversión en ciencia y tecnología. El Financiero, año XVII, nº 4890, 14 sep 1998. 12. Arroyo, J. 2000. Los profesores españoles temen por las ciencias. El país. Año XXV, nº 8585, 21 nov 2000. 13. Popper, K. 1971. La lógica de la investigación científica. Tecnos, Madrid. 14. Kuhn, T. 1971. la estructura de las revoluciones científicas. Fondo de Cultura Económica. México. 15. Dampier, W. 1986. Historia de la ciencia y sus relaciones con la filosofía y la religión. Tecnos, Madrid. 4. Ruiz Camacho, A. 2000. La utopía tiene su esperanza en la ciencia: Miledi. El Financiero, año XIX, nº 5377, 27 ene 2000. 5. Cereijido, M. 2000. La nuca de Houssay. La ciencia argentina entre Billiken y el exilio. Fondo de Cultura Económica, México. 6. OCDE 1996. Medición de las actividades científicas y tecnológicas. Manual de Frascati. OCDE, París. 52 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �El programa tutorial de la FIME-UANL Jesús Moreno López* EL PROGRAMA TUTORIAL FIME En agosto de 2000 se inició la implantación del Programa Tutorial FIME, para apoyar la formación integral de los estudiantes, y de orientarlos en la solución de sus problemas académicos o personales. Además, este programa, pretende, como consecuencia de un mejor desempeño de los estudiantes, que se disminuya la deserción y se incremente la eficiencia académica. Meta El Programa Tutorial de la FIME tiene como meta desarrollar un programa que permita la orientación de los estudiantes que ingresan a la FIME, mediante la conformación de un grupo institucionalizado de profesores tutores que, en conjunto con asesores, apoyen el desarrollo personal y académico de los estudiantes. A través del Programa Tutorial se busca cumplir con los siguientes objetivos: • • Desarrollar un programa de tutoría individualizada para los estudiantes que ingresen a la FIME a fin de darles seguimiento durante sus estudios profesionales. poseer conocimientos y habilidades y desarrollarse como especialistas para este trabajo académico, fundamental en la formación del estudiante, así como ejercer el respeto a la confidencialidad de la información personal. * Además de cumplir con el perfil requerido, la FIME espera que los tutores desarrollen habilidades que les permitan ser capaces de cumplir con las siguientes responsabilidades: Proveer al estudiante de herramientas que le permitan definir su persona y su vocación, y que le faciliten el desarrollo o adquisición de habilidades, actitudes y valores para desempeñarse óptimamente como universitario. Los Tutores en la FIME Dada la trascendencia de la función de la tutoría, así como de su impacto en los estudiantes, la administración de la FIME considera que los tutores deben ser personas propositivas, sensibles, honestas, responsables, con un gran espíritu de servicio, comprometidas consigo mismas, con la institución y con los estudiantes, lo cual les exige Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 * • Conocer los recursos institucionales para apoyar a los estudiantes, para orientarlos de la mejor manera posible, de acuerdo a cada problemática específica. • Conocer los fundamentos de desarrollo humano e interpretación de actitudes, puesto que esto facilitará al tutor la identificación de problemas personales en sus estudiantes. • Adquirir conocimientos generales sobre educación, orientación vocacional y profesional, para identificar los problemas de orden académico. Secretario Académico de la FIME-UANL. 53 �El programa tutorial de la FIME-UANL • Desarrollar métodos para trabajar con los compañeros tutores en el intercambio de experiencias, y de esa manera crear sinergias en los esfuerzos realizados. • Orientar en técnicas de enseñanza-aprendizaje, adecuadas a las circunstancias de los tutorados. • Orientar en técnicas y hábitos de estudio, buscando reforzar la responsabilidad y la disciplina en el estudiante. • Desarrollar la capacidad de orientar en la definición de metas alcanzables, apoyando al tutorado a definir su plan de vida y carrera. • Mejorar continuamente su organización personal (tiempo, manejo de prioridades), puesto que su trabajo debe reflejar los valores y actitudes que pretende reforzar en sus estudiantes. • Desarrollar la habilidad de la comunicación, verbal y escrita. • Desarrollar la habilidad de identificar el problema principal, para dar una ayuda expedita, centrada en las prioridades del estudiante. • Actualizarse permanentemente en la información relacionada con nuestras carreras, puesto que parte de su tarea es orientar al estudiante en la definición del perfil curricular que sea más acorde con sus intereses y habilidades. a).- Tutor b).- Tutor asignado (o tutor de carrera) c).- Tutor principal (tutor de graduación) d).- Asesor (profesor-asesor) Cada tipo de tutor debe cumplir con un perfil que lo haga idóneo para atender la etapa específica que le corresponde apoyar en la formación de los estudiantes de la FIME. Los asesores ( o profesores – asesores) son un grupo autónomo que apoya especialmente a alumnos que tienen problemas académicos con materias de ciencias básicas. Están en continua comunicación con los tutores. En la Tabla I se describen las funciones para cada tipo de tutor y en la Tabla II las actividades a desempeñar según el tipo de tutoría. El Programa Tutorial FIME reconoce la existencia de cuatro grandes clases de actividades relacionadas con la tutoría (ANUIES: Programas Institucionales de Tutoría, p.123-137), que demandan características y habilidades distintas en cada profesor-tutor: 54 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Jesús Moreno López TABLA I. FUNCIONES DE CADA TIPO DE TUTOR Tipo de Tutor Tutor Funciones Recibe a los estudiantes de primer ingreso y les da apoyo y seguimiento hasta que son capaces de resolver sus problemas por sí mismos o con una ayuda mínima. Es un profesor capacitado para identificar la problemática de índole académica, psicológica, de salud, socioeconómica y familiar de los estudiantes y ofrecer alternativas para su solución: ayuda al estudiante a explorar sus capacidades y/o a compensar sus deficiencias, propugnando por el desarrollo de habilidades de autoformación con base en el apoyo mutuo. El tutor canaliza el estudiante con los expertos correspondientes cuando las problemáticas rebasan su capacidad y formación. Tutor asignado (o Tutor de Carrera) Profesores con un conocimiento completo de la carrera elegida por los estudiantes. Por lo tanto, el tutor asignado, es el profesor asignado por la coordinación (jefatura) de carrera a cada estudiante, o a grupos de estudiantes, encargado de orientarlos y auxiliarlos en la elección de sus materias, además de ofrecerles orientación curricular para alcanzar la formación a la que aspiran, de acuerdo con sus intereses personales y de vocación. Tutor principal (Tutor de Graduación) Orientar en tópicos específicos, a estudiantes que estén en la posibilidad de hacer prácticas profesionales, o de prepararse para su titulación, o que deban acreditar materias en las que elegirá proyectos de investigación aplicada o de desarrollo de tecnología. Asesor (Profesor – Asesor) Apoyar en un campo del conocimiento específico. Es un especialista en una disciplina, capacitado para resolver dudas o preguntas sobre temas específicos de su dominio, orientando a estudiantes o grupos de estudiantes en la solución de problemas y la comprensión de conceptos. PROGRAMA DE FORMACIÓN DE TUTORES Primera etapa: La FIME tiene una clara conciencia de la necesidad de asignar la función tutorial a profesores que estén realmente preparados para cumplirla con la mayor eficacia posible, por lo que, dentro del plan institucional de formación de profesores, se diseñó un programa específico de formación de tutores, que incluye tanto lo referente a la práctica y conceptualización de la tutoría en el nivel superior, como la pedagogía universitaria, puesto que los profesores elegidos para esta tarea deben ser los mejores tutores, pero también los mejores docentes. La primera etapa se desarrolló en el verano de 2000, con un programa en el que participaron un total de 110 profesores, conducido por facilitadores especialistas en cada tema: Programa teórico práctico de 130 horas, considerando tanto la formación como tutores y la formación en pedagogía universitaria: Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 Segunda etapa: La segunda etapa del programa de formación de tutores se desarrolló entre los meses de Noviembre 55 �El programa tutorial de la FIME-UANL TABLA II. ACTIVIDADES A REALIZAR POR CADA TIPO DE TUTOR Actividades Tipo de Tutor Tutor Tutor asignado (o Tutor de Carrera) Tutor principal (Tutor de Graduación) Asesor (Profesor – Asesor) 56 • Diagnóstico preliminar (programa de inducción) del potencial académico de los estudiantes de primer ingreso, para establecer su perfil individual de fortalezas y debilidades. Incorporar los resultados y datos del diagnóstico en la base de datos de información para la superación académica. • Realizar por lo menos cinco entrevistas individuales con cada estudiante asignado (de 30 minutos cada una) por ciclo lectivo, • Detectar y documentar los problemas de aprendizaje, motivación, orientación vocacional, competencia académica y hasta de personalidad, y ofrecer a sus tutorados la orientación pertinente o remitirlos a expertos • Monitorear el desarrollo académico y universitario de sus tutorados. • Evaluar los resultados de las acciones realizadas con cada uno de sus tutorados y participar en las reuniones de evaluación del programa tutorial. • Recibir a los estudiantes cuando estén en posibilidad de definir la orientación de su carrera que consideren más adecuada a sus intereses de formación profesional. • Conocer los campos de desarrollo de esa carrera, puesto que también apoyará al estudiante en la definición de la orientación profesional que corresponda con mayor congruencia a los intereses de éste. • Orientar a sus estudiantes en la definición de los proyectos académicos que mejor le sirvan para su formación profesional, incluyendo el programa de servicio social. • Orientar al estudiante en la definición de las actividades que conduzcan a la preparación de una tesis. • Orientar al estudiante en la elección de su proyecto de prácticas profesionales, así como dar seguimiento a su desarrollo. • Establecer, junto con el estudiante, el programa de actividades que éste deberá cumplir para cubrir con los requisitos de titulación. • Supervisar la preparación de sus tutorados para el examen general de conocimientos. • Apoyar a los estudiantes a encontrar la solución de problemas específicos de un campo del conocimiento. • Resolver dudas o preguntas sobre temas específicos de su dominio, orientando a estudiantes o grupos de estudiantes. • Orientar al estudiante para que investigue la bibliografía correspondiente a la materia con la que tiene problemas. • Orientar al estudiante para que investigue por su cuenta programas tutoriales específicos de la asignatura en la que tiene dudas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Jesús Moreno López de 2000 y Enero de 2001, participando un total de 60 profesores, apoyados por un grupo de facilitadores que dieron seguimiento a las experiencias que el grupo de tutores tuvo durante el periodo Agosto a Diciembre de 2000, es decir, cuando se instituyó el Programa Tutorial FIME, para los estudiantes de primer ingreso. Nuevamente se desarrolló un programa teórico – práctico, ahora de 120 horas, considerando la formación como tutores y la formación en pedagogía universitaria: Además, durante este periodo (Noviembre 2000 a Enero 2001), se repitió el programa de la primera etapa, para una nueva generación de tutores, participando en éste 30 profesores. asignándolo a otras tareas que no contemplen entrevistas con estudiantes. ADMINISTRACIÓN TUTORIAL PROGRAMA Como se ha dicho anteriormente, el Programa Tutorial FIME, aunque fundamentado en los documentos propuestos por ANUIES, pretende cubrir las necesidades concretas de la institución, por lo que se estableció una estructura adscrita a la Secretaría Académica de la Facultad, con identidad propia, administrada bajo políticas que faciliten los procesos de orientación y ayuda a los estudiantes, a través de la cual se ha logrado lo siguiente: • Formalización del programa tutorial, adscrito a una Coordinación Académica generada específicamente para este propósito. • Formalización de la función de tutor como tarea docente del profesor, al otorgar nombramientos por ciclo escolar, con base en las otras actividades docentes del profesor. • Estructura administrativa en la Coordinación de Tutorías: Un Coordinador General y coordinadores de los equipos de tutores. Asignación de la función de tutoría Una premisa, establecida desde el inicio del programa de formación de tutores, era que la asignación de la función sería en base al perfil deseable del profesor - tutor, es decir, que no bastaría la preparación teórica obtenida durante este programa, ni incluso la práctica lograda bajo la conducción de los facilitadores durante el mismo, puesto que los asignados deberían ser profesores con experiencia docente, que hubieran asistido a los cursos de formación correspondientes, que tuvieran las cualidades personales correctas (apertura, habilidad de interrelación personal, habilidad de comunicación, capacidad de empatía), y con los antecedentes académicos congruentes con esta tarea. Para lo anterior, fue definitiva la opinión de los facilitadores, especialmente los profesionales de psicología. DEL Por otra parte, la asignación a la función de tutoría se hace al inicio de cada ciclo escolar, por lo que, con base en las evaluaciones de los resultados concretos del tutor, se puede modificar su estatus, Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 57 �El programa tutorial de la FIME-UANL • Programación de al menos 5 entrevistas entre el tutor y sus estudiantes, por ciclo escolar. los profesores sobre la importancia de atender la formación integral de los estudiantes en la FIME. • Evaluación de la función del tutor, al finalizar cada ciclo escolar. • Actualización permanente de la actividad de los tutores y los resultados de las entrevistas, en una base de datos confidencial. La resistencia al cambio, especialmente para aceptar un programa como éste, dificulta su implantación. Es necesario documentar todo el proceso, a fin de facilitar las acciones futuras. AVANCES Y RESULTADOS BIBLIOGRAFÍA Desde la implantación del Programa Tutorial FIME pueden reconocerse los siguientes resultados: 1. ANUIES, Programas Institucionales de Tutoría, México, 2000. • Conformación de un cuerpo de tutores, con la formación y perfil deseables para la FIME • Establecimiento de un programa de inducción, paralelo al Curso Propedéutico ofrecido a los estudiantes de primer ingreso a la FIME • Asignación y adecuación de un área física que permita la atención a los estudiantes, en las mejores condiciones posibles • Establecimiento de un programa de entrevistas, calendarizado para cada estudiante • Identificación de problemas académicos o personales de los estudiantes 2. Rodríguez. Ma. Luisa, Orientación e intervención psicopedagógica, ediciones Ceac, S. A., España, 1995. 3. Rus Arboledas, Antonio, Tutoría, Departamentos de Orientación y Apoyo, Editorial Universidad de Granada, España, 1999. 4. Proyecto de Reforma Académica y Curricular, FIME-UANL 2000. 5. Reyes Tamez, et al. UANL-Visión 2006. Secretaría Académica, UANL. 6. Plan de Desarrollo Institucional de la FIME 1997-2006, FIME-UANL. CONCLUSIONES La retroalimentación obtenida por los profesores tutores de parte de los alumnos, así como de profesores de otras escuelas o instituciones educativas, valida nuestra opinión de establecer un programa específico para la FIME, diseñado en función de las características propias de la Facultad. La identificación de problemas académicos o personales en los estudiantes de la FIME, a través del Programa Tutorial, ha permitido sensibilizar a 58 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 �Enredándose Normas Internacionales Fernando J. Elizondo Garza* La ingeniería en los tiempos modernos se basa en conceptos y procedimientos depurados en base a la discusión crítica de propuestas presentadas por personas u organizaciones las cuales son formalizadas, en algunos casos, en una norma. Existen normas avaladas por organizaciones industriales, militares o profesionales; existen normas con carácter voluntario u obligatorio a nivel nacional y existen también organismos internacionales que establecen normas aceptadas a nivel mundial. A continuación se presenta información para poder adquirir vía Internet normas a nivel internacional. ISO ANSI En virtud del Tratado de Libre Comercio y de la presencia de maquiladoras norteamericanas en México, las normas de los E.U.A. son manejadas con cierta frecuencia en el ámbito ingenieríl mexicano. El Instituto Nacional Americano de Normalización es la organización que *administra y coordina la normalización en los Estados Unidos de América. Fundada en 1918, la ANSI trabaja en coordinación con las principales organizaciones profesionales, industriales y militares en el establecimiento de normas estadounidenses, además de representar a los EUA, en organizaciones internacionales de normalización. La dirección en Internet de la ANSI es: http://www.ansi.org/ La Organización Internacional para la Normalización, ISO, con sede en Suiza, y la cual está integrada por representantes de los sistemas de normas de 140 países, ofrece, a través de su página en Internet ubicada en la dirección: http://www.iso.ch información sobre su estructura, políticas, servicios, productos y eventos. Además cuenta con un sistema de búsqueda que permite fácilmente localizar las normas de su interés aprobadas o en estudio por la ISO. Para adquirir normas cuenta con la “ISO Store” sistema en línea que permite la adquisición de norma y otras publicaciones. El correo electrónico de la ISO es: central@iso.ch Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 Para la distribución de sus normas ANSI trabaja con la NSSN, originalmente la National Standards System Network, que al ampliar su cobertura a nivel mundial continuó usando las siglas con el agregado “a National resource for global standards” y cuya dirección de Internet es: http://www.nssn.org/ * Director de la Revista INGENIERIAS fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx 59 �Enredándose: Normas internacionales La NSSN, a través de su sistema de búsqueda, ofrece en venta normas americanas, normas internacionales y normas de muchos países alrededor del mundo. Existen una serie de empresas dedicadas al manejo y venta de información técnico científica a través de Internet las cuales distribuyen normas a escala internacional. Como ejemplo a continuación se mencionaran dos casos. TECHSTREET La empresa Techstreet, se dedica a proveer información, herramientas ingenieriles y servicios electrónicos que apoyen y faciliten el trabajo de la comunidad científica e ingenieríl a nivel mundial. Techstreet, cuya dirección en Internet es: www.techstreet.com ofrece el servicio en red de venta de libros, normas, entrenamiento y software. En lo referente a normas, ofrece las normas de un gran número de organizaciones científicas, militares e industriales, las cuales pueden ser fácilmente localizadas con su sistema de búsquela, el cual lista las normas disponibles, mostrando su costo, ya sea para la norma impresa, de estar disponible, o para de la versión en archivo electrónico en PDF, el cual puede ser bajado directamente a su computadora personal tras el pago de la misma. Actualmente disponen en versión electrónica alrededor de 20,000 normas. 60 GLOBAL ENGINEERING DOCUMENTS La empresa GED, parte del consorcio Information Handling Services IHS, es uno de los principales distribuidores a escala mundial de normas, especificaciones, reglamentaciones y publicaciones técnicas desarrolladas por organizaciones y sociedades como: ANSI, API, ASME, ASQ, ASTM, AWS, BSI, CSA, DIN, EIA, Ford, GM, ICEA, IEC, IEEE, ISA, ISO, JSA. NEMA, SAE, y UL, entre muchas otras. La empresa afirma tener mas de 60,000 clientes en 120 países y atender más de mil solicitudes de documentos por día. La localización de las normas se efectúa a través de un sistema de búsqueda, ya sea por número de documento, o de palabra contenida en el título de la norma requerida GED ofrece, vía Internet, tres opciones para adquirir normas: versión impresa, versión electrónica recibida por la red (en caso de estar disponible) y CD´s con recopilaciones de normas de algunas organizaciones. También ofrece el servicio de puesta al día, ya sea a través de un boletín semanal o de un reporte específico para el cliente de acuerdo a sus requerimientos. La dirección en el WWW de la empresa Global Engineering Documents es: http://global.ihs.com y el correo electrónico de su filial en México es: global@ihs.com.mx Ingenierías, Junio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 �Eventos Primer Congreso Metal Mecánico Moisés Hinojosa* Los días 14, 15 y 16 de marzo se llevó a cabo el Primer Congreso Metal Mecánico en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Fue organizado por la Sociedad de Estudiantes de Ingeniero Mecánico Metalúrgico y la jefatura de la carrera. Hubo una serie de conferencias en las que se abordaron diversos temas relativos a la industria metal-mecánica, complementados con temas de investigación y desarrollo en diferentes áreas relacionadas con la manufactura y la ingeniería de materiales. El M. C. Jorge Ramírez, de la división de acero planos de HYLSA, abordó el importante fenómeno de la oxidación en aceros de bajo carbono. En una amena charla que suscitó gran interés, el Dr. José Talamantes, de NEMAK, expuso el tema “Desarrollo de aleaciones de aluminio para autopartes”. El Dr. Juan Aguilar, investigador de la FIME, ofreció un panorama de las técnicas modernas para el procesado de materiales cerámicos. La Dra. Idalia Gómez discutió la síntesis de materiales cementicios a partir de desechos industriales y agrícolas. “Los imprescindibles polímeros y sus particularidades”, la exposición del Dr. Virgilio González, investigador de la FIME, provocó buena participación de la concurrencia a través de sus preguntas. El Dr. Talamantes, de NEMAK, contestando preguntas de los asistentes. También en el marco del congreso se organizaron dos visitas a la empresas Riga S. A. de C. V y NEMAK S.A. de C. V. Ambas representaron una excelente oportunidad de conocer procesos de manufactura de la industria metal-mecánica. Como beneficio adicional para los estudiantes participantes se abrió la posibilidad de realizar estancias y prácticas profesionales en dichas empresas. De manera global, el congreso atrajo la atención de alumnos de distintas carreras y semestres. Fue notoria también la asistencia y participación de distinguidos catedráticos de la FIME. En general el evento permitió *a los estudiantes adquirir la experiencia de participar en un congreso donde se expusieron temas de vanguardia industrial, desarrollo tecnológico y de investigación, con lo que amplían el panorama que adquieren a través de sus estudios. Enhorabuena por este evento. La sociedad de estudiantes pretende que este congreso sea anual; que así sea. Todas las conferencias contaron con buena asistencia. * Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No. 12 Doctorado en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL. 61 �Reconocimientos Luis Manuel Martínez Villarreal* I.- CUMPLIERON 30 AÑOS COMO MAESTROS M.C. Tomás Morales Quiñónez Ing. Artemio Abrego Treviño M.C. Sergio Alberto Ramírez Guzmán Ing. Juan Arnulfo Barrios Alonso Ing. Francisco Rivera Martínez M.C. Ciro Calderón Cárdenas M.C. Eudocio Rodríguez García M.C. Silverio Córdova Romero Ing. Reynold Rodríguez Garza M.C. Alfredo de la Garza González Ing. Ricardo Joel Salazar Garza M.C. Jesús Luis de la Torre Saldaña M.C. Adrián Salazar Vargas M.C. Roberto Elizondo Villarreal M.C. Jesús Valadez Botello M.C. José Estrada Rodríguez Ing. Blas Villalonga Roche M.C. Juan Fernández Díaz Ing. Juan José Villarreal Mata Ing. Felipe de Jesús Frutos Guerra Ing. Juan Gregorio Zamora Villarreal* M.C. Armando Páez Ordóñez M.C. Juan Diego Garza González M.C. René González Garza M.C. Joel González Marroquín M.C. Pedro Guerra García M.C. María Guadalupe Gutiérrez Alanis M.C. Laura López Chávez M.C. Enrique López Guerrero Ing. Rogelio Martínez Carvajal Ing. Sergio Héctor Martínez Elizondo M.C. Luis Manuel Martínez Villarreal M.C. Marco Antonio Méndez Cavazos II.- JUBILADOS Durante Junio 2000-Mayo 2001 se jubilaron los siguientes maestros de FIME: Ing. Artemio Abrego Treviño Ing. Roberto Arizpe Gilmore M.C. René González Garza M.C. María Guadalupe Gutiérrez Alanís Ing. Juan Antonio Jesús Lozano Pylypciow * 62 Secretario Administrativo de la FIME. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 �Luis Manuel Martínez Villarreal Lic. Leonardo Luna Cuéllar IV.- MENCIONES HONORÍFICAS AGO-DIC ´2000 Lic. Juana Alicia Martínez Aguirre Por su desempeño académico, también el 24 de mayo del 2001, recibieron una Mención Honorífica los siguientes alumnos. Ing. Rogelio Martínez Carvajal Lic. Julio César Méndez Cavazos Ing. René Mario Montante Pardo Ing. Epifanio Salas Rodarte Ing. Lorenzo Vela Peña M.C. Elva Villarreal Villarreal Ing. Julio Guillermo Villatoro Méndez III.- MÉRITO ACADÉMICO AGO-DIC ´2000 En ceremonia realizada el 24 de Mayo del 2001 se entregaron Reconocimientos al Mérito Académico a los alumnos que a continuación se listan. Se indica también la carrera y su calificación promedio. Sonia Marcela Treviño Navarro IAS 94.93 Dorali Gracia Eguren IAS 94.81 Juan Pablo Támez Guerra IAS 94.25 Gloria R. Camacho Cervantes IAS 94.17 Cristina A. Magaña González IAS 94.14 Viridiana Garibay Martínez ICC 93.33 Ernesto Emmanuel Lugo Esquivel ICC 93.03 Newton Salomón Ramírez 92.27 ICC Cesar Ojeda Betancourt IEC 94.64 David Omar Calles Arriaga IEC 94.14 José Alberto Noriega González IEC 93.82 Juan Paulo Cruz de la Cruz IAS 94.98 Mauricio Montelongo Puebla IEC 92.78 Jesús Enrique Páez Castillo ICC 94.44 Eleazar Salazar Hernández IEC 92.59 Joaquín Beas Bujanos IEC 96.28 José Ib Gumaro Garza Martínez IME 92.96 Ramiro Delgado IME 94.19 Héctor Eduardo Huerta Garza IME 92.52 Alejandro Barbarin Rodríguez IME 91.49 Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 63 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Octubre 2000–Enero 2001 Roberto Villarreal Garza* Juan Rafael Cervantes Vega, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad en Potencia, “Protección en sistemas eléctricos”, 26 de Octubre del 2000. Mario Carrizales López, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Desarrollo y crecimiento de la micro y pequeña empresa”, 3 de Noviembre del 2000. Alberto Puerta Rivera, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Diseño, “Esfuerzos de trabajo para materiales ferrosos”, 04 de Diciembre del 2000. Dora María Vega Facio, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “Diagnóstico del desempeño escolar en la Facultad de Economía de la U.A.N.L.”, 11 de Diciembre del 2000. Alondra Yaraseth Vicencio Lagos, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Plan permanente de formación de instructores”, 7 de Noviembre del 2000. José Guadalupe Ríos Martínez, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Electrónica, “Prácticas de laboratorio de teoría de control I”, 12 de Diciembre del 2000. Guillermo Farías Lara, M.C. Administración, especialidad en Finanzas, “Modernizar la tesorería de una empresa obteniendo una disminución de costos de servicios bancarios”, 15 de Noviembre del 2000. Raúl Escamilla Garza, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad térmica y fluidos, “Investigación, análisis y desarrollo de un manual para el diseño de un sistema oleodinámico“, 13 de Diciembre del 2000. Daniel Ramírez Villarreal, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Obtención de módulo de elasticidad y razón de poisson en diferentes grados de acero al silicio”, 15 de Noviembre del 2000. Moisés Espinosa Esquivel, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales, “Obtención de módulo de elasticidad y razón de poisson en diferentes grados de acero al silicio”, 15 de Noviembre del 2000. Miguel Ángel Martínez Mendoza, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Como invertir en la bolsa mexicana de valores”, 16 de Noviembre del 2000. Claudia Eugenia Ruvalcaba Oviedo, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Ingeniería Financiera”, 22 de Noviembre del 2000. Ernestina Macías López, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad, “Desarrollo de técnicas de cambios rápidos de producción para molinos formadores de tubería de acero”, 13 de Diciembre del 2000. * Alberto Frutos Guerra, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Térmica y Fluidos, “Investigación y análisis y desarrollo de un manual para el diseño de un sistema oleodinámico”, 13 de Diciembre del 2000. Julián Eduardo Hernández Venegas, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Electrónica, “Diseño de un sistema de televisión por cable en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica”, 15 de Diciembre del 2000. Antonio Rodríguez García, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Control, “Diseño de material didáctico para electrónica”, 15 de Diciembre del 2000. * 64 Sub-Director de Postgrado de la FIME-UANL. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 �Roberto Villarreal Garza Héctor Francisco Cienfuegos Frausto, M.C. Ingeniería, especialidad Telecomunicaciones, “Transmisión digital de telecomunicaciones”, 19 de Diciembre del 2000. José Manuel López Chuken, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “El proceso de la administración de recursos humanos frente al siglo XXI”, 24 de Enero del 2001. Josefat Gámez Gómez, M.C. Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia,”Conexión a tierra en sistemas eléctricos de distribución en corriente alterna y continua”, 22 de Diciembre del 2000. José Hernández Cervantes, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Térmica y Fluidos, “Investigación aplicada para el desarrollo de un sistema anticavitación y antinercia en un sistema de potencia oleohidráulica”, 26 de Enero del 2001. Armando Guadalupe Morales González, M.C. Administración, especialidad Sistemas, “Impacto de los sistemas de información en la implantación de un sistema de calidad”, 22 de Diciembre del 2000. José Luis Calvo González, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Perfil requerido del egresado de ingeniería en electrónica y comunicaciones”, 26 de Enero del 2001. M.C. Daniel González González, Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Estudios sobre los factores administrativos que influyen en la consolidación de microempresas del ramo de mantenimiento industrial a maquinas de soldar”, 18 de Enero del 2001. María Magdalena Villarreal Medellín, M.C. Administración, especialidad Relaciones Industriales, “Liderazgo: Atributo principal de la enseñanza”, 19 de Enero del 2001. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 Ricardo Laureano Villarreal, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Térmica y Fluidos, “Investigación análisis y desarrollo de un manual para el diseño de un sistema neumático”, 29 de Enero del 2001. Jesús Villarreal Lozano, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Térmica y Fluidos, “Investigación, análisis y desarrollo de un manual para el diseño de un sistema neumático”, 29 de Enero del 2001. Benito Ávila Castro, M.C. Ingeniería Mecánica, especialidad Diseño Mecánico, “Sistemas de sujeción y soporte mecánico”, 29 de Enero del 2001. 65 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME Enero – Diciembre 2000 DRA. PATRICIA DEL CARMEN ZAMBRANO ROBLEDO Egresada en Noviembre de 1992 de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León como Ingeniero Mecánico Administrador. Obtuvo la Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales en el Posgrado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León en 1996. Catedrática de la FIME desde 1993. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores como candidato a Investigador Nacional a partir de Julio de 1997. Recibió el Reconocimiento al Mérito del Desarrollo Tecnológico del Estado de Nuevo León en Octubre de 1994. Título obtenido: Doctor en Ingeniería de Materiales. Nombre de la tesis: Utilización de la técnica de microscopía de imágenes de orientación para relacionar la microtextura de aceros laminados en caliente con la anisotropía. Fecha de examen: 10 Noviembre del 2000. 66 Asesor: Dr. Rafael Colás Ortíz. Resumen El objetivo de la tesis fue enfocado a establecer las relaciones existentes entre la distribución de orientaciones cristalinas y la anisotropía en las propiedades mecánicas en aceros laminados en caliente. El método utilizado para determinar las figuras de polos fue la microscopía de imágenes de orientación (OIM), que está basado en la determinación de la orientación de granos individuales mediante la medición de patrones de difracción de electrones retrodispersados (EBSP) obtenidos por microscopía electrónica de barrido (MEB). La textura de un material policristalino se define como la distribución de las orientaciones cristalográficas de los granos individuales. Estas distribuciones juegan un papel muy importante en las propiedades de un material, particularmente en metales, ya que la existencia de orientaciones preferenciales puede resultar en anisotropías heredadas a partir de la anisotropía intrínseca de un monocristal. Así por ejemplo, la dirección de fácil magnetización en monocristales de Fe es la dirección [100]. En la fabricación de laminas de Fe-3Si usadas en transformadores de potencia, el proceso es optimizado para que los granos de Fe en la lámina policristalina se orienten con su dirección [100] paralela a la dirección de laminación. La alineación de esta dirección con el campo magnético aplicado en los transformadores mejora enormemente la eficiencia de estos dispositivos. Este no es el único ejemplo, existen una gran diversidad de áreas donde los productos de acero con orientaciones preferenciales pronunciadas ofrecen ventajas notables tanto en el postprocesamiento como en su uso posterior. Ingenierías, Julio-Septiembre 2001, Vol. IV, No.12 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2001 Volumen Volumen de la revista 4 Número Número de la revista 12 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2001, Vol 4, No 12, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Méndez Cavazos, Julio César, Editor Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2001 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020775 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Bancos de distribución Controlar el ruido FIME Fractales Gigantismo https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20734/Ingenierias_2001_Vol_4_No_11_Abril-Junio.pdf 9cd765d0d5fd83a2fd5abc606bbf556f PDF Text Text ����Editorial Investigadores en la UANL Carlos A. Guerrero Salazar* Investigación, docencia, vinculación, tres de las funciones plasmadas en la Ley Orgánica de nuestra Institución como parte fundamental de su naturaleza. La generación del conocimiento, acompañada de la formación integral de los recursos humanos, y su transferencia hacia la planta productiva, forman parte importante del quehacer de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Sin menoscabo de la importancia que acompaña a la realización de cualquiera de las funciones mencionadas, en esta ocasión abordaremos sólo el tema investigación, enfocándonos principalmente hacia aquellos académicos que realizan esta labor, es decir, los investigadores. Según la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico, OCDE,1 la investigación consiste en la realización de trabajos experimentales o teóricos que se emprenden fundamentalmente para obtener nuevo conocimiento acerca de los fenómenos y hechos observables, ya sea que se dirija este conocimiento hacia objetivos prácticos precisos o que no se encamine hacia ninguna aplicación o utilización determinada. Basados en esta definición, podríamos tratar de contestar la pregunta ¿Cuántos académicos de la UANL hacen investigación? La respuesta es difícil si no se cuenta con un mecanismo que permita la evaluación de la actividad académica, enmarcada ésta por la definición anterior o por otra serie de criterios establecidos previamente. A nivel nacional opera el Sistema Nacional de Investigadores, SNI, organismo gubernamental que extiende un reconocimiento a los académicos que, una vez evaluados según criterios no siempre validados por la comunidad científica,2,3 realizan investigación. El reconocimiento se concede en 4 niveles, dependiendo de la importancia que un comité formado por pares otorgue al trabajo desarrollado; desde el más bajo como Candidato a Investigador, hasta el más alto como Investigador Nivel III. * Profesor Investigador FIME - UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 3 �Investigadores en la UANL Hay que aclarar que esta evaluación la solicita el académico interesado, por lo que habrá otros académicos que no reciben este reconocimiento del SNI y que sin embargo realizan investigación. Como no tenemos una manera objetiva de cuantificar a esta última parte de la comunidad académica trataremos de contestar la pregunta planteada líneas arriba en función de los datos obtenidos del SNI. De la totalidad del claustro académico de la UANL, únicamente 132 están reconocidos por el SNI, siendo alrededor del 29% de éstos Candidatos a Investigador. Ver Figura 1. Nivel II 9% Nivel III 2% Candidatos 29% Nivel I 60% Fig.1. Distribución de investigadores por nivel en la UANL. Si comparamos esta cifra con el total de investigadores reconocidos en todo México (7252) tendremos que en la UANL están trabajando el 1.8% de esos investigadores. Un aspecto positivo para nuestra Institución es de que esta cifra va en aumento, ya que hemos pasado de 99 investigadores reconocidos en el año de 1998 a la cifra actual. Además, no hay que perder de vista que sólo en el D. F. están concentrados el 51.7% (3748) de los académicos distinguidos por el SNI. De las 25 facultades que posee nuestra Institución destacan Ciencias Biológicas, Medicina y FIME ya que en ellas laboran casi el 60% de los investigadores. Es sorprendente el desarrollo que están teniendo las Facultades de Ciencias Forestales y Ciencias de la Tierra, ya que a pesar de ser dependencias con muy poca población estudiantil, poseen una gran cantidad de investigadores dentro del SNI. Ver figura 2. 4 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Carlos Guerrero Forestales 8% C. Tierra 5% Biología 27% Químicas 8% Economía Filosofía 4% 3% Otras 9% Psicología 3% FIME 13% Medicina 20% Fig. 2. Distribución de investigadores de la UANL por facultades. No se puede negar que en la UANL se realiza investigación. Sin embargo los números que presenta en la actualidad están aún muy lejos de aquellos que poseen las Universidades del D.F., v.g., más de 380 Investigadores reconocidos por el SNI en la Universidad Autónoma Metropolitana, o los más de 637 del sistema IPN-CINVESTAV por lo que uno de los objetivos a mediano y largo plazo de nuestras autoridades, y de nosotros como académicos, debería de ser el de aumentar de manera significativa el número de investigadores en las dependencias de nuestra Institución. REFERENCIAS 1. José María Infante, CiENCiA UANL, Vol. 4, No 1, pp 6-11 (2001) 2. Miguel José Yacamán, CiENCiA UANL, Vol. 3, No 4, pp 443-445 (2000) 3. Armando Rugarcía Torres, CiENCiA UANL, Vol. 3, No 2, pp 197-204 (2000) Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 5 �La santificación del progreso♦ Gabriel Zaid* La tradición milenaria de elogiar la agricultura y vituperar la vida urbana hace perder de vista una tradición más antigua: ♦la de elogiar la vida nómada y vituperar la agricultura. El sermón de Cristo sobre el abandono a la divina providencia puede leerse como un elogio de los recolectores y un vituperio de los agricultores: “Mirad las aves del cielo que no siembran, ni cosechan, ni recogen en graneros; y vuestro Padre celestial las alimenta”. Y en el Quijote puede leerse un encendido elogio de la vida anterior a la agricultura: “Dichosa edad y siglos dichosos aquellos a quien los antiguos pusieron nombre de dorados [...] porque entonces los que en ella vivían ignoraban estas dos palabras de tuyo y mío. Eran en aquella santa edad todas las cosas comunes: a nadie le era necesario para alcanzar su ordinario sustento tomar otro trabajo que alzar la mano y alcanzarle.” Con la vida sedentaria se desarrollaron las artesanías: el tejido de canastas y telas, los utensilios de cerámica, cobre y hierro. Pero, sobre todo, la ambición (y el castigo) de producir, el espíritu previsor y acumulativo, el cálculo astronómico y contable que, a su vez, dio origen a la escritura (los primeros escritos que se conocen son notas de inventario y remisión). *Apareció la producción excesiva, el trueque y el comercio de excedentes, la defensa de los graneros y ganados contra las incursiones de recolectores y cazadores, que seguían creyendo en el paraíso de que no hay mío ni tuyo, y ahora resultaban asaltantes. Apareció el Estado, la desigualdad, la propiedad, la ley, la moneda, el mercado, el capital, la esclavitud. Ma. de J. Rodriguez F. La agricultura puso “puertas al campo”, como se queja todavía el refrán, y como lo demuestran los pleitos a muerte que todavía se dan por los derechos de paso y pastoreo por tierras comunales. Pleitos que se remontan a la furia de Caín, el sedentario agricultor, contra su hermano Abel, el nómada pastor. En El origen de la desigualdad entre los hombres, Rousseau explica cómo terminó el paraíso y empezó la civilización: “El primer hombre que, después de haber cercado un terreno, tuvo la ocurrencia de decir: Esto es mío, y se encontró con gente tan simple como para créerselo, fue el verdadero fundador de la sociedad civil.” ♦ Artículo publicado en la Revista Letras Libres de febrero 2001 y reproducido con permiso del autor. 6 * Poeta y analista político. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Gabriel Zaid Ma. de J. Rodriguez F. Peloponeso, Atenas perdió una buena parte de su población y sus ejércitos (y aun al mismo Pericles), no por las armas, sino por una epidemia infecciosa. En el Imperio Romano, hubo epidemias igualmente funestas. También en Bizancio y en los primeros siglos de la Edad Media, antes de la famosa peste del siglo XIV, que mató a la tercera parte de la población europea. La prosperidad agrícola desembocó en la llamada revolución urbana. El antiguo campamento nómada se vuelve permanente y desarrolla a su alrededor campos de cultivo y ganadería; se defiende, se amuralla y se convierte en una ciudad Estado donde viven el rey y sus guerreros, sacerdotes, letrados, artesanos y comerciantes. En la perspectiva del homo faber, su aportación revolucionaria es la rueda (para tornos de alfarero y vehículos) y, sobre todo, la producción intelectual: la escritura y el cálculo en Mesopotamia y Mesoamérica; la geometría, la crítica racional, el mercado del libro y la democracia en Grecia. La crítica del progreso se vuelve explícita y razonada en Atenas. Sócrates (Fedro) no dice que los libros sean un sacrilegio contra la palabra viva; dice que no pueden sustituirla, que dejan sin ejercicio la memoria y el desarrollo de la inteligencia; peor aún: que hacen creer a los compradores de libros que son sabios por haberlos comprado. Aristóteles (Política) no dice que la democracia transgreda el orden divino; dice que degenera en asambleísmo y demagogia. Una crítica de la revolución urbana que, aparentemente, no se hizo fue que facilitó las epidemias. En los primeros años de la guerra del Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 La peste y la caída del Imperio Romano, las invasiones bárbaras y el control islámico del Mediterráneo aislaron y desurbanizaron a Europa en el primer milenio cristiano. Del poder y esplendor de las grandes metrópolis se pasó a una vida oscura, rural y dispersa en los monasterios y castillos feudales. A partir de estos centros, que sirvieron como pequeños polos de desarrollo, empezó una lenta recuperación, culminada en los siglos XI, XII y XIII. La dispersión favoreció la apertura de tierras nuevas al cultivo, a su vez favorecida por el desarrollo de la fundición de piezas de hierro y los trabajos de herrería. El hierro y el caballo transformaron la guerra y la agricultura. Los estribos y armaduras crearon la carga de caballería: una fuerza aplastante contra el guerrero a pie, de efectos decisivos en las guerras feudales, las cruzadas y la conquista de América. Crearon también al caballero: un estamento nuevo en la vida social y un personaje de la imaginación épica. La herradura de clavos, el arado metálico pesado y el arnés configuraron el caballo de tiro, más eficaz que el buey, y de uso doble: siembra y transporte. La productividad agrícola llegó a niveles nunca vistos. Los medievales inventaron conceptos básicos para la industria moderna, tales como la estandarización e intercambiabilidad de partes, que introdujo Gutenberg con los tipos móviles de imprenta (1440). Inventaron los mecanismos de transmisión de potencia que convierten 7 �La santificación del progreso Ma. de J. Rodriguez F. cual culminará la revelación progresiva de Dios en la tierra. movimientos giratorios en lineales y viceversa: manivelas, tornos, relojes mecánicos, molinos de agua y de viento. Para la guerra, la agricultura y los obrajes, lograron sustituir o reforzar la fuerza humana con la fuerza animal, hidráulica, eólica. Cuando apareció la brújula, soñaron con una máquina que aprovechara la fuerza magnética, anticipando el motor eléctrico. Según Lynn White (Tecnología medieval y cambio social), Roger Bacon escribió hacia 1260: “Es posible construir vehículos que habrán de moverse con velocidad increíble y sin ayuda de bestias; es posible construir maquinas voladoras en las que un hombre [...] podrá vencer al aire con alas, como si fuera un pájaro [...] las máquinas permitirán llegar al fondo de los mares.” Pero la gran originalidad del homo faber medieval no estuvo tanto en los inventos mecánicos, como en esta confianza en un futuro mejor, que aparece por primera vez en la historia. Fue formulada por Joaquín de Fiore (c. 1130-1201), un abad cisterciense que inventó el concepto de mejoría gradual de la humanidad, al dividir la historia en tres etapas: la del Padre, superada por la del Hijo, superada por la del Espíritu Santo, en la 8 En las antiguas concepciones del tiempo, había el eterno retorno de lo mismo; o un hoy venido a menos, frente al pasado mítico; o una esperanza de salvación en un tiempo nuevo. Pero este tiempo nuevo era un salto absoluto, no un progreso gradual. La Ciudad de Dios, concebida por San Agustín como polo eterno de la realidad humana, y realizada en forma simbólica por los monasterios, era una dicotomía entre dos mundos, separados por un abismo. Concebida por Fiore, la Ciudad de Dios se convierte en un proyecto de realización progresiva. Toda la cristiandad, no únicamente los simbólicamente perfectos que se apartan del mundo (como Fiore), tomará el camino de la perfección. Lo religioso será secularizado, lo secular se volverá religioso. Por el lado productivo, la confianza en el futuro se convierte en crédito: un fuerte estímulo para el desarrollo económico. Se convierte en creatividad para formalizar promesas, riesgos, participaciones. Aparece la letra de cambio, una gran variedad de contratos mercantiles, la sociedad en comandita, la banca crediticia (no meramente cambiaria), la venta de seguros, la contabilidad que amarra por partida doble. La revolución comercial de la Edad Media empieza por el comercio a distancia, terrestre o marítimo, de Venecia y otras ciudades: la importación de especies, sedas y marfiles orientales; la exportación de tejidos de lana y trabajos de hierro, madera y vidrio. Pero el desarrollo del comercio exterior estimula el comercio interior, los obrajes, las artesanías y la agricultura. Italia se vuelve el centro de una economía global. Producir para el comercio rebasó la autarquía inicial de los feudos y monasterios, donde prácticamente no se usaba el dinero. La economía Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Gabriel Zaid La crítica radical de la revolución comercial la hizo el hijo de un comerciante, después de sus primeras experiencias en el negocio de su padre. Francisco de Asís (1182-1226) se sintió hermano de los pájaros y de los lobos. Sintió que el comercio desnaturalizaba a la naturaleza y a las personas. Propuso una pobreza voluntaria y alegre, tan confiada en la divina providencia que era de hecho recolectora: pedir como limosna el pan de cada día, pero en especie, no en dinero, y únicamente en la cantidad necesaria para comer el día de hoy, sin guardar nada para el día siguiente. Ni más ni menos que los pájaros. No quiso retirarse a un monasterio, ni ser sacerdote. Fue un laico en el mundo, que criticó la mundanización de los cristianos en los nuevos caminos de la perfección material. Sus seguidores no fueron tan extremos: buscaron vías para conciliar la vida productiva con el progreso espiritual, aunque algunos (los llamados franciscanos “espirituales”) se sintieron llamados a realizar las profecías de Fiore, y a sustituir la institución eclesiástica por una renovación carismática del mundo, que llegaría con el Apocalipsis, anunciado para 1260. Esta tensión Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 entre el gradualismo y el salto revolucionario reaparecerá muchas veces, desde entonces. El gradualismo llegó hasta la concepción de un paso intermedio entre el cielo y la tierra: el purgatorio. La perfección no alcanzada en la tierra puede completarse después de la muerte, en un tiempo de purificación, que se puede acortar con los méritos solidarios de los que siguen en la tierra. Esta teología, desarrollada en medio de una revolución comercial, se contaminó de la nueva creatividad financiera. Pronto estuvieron en el mercado valores adquiribles por días o años de indulgencia, a cambio de limosnas para abreviar el purgatorio. El escándalo resultante condujo a suprimir este mercado, pero no la acumulación abstracta de méritos, que ha llegado hasta hoy. En el mundo meritocrático, la devoción al progreso contabiliza minuciosamente los puntos buenos para llegar al cielo: días de asistencia puntual, años de escolaridad, grados obtenidos, medallas y copas deportivas, premios, distinciones, ratings del Citation Index y otros merecimientos dignos de ganar indulgencias, cuando se publique el obituario. Ma. de J. Rodriguez F. de las prestaciones en especie (obligadas, caritativas, amistosas o prestigiosas) desembocó en la economía monetaria. Las nuevas circunstancias materiales y los libros de la cultura griega (redescubiertos gracias a sus lectores árabes) resucitaron la revolución urbana y el mercado, con recursos desconocidos en la Antigüedad. Hasta los monasterios se vuelven ricos, porque las donaciones, los diezmos y primicias, el excedente productivo de una vida dedicada al “ora y labora” con poco consumo, conducen a grandes tasas de ahorro. Así también reaparecen las críticas de Aristóteles y los Padres de la Iglesia al mercado, el lucro, los intereses y la acumulación. Y se reaviva el radicalismo de los primeros cristianos. 9 �La santificación del progreso Lo que aparece en la cristiandad occidental del siglo XII, por primera vez en la historia, es el espíritu progresista, la confianza en un futuro mejor, el deseo de construir gradualmente el paraíso en la tierra. Fiore transforma el mito del progreso, es el creador de la concepción moderna del progreso. Vivimos todavía sacudidos por esta concepción religiosa, aunque se haya olvidado el nombre de su primer teórico, y aunque los maestros espirituales de hoy usen otro vocabulario, al proponer caminos de perfección: la ascética que llaman superación personal, la mística unión con Dios que llaman éxito. El joaquinismo tuvo una repercusión inmensa, estudiada por Henri de Lubac en una obra enciclopéndica (La posteridad espiritual de Joaquín de Fiore). Fue tan importante como el hegelianismo, el positivismo, el marxismo; y está en su origen: en el de todas las filosofías progresistas de la historia. Para Hegel, la historia es “el desarrollo y la realización del espíritu: la verdadera 10 teodicea” (Filosofía de la historia). Comte seculariza las etapas del progreso concebidas por Fiore, en una nueva fórmula trinitaria: el espíritu recorre “el estado teológico o ficticio”, superado por “el estado metafísico o abstracto”, superado por “el estado científico o positivo” (Ensayo de un sistema de filosofía positiva). En 1972, Roger Garaudy (entonces destacado intelectual del Partido Comunista Francés) dijo que los grandes movimientos revolucionarios de Europa estaban todos imbuidos por las ideas de Joaquín de Fiore, y que Federico Schlegel había escrito: “La historia moderna empieza con el deseo revolucionario de alcanzar el Reino de Dios” (citado por Marjorie Reeves, Joaquín de Fiore y el futuro profético). A pesar de lo cual, no hay traducciones de Fiore al español, y casi no las hay en otras lenguas. Ma. de J. Rodriguez F. La crítica franciscana reaparece en el romanticismo y el ecologismo, con la novedad del joaquinismo: se presenta como progreso al paraíso, no como regreso al paraíso. (Lo mismo sucede con la revolución: un volver al paraíso que ya no queda atrás, sino adelante.) Desde la prehistoria, la crítica del progreso ha sido ambivalente: exalta y critica el atrevimiento de transformar la naturaleza. Pero Fiore legitima el progreso: lo santifica; a partir de lo cual, la crítica del progreso es inaceptable, si no es progresista. Fiore ya no concibe el progreso como hazaña prometeica y transgresión del orden divino, que hay que restaurar, sino como mandato divino. El progreso no es el espíritu de la serpiente que mueve a Adán y Eva contra el Padre, sino el Espíritu Santo que viene del Padre, después de enviar a su Hijo. El progreso es la manifestación de Dios en este mundo. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Formación de capas de hierro en reactores de reducción directa♦ Parte I. Los factores Ubaldo Ortiz*, Juan Aguilar,* Jorge Berrún,** Ricardo Viramontes.*** Abstract Refractory bricks are the most common materials used in equipment for carrying processes at high temperatures, such as the production of steel, cement and glass. ♦These bricks are exposed to severe operation conditions, their life determines if an equipment should be stopped for reparation or replacement of the bricks. In this first part is described the formation of layers in a direct reduction reactor. As they growth, they cause disturbs in the product flow or at least decreases the reactor or furnace capacity, and in the worst case it is necessary to stop the equipment for major reparations. The aim of this work is to describe the mechanism of formation and growth of these layers. Key Words: Refractories, direct reduction, layers, direct reduced iron INTRODUCCIÓN Existen reactores donde el material procesado se adhiere a las paredes formando capas que en el ambiente industrial se les llama lajas o morros. Este fenómeno se puede presentar, por ejemplo, en los reactores de lecho móvil y hornos rotatorios a escala industrial. Se entiende por capa una formación de material aglomerado que se adhiere a la pared de los reactores en alguna parte donde las condiciones de esfuerzo, temperatura, composición y tamaño de partícula alcanzan los valores críticos para que la capa crezca. ♦ Este trabajo fue ganador del Premio Tecnos 2000 en la categoría de Publicación Tecnológica/Vinculación Empresa Grande e Institución, el cual fue entregado en ceremonia efectuada el 22 de noviembre de 2000 en CINTERMEX, Monterrey, N. L. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Capa de hierro esponja de reactor industrial (izquierda) y capa formada en reactor experimental (derecha). El fenómeno de las capas generalmente implica pérdida de disponibilidad de las plantas cuando las capas se desprenden y bloquean la salida del reactor o perturban la calidad del producto. Algunas capas son bastante resistentes mecánicamente. En el pasado hubo intentos vanos para simular en el laboratorio la formación de capas sobre las paredes de los reactores de lecho móvil en las plantas industriales de reducción directa. En esos equipos *las condiciones de operación, de temperatura y esfuerzo normal eran suficientes para la formación de capas, sin embargo no se obtenían las capas porque no se aplicaba esfuerzo cortante. En este trabajo se presentan los resultados de un equipo a nivel laboratorio que considera la temperatura, esfuerzo normal y el esfuerzo cortante en la interfase pelet-refractario como variables importantes en la formación de capas. * Doctorado en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL. ** HYLSA. *** HYLSA. Se encuentra actualmente en CEMEX. 11 �Formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte I: Los factores El proceso Fig. 1. Esquema del reactor de reducción directa. Las partes principales son: (1) reformador, (2) calentador, (3) condensador de agua, (4) absorbedora de CO2, (5) compresor, (6.1) cuerpo del reactor, (6.2) entrada de gas reductor, (6.3) salida de gas de enfriamiento, (6.4) entrada de gas de enfriamiento, (6.5) aislante, (6.6) capa de ladrillo en contacto con el hierro esponja, (6.7) salida del gas reductor, (6.8) entrada del mineral y (6.9) salida del hierro esponja. Las capas se forman principalmente en los sitios (6.10) y (6.11). Este equipo hizo posible la reproducción del fenómeno a escala laboratorio dando así, la oportunidad de diseñar experimentos para encontrar el mecanismo de adhesión con el que se inician las capas. Una vez que se identificó el mecanismo se desarrollaron métodos y equipos para aplicar tratamientos a los refractarios, de forma que la adherencia de los materiales procesados, en este caso hierro metálico o mejor conocido como hierro esponja, disminuyese significativamente. También se obtuvo un modelo cinético para el crecimiento de la capa en función del esfuerzo, el tiempo, y la temperatura. La descripción del sistema que se estudió es como sigue: 12 Dentro de la industria siderúrgica destaca por su importancia en el ámbito mundial la ruta reducción directa-horno eléctrico para producir acero. El proceso HYL de reducción directa es conocido mundialmente. En éste se alimenta al reactor con pelets de mineral de hierro que se transforman en hierro esponja al quitarles el oxígeno mediante un gas reductor. El gas reductor se produce al reaccionar el gas natural con vapor de agua en el reformador. Los equipos principales son: el reformador, calentador, enfriadores, absorbedora de CO2, compresores, y reactor. El reactor El reactor consiste en un recipiente de acero recubierto con material refractario (Figura 1) que está en contacto ya sea con el mineral de hierro o el hierro metálico según su posición en el reactor. El mineral entra por la parte superior y se reduce conforme va bajando hasta llegar a la salida que se encuentra en la parte inferior, en donde se descarga el producto conocido como hierro esponja. Las capas Se trata de aglomerados de material que llegan a medir hasta 15 cm de espesor y entre 2 y 3 m de altura, extendiéndose algunas veces en todo el perímetro del reactor. Los sitios en donde se forman estas capas se muestran en la figura 1, mientras que la figura 2 muestra una de estas capas. Cuando una capa se desprende durante la operación se presentan algunas perturbaciones en el flujo de sólidos. Cuando hay un paro programado se dedica algún tiempo a tumbarlas y sacarlas del reactor. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Ubaldo Ortíz, Juan Aguilar, Jorge Berrún, Ricardo Viramontes Fig. 2. Aspecto de la interfase de una capa de hierro formada en el reactor. La densidad aparente de una capa es de aproximadamente 4 gr/cm2, esto es un 50% mayor a la de una partícula de hierro esponja. La composición química es básicamente hierro metálico (más del 83%). En las figuras 3 y 4 se aprecia el proceso de densificación que sucede cuando las partículas de hierro esponja pasan a formar parte de la capa. Aunque en apariencia son diferentes, existen grandes semejanzas, la primera de ellas es que ambas son fundamentalmente hierro. En cuanto al aspecto la figura 3 proviene de un material poroso mientras que la figura 4 corresponde a un material “alisado” por los pelets moviéndose. Fig. 4. Imagen de MEB de la superficie de una capa formada. Los mecanismos de adhesión El significado más simple de adhesión tiene que ver con el trabajo reversible para separar dos fases que inicialmente tienen una interfase común. Los mecanismos que se reportan más comúnmente son: 1.- Fuerzas de Van der Walls. 2.- Potencial electrostático de contacto. 3.- Exceso de cargas electrostáticas. 4.- Atracción magnética. 5.- Puentes líquidos. 6.- Presión capilar en los poros llenos de líquido. 7.- Unión debida a agentes viscosos. 8.- Puentes sólidos. 9.- Anclaje mecánico. Fig. 3 Imagen de microscopía electrónica de barrido (MEB) de la superficie del hierro esponja. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 La participación de estos mecanismos fue considerada, ya sea teóricamente o experimentalmente para seleccionar solamente aquellos que estuvieran teniendo lugar en el proceso. 13 �Formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte I: Los factores Los mecanismos de adhesión que pueden ocurrir en procesos similares han sido descritos por otros autores.1-17 En el proceso de reducción de mineral de hierro solo algunos de estos tienen lugar. En la introducción se listaron los posibles mecanismos de formación de capas. Los argumentos que se presentan a continuación son los que permiten descartar aquellos que no tienen lugar. Mecanismos relacionados con fuerzas de Van der Walls, potencial electrostático de contacto y exceso de cargas electrostáticas podrían dar la respuesta a por qué material fino se agrega a la pared, aunque lo más seguro es que hay una combinación con puentes debidos a reacción química o difusión debida a diferencias de concentración, junto con anclado mecánico. La atracción magnética fue eliminada porque el refractario no es magnético y el hierro se encuentra a una temperatura superior a la de Curie. Puentes líquidos, presión capilar en los poros llenos con líquido y uniones debidas a agentes viscosos fueron descartados porque a la temperatura de operación no hay fase líquida. METODOLOGÍA Cuando se estudia un fenómeno complejo, como es identificar el mecanismo de la formación de capas, inicialmente se considera que muchas variables pueden tener efectos en la variable dependiente o de respuesta. En estos casos se recomienda utilizar los diseños fraccionados. Estos reducen el tiempo y costo de la experimentación, ya que se reduce el número de corridas experimentales basándose en agrupar algunas de las variables principales con las interacciones. Enseguida se utiliza el análisis de varianza para identificar cuáles grupos son los importantes. Sobre la base del conocimiento fisicoquímico del sistema se 14 seleccionan cuáles de las variables o interacciones de cada grupo son las más importantes. Es necesario además confirmar estas suposiciones mediante experimentos de control. Una manera de llevar a cabo esta confirmación es considerar las condiciones en que se forman las capas y luego modificarlas y verificar que haya un cambio. Esta modificación constituye el tratamiento para evitar la formación de capas. En este estudio se consideraron nueve variables para el diseño de experimentos inicial. Algunas, sobre la base de la experiencia industrial, son obviamente importantes como lo es el nivel de esfuerzo, otras porque son típicas en el proceso y pueden tener una interacción importante o bien se les quiere descartar de una manera objetiva. Las variables consideradas son las siguientes: esfuerzo, temperatura, adición de cemento, tipo de pelet, porcentaje de metalización, porcentaje de carbono, velocidad angular, tiempo, y tipo de gas reductor. Después se corrieron otros diseños para la confirmación de las variables importantes encontradas en esta etapa. En la Tabla I se muestra el diseño de experimentos y los resultados obtenidos en cada una de las pruebas. Las columnas presentan la identificación del experimento, el tipo de gas (H2 ó CO), el encabezado Cem indica si se aplicó o no cemento (S ó N), el tipo de mineral (Alzada o Peña Colorada), la relación hierro metálico a hierro total en el pelet (Met), el contenido de carbono (C ), la velocidad angular, el esfuerzo normal, la temperatura y el peso de la capa obtenida bajo las condiciones dadas. Adamson18 reporta que el efecto del esfuerzo cortante sobre la adhesión es aproximadamente siete veces mayor que el normal. Esta aseveración es tan importante que se decidió probar bajo las condiciones del reactor (Adamson utilizó esferas de acero sobre indio). Se diseñaron una serie de dispositivos para probar esta hipótesis, desde pelets moviéndose horizontalmente sobre el refractario Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Ubaldo Ortíz, Juan Aguilar, Jorge Berrún, Ricardo Viramontes hasta pelet girando sobre él. Basados en los resultados obtenidos en estos dispositivos se consideró que lo mejor era utilizar una celda rotatoria para poder prolongar las condiciones de la fricción entre el pelet y el refractario (Figura 5). Fig. 6. Esquema del microreactor. Fig. 5. Esquema de la celda rotatoria. El siguiente paso fue estudiar el mecanismo de adhesión mediante un reactor especialmente diseñado, éste consistió en una coraza de acero al carbón, una celda de carga para determinar el esfuerzo aplicado a la muestra y portamuestra para el refractario y el pelet. El dispositivo cuenta con un motor para hacer girar el pelet y una resistencia eléctrica para alcanzar la temperatura deseada, también cuenta con un sistema de medición y control de la temperatura y medición del flujo de gas. A este dispositivo se le denominó microreactor y se presenta un esquema en la figura 6. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 El procedimiento experimental para llevar a cabo cada una de las pruebas consistió en cortar y sacar la muestra de ladrillo. Entonces, se coloca la muestra del ladrillo en el portamuestra. Se precalienta en presencia de un flujo de nitrógeno hasta la temperatura deseada. Se fija la velocidad angular contando las revoluciones y tomando el tiempo con un cronómetro. Se fija el portamuestras. Se aplica cemento al pelet en una suspensión de 15 partes de cemento gris por 100 partes de agua en peso. Cuando se ha llegado a la temperatura deseada se sustituye al nitrógeno por gas reductor. Se coloca el pelet dentro del reactor y se esperan dos minutos para que la superficie se caliente. Se pone el pelet en contacto con el refractario y se aplica una carga normal. Se hace girar el pelet sobre la muestra de refractario para que se dé un esfuerzo cortante. Se mantienen las condiciones de operación durante el tiempo deseado. Se detiene la rotación. Se retira la carga. Se sustituye el gas reductor por nitrógeno. Se saca el pelet y la muestra de refractario. 15 �Formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte I: Los factores Tabla I. Diseño de experimentos y resultados de las pruebas 16 Exp. Tipo de gas Cem Mineral Met (%) C (%) Vel. (rpm) Tiempo (min) Esfuerzo 2 Kg/cm Temp. (°C) Capas (μg) 1 CO S Alzada 95 3.5 0 1 3.1 950 0.2 2 H2 S Alzada 95 0.1 30 1 3.1 950 76.8 3 H2 S Alzada 95 3.5 0 30 0.1 600 0.1 4 CO S Peña 85 3.5 30 1 3.1 950 14.7 5 CO S Alzada 85 3.5 30 30 0.1 950 0.1 6 CO N Peña 95 0.1 30 1 3.1 600 0.3 0.0 7 H2 N Peña 85 3.5 30 30 0.1 600 8 CO S Peña 85 0.1 30 30 3.1 950 29.7 9 H2 N Alzada 85 3.5 0 1 0.1 950 0.0 10 H2 N Peña 95 0.1 30 30 0.1 950 0.6 11 CO N Alzada 95 0.1 0 30 3.1 950 1.9 12 H2 N Alzada 85 0.1 30 30 3.1 600 45.7 13 H2 S Alzada 85 0.1 0 30 0.1 950 0.2 14 CO S Alzada 85 0.1 0 1 3.1 600 0.0 15 CO S Alzada 95 0.1 30 30 0.1 600 2.1 16 CO S Peña 95 3.5 30 30 3.1 600 7.1 17 CO S Peña 85 3.5 0 1 0.1 600 0.0 18 CO N Alzada 95 3.5 30 1 0.1 600 0.7 19 20 H2 CO S N Peña Peña 95 95 3.5 3.5 30 0 1 30 0.1 0.1 950 950 1.8 0.0 21 CO N Alzada 85 0.1 30 1 0.1 950 0.4 22 H2 No Peña 95 3.5 0 1 3.1 600 0.0 23 H2 S Peña 95 0.1 0 30 3.1 600 0.0 24 H2 S Peña 85 0.1 30 1 0.1 600 0.8 25 CO N Alzada 85 3.5 0 30 3.1 600 0.5 26 H2 S Peña 85 3.5 0 30 3.1 950 0.0 27 H2 N Peña 85 0.1 0 1 3.1 950 0.3 28 H2 N Alzada 95 3.5 30 30 3.1 950 112.3 29 H2 N Alzada 95 0.1 0 1 0.1 600 0.0 30 CO N Peña 85 0.1 0 30 0.1 600 0.0 31 CO S Peña 95 0.1 0 1 0.1 950 0.0 32 H2 S Alzada 85 3.5 30 1 3.1 600 3.3 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Ubaldo Ortíz, Juan Aguilar, Jorge Berrún, Ricardo Viramontes Se enfría la muestra en atmósfera de nitrógeno. Se saca la muestra de refractario del enfriador cuando la temperatura sea menor de 70°C. Se desprende la capa y se tritura para separar el hierro magnéticamente. Al terminar se pesa el hierro recuperado en una balanza analítica. RESULTADOS Ya se explicaron las razones por las que algunos mecanismos fueron desechados como responsables de la formación de capas. Para los fenómenos que no fueron descartados se consideran los siguientes aspectos. En las Figuras 7 y 8 se muestran imágenes de una capa del reactor industrial, después de un año de operación. En éstas se observa una zona de aproximadamente 5 micras en el refractario contiguo a la interfase en donde existe una concentración más baja de potasio y una concentración más alta de calcio que en el resto del ladrillo. Fig. 8. Mapeo de calcio en una capa industrial Fig. 9. Mapeo de potasio en una capa de laboratorio. Fig. 7. Mapeo de potasio en una capa industrial (MEB) En las fotografías 9 y 10 se muestra que en las capas obtenidas en el laboratorio la difusión descrita es incipiente. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Fig. 10. Mapeo de calcio en una capa de laboratorio. 17 �Formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte I: Los factores Esto indica que este mecanismo de anclaje es secundario. Otro mecanismo que tiene lugar y que se observa en las muestras es el entrelazado o anclaje mecánico, este caso se observa tanto en la capa industrial como en la de laboratorio. En ambos existe una separación química del hierro a uno y otro lado de la interfase, pero existe un contacto íntimo entre hierro esponja y refractario. El sinterizado es otro mecanismo que tiene lugar ya que las partículas de hierro esponja se unen, disminuyéndose la porosidad (Figuras 11 y 12) y aumentando la resistencia, a tal grado que la densidad de la capa es hasta un 50% mayor que la de la partícula de hierro esponja. El esfuerzo normal en el reactor industrial tiene a un valor típico de 3.1 Kg/cm2 mientras que en el reactor piloto es del orden de 0.1 Kg/cm2. A partir de la ecuación de Rumpf16 se pueden calcular las fuerzas puntuales entre las partículas en lecho empacado en función de la porosidad de éste, del diámetro de la partícula y del número de coordinación y el esfuerzo sobre el lecho. Nuestro cálculo arroja que los esfuerzos en los puntos reales de contacto son del orden de 250-2500 Kg/cm2. Por experiencia en el briqueteado en la planta piloto de HYLSA, se sabe que el hierro esponja fluye plásticamente y disminuye su porosidad a temperaturas por encima de los 650°C, se compacta con una presión mayor de 1000 Kg/cm2. Por lo tanto este fenómeno debe ocurrir en los puntos de contacto entre pelets y pared de refractario. COMENTARIOS FINALES Fig. 11. Mapeo de hierro en una capa industrial Fig. 12. Mapeo de hierro en una capa de laboratorio 18 En esta primera parte se mostró como se logró la formación de capas en el laboratorio gracias a un nuevo diseño donde se usa una celda rotacional que permitió aplicar esfuerzos de corte a la interfase pelet-refractario, con renovación de material según demandaba la degradación. Se demostró que el esfuerzo cortante es el origen de la formación de las capas a escala laboratorio, lo cual corresponde a la prueba de la hipótesis que se planteó en este trabajo. Los resultados mostrados confirmaron la importancia del esfuerzo cortante y se probó que las variables seleccionadas son adecuadas, sin embargo sin un análisis de varianza no es posible cuantificar la importancia de cada variable ni construir un modelo que describa la cinética de crecimiento de las capas. Estos aspectos serán presentados en la segunda parte de este artículo. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Ubaldo Ortíz, Juan Aguilar, Jorge Berrún, Ricardo Viramontes AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento al CONACYT por el apoyo para la realización de este trabajo, así como a la empresa HYLSA. REFERENCIAS 1. Jenike (A.W.).- Johanson (JR), Carson (JW)- Bin loads part 2, concepts, Journal of engineering for industry, Trans ASME 1973, Series B, Vol 95, No. 1, p 1-5. 2. Roberts (A.W.).- Bulk solids handling, recent developments and future directions, Bulk solids handling. March 1991, Volume 11, number 1, p 17-35. 3. Pietsch (W.B.).- Adhesion and agglomeration of solids during storage, flow, and handling. Journal of engineering for industry, Trans ASME May, 1969, p 435-449. 4. Bates (L) - The storage, feed and collection of loose solids Powder handling and processing April/June, 1994, Volume 6, Number 2, p 215-221. 5. 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The linearity and low DC power consumption requirements of amplifiers are analysed in function of the carrier/ interference ratio (C/I). Keywords: Design, power amplifiers, mobile communication systems, BJT. 1. INTRODUCCIÓN En los sistemas de comunicaciones móviles inalámbricos, el parámetro de calidad más importante es la relación Portadora a Interferencia (C/I), en donde el enfoque fundamental en dichos sistemas ha sido controlar el factor de interferencia (ruido térmico más interferencia co-canal y canal adyacente), para cumplir con el valor límite impuesto de 9dB en sistemas digitales. Para el caso del nivel de portadora, que depende del nivel de energía isotrópica radiada de potencia (EIRP), de las ganancias de las antenas (del terminal móvil y de la estación base), y de las pérdidas por propagación, el parámetro a controlar es precisamente el nivel de potencia, buscando desde luego disminuir el nivel de interferencia con otros usuarios, pero fundamentalmente evitar la aparición de los tan temidos productos de intermodulación. En este trabajo nos enfocamos al diseño de la sección de radio frecuencia (RF), de los transreceptores del terminal móvil y estación base con el objetivo de optimizar el funcionamiento global de los sistemas de comunicaciones móviles, a partir del diseño óptimo (mínimo producto de intermodulación de segundo y tercer orden) de la sección de RF más la antena de los transreceptores mencionados tal y como se muestra en la figura 1: 20 Fig. 1. Diagrama de la sección de RF más la antena en comunicaciones móviles inalámbricas según DoCoMo. En *cualquier sistema de comunicaciones el principal parámetro de calidad es la relación (Portadora /Ruido) C/N en el receptor. Este parámetro define que tanta potencia de la señal se compara con la potencia de ruido presente en el canal. Por lo tanto, C/N se puede considerar como un factor de mérito del sistema de comunicaciones cuya ecuación es la siguiente: C (ERP )LPGr = N N (1) * Grupo de Comunicaciones Inalámbricas. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada. CICESE. Km.107 CARR. TIJUANA-ENSENADA, B.C. C.P. 22860, México. Teléfono: (6)175-05-55, Fax:(6) 175-05-54. e-mail: (calor, dacoro)@cicese.mx. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Catarino Alor Aguilar, David H. Covarrubias Rosales Donde: ERP es la potencia radiada efectiva, Lp son las pérdidas por propagación en el canal, Gr es la ganancia de la antena receptora, y N es la potencia efectiva de ruido. Normalmente el tipo de ruido que se considera es el ruido térmico, el cuál viene dado por: N = kTW (2) Donde: k es la constante de Boltzman, T es la temperatura de ruido del receptor y W es el ancho de banda del sistema.1 De acuerdo a las expresiones anteriores, se puede determinar que la calidad del enlace es dependiente de los parámetros: ganancias de las antenas Tx y Rx, potencia de transmisión y temperatura de ruido, parámetros todo bajo control de diseño. generada por el amplificador de potencia y la potencia consumida en señal continua (DC). En muchos casos la distorsión puede ser reducida, esto a expensas de incrementar la disipación de potencia en DC. La distorsión en los amplificadores de potencia resulta por lo tanto en una señal espectral muy grande de salida.3 Por lo cual, dentro de los requerimientos para mejorar los sistemas de comunicaciones inalámbricas proponemos hacer una investigación en los siguientes aspectos: • Reducción en el consumo de potencia de DC para los amplificadores de potencia: Se desarrollarán mejoras en el manejo de la potencia, dándole un enfoque en la linealización de los amplificadores de potencia para las aplicaciones en la telefonía móvil. En esta área de investigación buscaremos mejorar el diseño de los amplificadores de potencia. Específicamente será nuestro propósito desarrollar una alta eficiencia en los amplificadores de potencia, esto es manteniendo siempre una alta linealidad en la caída de la fuente de voltaje de la potencia del móvil, minimizando el consumo de la batería.4 • Técnicas de mejoras de linealización: Las comunicaciones móviles celulares, requieren del empleo de técnicas de desarrollo y mejoramiento en la linealización, para el caso de altas potencias, y/o amplificadores de potencias de alta frecuencia. Mediante el empleo de dichas técnicas, se busca mejorar las prestaciones de los amplificadores de potencia en cuanto a la linealidad, del parámetro interferencias, especialmente crítico en ambientes celulares del tipo CDMA, en donde la principal limitación del sistema se debe a las interferencias. El parámetro de El único parámetro fuera de control es el parámetro de propagación o pérdidas por trayectoria. Esta pérdida se refiere a la atenuación que sufre la señal en su ruta entre el Tx y Rx.1 Tomando en cuenta lo anterior, en este trabajo nos enfocaremos al diseño de la sección de RF de los transreceptores del terminal móvil, con el objetivo de optimizar el funcionamiento global de los sistemas de comunicaciones móviles, a partir del diseño óptimo (mínimo producto de intermodulación de segundo y tercer orden) de la sección de RF más la antena de los transreceptores mencionados.2 2. REQUERIMIENTOS DE LOS DISPOSITIVOS Y CIRCUITOS DE RF EN EL ESCENARIO DE MÓVILES CELULARES Las transmisiones de las señales de la etapa de RF a través de los puertos de una antena, ya sea ésta de un teléfono inalámbrico, ó de una estación base, están fundamentalmente limitadas por la distorsión Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 21 �Diseño de amplificadores de potencia aplicados a comunicaciones móviles inalámbricas linealidad está muy relacionado con el nivel de potencia de cada usuario móvil. El estado del arte en los aspectos de nivel portadora a interferencia, como un parámetro de calidad en los sistemas móviles celulares, marca como un punto relevante la importancia que tiene la aplicación de los amplificadores de potencia, medidos en términos de la eficiencia y linealidad. Basándose en los aspectos anteriores buscaremos en nuestros diseños del transreceptor móvil tener una mejor linealidad en el amplificador de potencia y una reducción en el consumo de potencia en DC. Una influencia adicional en la linealidad del amplificador se presenta en la antena del móvil, ya que se crean lóbulos laterales inaceptables y que degradan en gran medida las prestaciones de los transreceptores empleados en las comunicaciones móviles, por lo cual, es necesario minimizar la distorsión de la fase en los amplificadores de potencia.4 Las características de los transreceptores de la estación base y terminal móvil se muestran en la figura 2. De la figura anterior, se puede mencionar que los amplificadores de potencia se caracterizan por tener requerimientos de potencia de salida típicamente de 1w ó menos, pero idealmente requieren una eficiencia de conversión de DC-RF muy alta.4 Cuando se considera la potencia de DC, el amplificador de potencia típicamente ocupa entre el 20 y 40% del sistema total, así que obviamente, existe una oportunidad de mejorar el tiempo de vida de la batería, si el consumo del amplificador de potencia puede ser reducido. La mayoría de los amplificadores de potencia mantienen una disipación de potencia de DC constante, cuando la potencia de salida del amplificador es reducida. De aquí que la eficiencia en promedio en DC del amplificador se vea afectada. Como se mencionó anteriormente, hay dos parámetros de diseño y desarrollo principales de mucha importancia en los amplificadores de potencia en comunicaciones móviles y estas son: “Mejoras en la linealidad y mejoras en el consumo de potencia de DC”. 3. REQUERIMIENTOS DE LINEALIDAD Y DISIPACIÓN DE POTENCIA EN AMPLIFICADORES DE POTENCIA. Las transmisiones de las señales de RF a través del sistema móvil, están fundamentalmente limitadas por la distorsión generada por el amplificador de potencia y por la potencia de DC consumida por el amplificador. En la mayoría de los casos, la distorsión puede ser reducida, pero solo a expensas de la disipación de la potencia incrementada.3 Fig. 2. Amplificadores de potencia para comunicaciones inalámbricas (a) amplificador de potencia de la estación base y (b) amplificador de potencia del teléfono móvil. 22 La distorsión en el amplificador de potencia resulta en una modificación espectral de la señal de Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Catarino Alor Aguilar, David H. Covarrubias Rosales salida y en un incremento en el ancho de banda de la señal. Esto se ilustra en la figura 3. Como un resultado, el recrecimiento espectral de una amplitud grande de canal puede alterar la señal deseada en una amplitud en una banda pequeña de una frecuencia adyacente, como se muestra en la figura 4. Fig. 3. Modificación de la señal en los amplificadores de potencia inalámbricos (a) caso ideal, y (b) con distorsión. Este recrecimiento espectral resulta del hecho de que cualquier operación no lineal en una forma de onda conteniendo frecuencias múltiples, crea nuevas frecuencias de las frecuencias originales. Algunos de estas nuevas señales están a frecuencias adyacentes a la señal original, y pueden crear una descomposición significante de la señal deseada a estas frecuencias llamados productos de intermodulación.4 Aunque los amplificadores de potencia crean problemas de distorsión para todos los sistemas de comunicaciones, ésta resulta especialmente crítica en los sistemas de comunicaciones móviles celulares. Esto es debido al hecho de que la potencia recibida por el sistema móvil celular varía sustancialmente en tiempo y frecuencia, debido a la presencia de multitrayectorias, y otras variaciones de efectos de tiempo del orden de milisegundo y del nivel de la señal recibida de 60dB. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Fig. 4. ACPR para diferentes requerimientos de los estándares de sistemas de comunicaciones inalámbricas (a) AMPS y (b) CDMA IS-95. El espacio del recrecimiento espectral varía según los estándares de las comunicaciones inalámbricas y es una función compleja del formato del espaciamiento de la modulación del canal del entorno del medio ambiente. Como un ejemplo, los requerimientos de Ajuste de Potencia de Rechazo de Canal (ACPR), son medidos en el recrecimiento espectral, esto es mostrado en la figura 4 para varios estándares de comunicaciones inalámbricas. Por ejemplo el estándar doméstico análogo (AMPS) en los Estados Unidos utilizan un esquema de acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), con una única frecuencia alojada en cada usuario durante periodos activos. El espaciamiento entre los canales es de 30KHz, así el amplificador de 23 �Diseño de amplificadores de potencia aplicados a comunicaciones móviles inalámbricas potencia tiene que tener suficiente espectros pequeños, esto con una portadora de frecuencia de aproximadamente de 850MHz. En particular, el estándar AMPS especifica que el recrecimiento espectral, debe de ser menos de 26dBc a frecuencia de solo 20KHz aislado de la frecuencia deseada. Para obtener esto el amplificador de potencia tiene que ser muy lineal.4 Similarmente, el estándar digital CDMA IS95 CDMA multicanaliza a muchos usuarios diferentes en una sola señal de ancho de banda de 1.25MHZ, pero esta señal debe co-existir con portadores adyacentes analógicos así como con otras señales CDMA pero a diferentes frecuencias de portadoras. 4.-DISEÑO DEL POTENCIA. AMPLIFICADOR DE El objetivo de mejorar las prestaciones en el amplificador de potencia, se refleja directamente en una mejora en nuestra relación C/I. Particularmente en el parámetro de la portadora. De allí la importancia de obtener un buen diseño del amplificador de potencia y de la antena para el terminal móvil.4 En este caso, la especificación requiere que el recrecimiento espectral debe de ser menos de 42dB por debajo de la portadora de la frecuencia más grande que está entre 900KHz y 1.98MHz lejos de la frecuencia portadora, y menos de 54dB por debajo de la frecuencia portadora más grande que es de 1.98MHz. Nuestro diseño del amplificador de potencia para el sistema CDMA consideró las siguientes especificaciones: • Tipo de amplificador.- Amplificador de potencia. (Clase AB). • Nivel de Portadora máxima.-9dB. • Intervalo de frecuencia.- de 900MHZ a 1900MHz. • Linealidad.-ACPR<-42dBc a 900KHz offset y ACPR<-54dBc a 1980MHZ. • Frecuencia Portadora.-1.25MHZ. • Tipo de Transistor.- BJT. • Ganancia de Potencia.- >20dB. • Potencia de Eficiencia Agregada.- 30% a la máxima potencia de salida. • Máxima Potencia de Salida.- 28dB. • Potencia de Ajuste (Limite de distorsión).- (42dBc) al nivel de compresión de 1dB. Al mismo tiempo que el amplificador de potencia debe de mantener un alto grado de linealidad, también debe de haber una reducción en la magnitud del consumo de la energía. Un factor importante en esto es la reducción en el voltaje de la batería, desde 7V a 3V.4 Con las especificaciones anteriores y como parte del diseño del amplificador de potencia, se utilizó el programa MMICAD para obtener la respuesta de linealidad, factor de ruido, ROE, entre otros parámetros del amplificador en todo el ancho de banda; tal y como se muestra en la figura 5. En este caso, los requerimientos de la linealidad deben de ser más rígidos, como se muestra en la figura 4(b), dado que el espacio del ancho de banda de la señal modulada lleva los productos de distorsión, aunque espacios remanentes de los canales son casi mínimos en el espacio del ancho de banda. 24 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Catarino Alor Aguilar, David H. Covarrubias Rosales Finalmente, y como resultado del proceso de diseño, la figura 6 muestra el arreglo topológico del amplificador de potencia para el terminal móvil en un sistema CDMA. El procedimiento seguido en el caso anterior viene a confirmar nuestra premisa de proponer una metodología simple de diseño de amplificadores de potencia aplicados a sistemas móviles celulares desde el punto de vista del terminal móvil, o bien de la estación base. Fig. 5. Resultados del diseño del amplificador de Potencia utilizando MMICAD. De la figura anterior podemos concluir que el diseño del amplificador de potencia para un sistema CDMA cumple adecuadamente las especificaciones de linealidad en todo el ancho de banda de 800 a 1900MHz, así como otros parámetros importantes del dispositivo tales como ROE, factor de ruido entres otros ( tabla I). Este procedimiento lo podemos aplicar a sistemas analógicos, sistemas digitales de banda estrecha o de banda ancha, en cualquiera de los casos, posterior al diseño del amplificador se efectúa una etapa de optimización de los parámetros del mismo con la idea de cumplir los requerimientos del nivel de C/I establecidos. ! MMICAD VERSION 2 Sat Dec 02 18:31:55 2000 ! FRAME: GRAPH1 ! TITLE: .9-1.9 GHz ideal Amplifier Design ! Freq DB[S21] DB[S11] DB[S22] ! GHz SUPERAMP SUPERAMP SUPERAMP DB[NF] 0.900 3.76438 -1.49351 -7.55391 1.000 4.63982 -2.13162 -9.39118 3.92466 1.100 5.42854 -2.87045 -11.5070 3.89683 1.200 6.06806 -3.66257 -14.0330 3.87861 1.300 6.55429 -4.44475 -17.2422 3.87406 1.400 6.90716 -5.15258 -21.7795 3.88354 1.500 7.15356 -5.73630 -29.1344 3.90586 1.600 7.31917 -6.17132 -28.4368 3.93929 SUPERAMP 3.94975 1.700 7.42532 -6.45923 -21.9661 3.98204 1.800 7.48838 -6.62034 -18.1696 4.03241 1.900 7.52043 -6.68309 -15.6189 4.08888 Tabla I.- Resultados del diseño del amplificador de potencia empleando el programa MMICAD. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Fig. 6. Arquitectura del amplificador de potencia del terminal móvil para un sistema CDMA. 25 �Diseño de amplificadores de potencia aplicados a comunicaciones móviles inalámbricas 5.-CONCLUSIONES. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA. En este trabajo nos hemos enfocado al diseño de la sección de RF de los transreceptores del terminal móvil, con el objetivo de optimizar el funcionamiento global de los sistemas de comunicaciones móviles, a partir del diseño óptimo (mínimo producto de intermodulación de segundo y tercer orden) de la sección de RF más la antena de los transreceptores mencionados. 1. David H Covarrubias. Notas del curso de maestría Comunicaciones Móviles Celulares. CICESE. Octubre del 2000. Hemos presentado una metodología de diseño aplicada a amplificadores de potencia utilizados en los sistemas de segunda, segunda plus y tercera generación de sistemas de comunicaciones móviles celulares. 26 2. Jakes William. Microwave Mobile Communications, IEEE Press-IEEE Communications Society, first edition, U.S.A. 1994, pp. 79-131. 3. Rappaport Theodore S. Wireless Communications: Principles and Practice, Prentice Hall PTR, first edition, U.S.A. 1996, pp. 116-119. 4. Peter Asbeck. Linear Power Amplifiers, PressIEEE Press, U.S.A. UCSD. 1999. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �La rugosidad de las superficies: Topometría Moisés Hinojosa Rivera, Martín Edgar Reyes Melo* Abstract The importance of accurate roughness measurements is discussed in this work, the most common techniques to record topographic profiles are described and the most popular parameters used to quantify roughness are presented. A brief discussion on the self-affine character of heigth profiles is also presented. The fact that both the average roughness and the rms roughness depended on the sample length and hence cannot be considered as surface properties is emphasized. The use of the roughness exponent in modern statistical topometric methods is also included in this discussion. INTRODUCCIÓN Las superficies de los cuerpos son objetos muy complejos, en ellas la composición química es en general diferente de la composición dentro de los objetos, los materiólogos saben que el ordenamiento atómico también es muy distinto en las superficies y es mucho más complicado y dificil de describir, aún las superficies consideradas como “muy lisas” muestran, cuando son analizadas a escala suficientemente fina, una compleja diversidad de particularidades geométricas, tal vez estas razones llevaron al ilustre Wolfgang Pauli (1900-1958) a afirmar que “las superficies son obra del demonio”. Desde el punto de vista de la ciencia e ingeniería de materiales, la topografía se ocupa de la descripción del conjunto de particularidades geométricas naturales o artificiales que caracterizan a una superficie. En cierta manera es un pleonasmo hablar de “topografía de superficies”. Uno de los conceptos que se usan en topografía para describir la irregularidad de las superficies es el de rugosidad. La cuantificación de la rugosidad es uno de los problemas que aborda la topometría. El objetivo del Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 presente artículo es discutir de manera sencilla algunos métodos y técnicas que se usan para describir cuantitativamente la rugosidad de las superficies encontradas en componentes de ingeniería. ALGUNAS CONSIDERACIONES SOBRE LA IMPORTANCIA DE CUANTIFICAR LA RUGOSIDAD Tanto en aplicaciones industriales como en la vida cotidiana,* el grado de rugosidad de las superficies es importante, en ocasiones es deseable tener rugosidad “alta” y en otras ocasiones esta condición es indeseable. En algunos casos se busca que la superficie del producto terminado presente un mínimo de rugosidad, ya que esto le da brillo, mejor apariencia y disminuye la fricción de la superficie al estar en contacto con otra, reduciendo el fenómeno de desgaste y la corrosión o erosión de dichos materiales. * FIME-UANL, A. P. 076 Suc. F, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, N. L., Méx. 66450 hinojosa@gama.fime.uanl.mx 27 �La rugosidad de las superficies: Topometría Por otra parte, la fricción entre dos superficies es lo que permite sujetar un objeto sin que este resbale. Es la rugosidad de los neumáticos de los automóviles lo que favorece la fricción entre ellos y el suelo, permitiendo de esta manera el agarre y el avance controlado y seguro. En ocasiones se busca maximizar el área superficial, lo que se consigue incrementando la rugosidad, como en el caso de los catalizadores, cuya eficiencia es mejor entre mayor sea la superficie de contacto con los reactivos. Es la rugosidad de los “acetatos”, principalmente, lo que determina si pueden usarse en una impresora láser o en impresoras de inyección de tinta. La rugosidad también es un factor biológico, ya que a escala molecular afecta el modo en que las bacterias se adhieren a las superficies. Los materiales dentales deben presentar una superficie con el mínimo de rugosidad posible, para evitar la acumulación de placa bacteriana y para conseguir un mejor efecto estético. A pesar de su importancia, en la mayoría de los casos las mediciones de rugosidad se realizan de manera subjetiva, lo cual conduce a interpretaciones o conclusiones vagas e imprecisas. SUPERFICIES ESTOCÁSTICAS SUPERFICIES DETERMINISTAS El método más usado en la industria para cuantificar la rugosidad se basa en el registro de perfiles de alturas mediante un rugosímetro o perfilómetro. El tratamiento estadístico de los datos permite determinar parámetros como la rugosidad rms (Rrms) y la rugosidad promedio (Ra). El Perfilómetro El rugosímetro o perfilómetro es por mucho el equipo más utilizado en la industria en general para medir la rugosidad de componentes comunes de ingeniería. El principio de operación de este equipo es simple: una fina punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en línea recta y las variaciones de alturas se convierten en señales eléctricas y se registran o grafican, en la figura 1 se ilustra este principio. Y Topográficamente, aquellas superficies que no tienen una dirección o patrón geométrico preferente debido al proceso de su generación se conocen como aleatorias o estocásticas, las superficies que resultan de romper un objeto generalmente son de este tipo. Las superficies con un patrón geométrico distinguible se conocen como deterministas, una superficie maquinada en un torno es de este tipo. 28 TÉCNICAS Y MÉTODOS PARA MEDIR LA RUGOSIDAD. Fig. 1. Principio de operación y rugosímetro perfilométrico. componentes de un Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Moisés Hinojosa Rivera, Martín Edgar Reyes Melo Es posible construir imágenes de la topografía en 3D mediante barridos sucesivos, algunos autores llaman a esta técnica “Microscopía Mecánica de Barrido”. Un parámetro muy importante de estos equipos es la forma y el radio de la punta, ya que ésta influye de forma importante en la resolución lateral de las mediciones. Típicamente se utilizan puntas con radios de algunos micrómetros, 2 µm es un valor común. Aunque la resolución vertical es generalmente menor que el radio de las puntas, no pueden detectarse con alta precisión valores de rugosidad menores al radio de la punta. En general, una punta burda o desgastada resulta en valores de rugosidad más bajos que los obtenidos usando puntas finas. Típicamente un perfilómetro permite longitudes de muestreo de hasta algunos centímetros con resolución micrométrica. Otros equipos En este apartado mencionaremos brevemente solo algunos de los equipos diferentes al perfilómetro que tienen un uso relativamente frecuente en la cuantificación de la rugosidad. Debemos mencionar también que existen muchos equipos, accesorios y métodos que permiten una evaluación cualitativa de la rugosidad. En general los equipos para medir la rugosidad pueden clasificarse como de contacto y de no-contacto. Además del perfilómetro, otro equipo de contacto digno de mencionar es el microscopio de fuerza atómica (MFA), que en aplicación a observaciones topográficas puede considerarse como un perfilómetro de resolución sub-nanométrica que opera de forma similar a la mostrada en la figura 1. Típicamente el MFA permite longitudes de muestreo máximas de 100 µm con resolución nanométrica. En la figura 2 se muestra una imagen Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 de MFA correspondiente a una superficie de vidrio, más adelante en el texto haremos referencia nuevamente a esta figura. Fig. 2. Imagen de microscopía de fuerza atómica (MFA) de la zona especular en una superficie de vidrio fracturado. Los equipos de no-contacto son en general ópticos aunque el microscopio de fuerza atómica puede también operarse en modo sin contacto. Los equipos ópticos se basan en cambios en el enfoque de luz monocromática que corresponden a diferencias de alturas en la superficie. Otros equipos ópticos aprovechan el fenómeno de interferencia (interferómetros). Un equipo óptico común en metrología de taller que puede utilizarse para determinaciones cuantitativas de rugosidad es el proyector llamado Comparador Óptico. LOS PARÁMETROS DE RUGOSIDAD En general los parámetros utilizados para cuantificar la rugosidad pueden interpretarse como parámetros propios de la distribución estadística de alturas del perfil o superficie bajo análisis. Antes de discutir los parámetros de rugosidad es conveniente distinguir entre la rugosidad propiamente dicha y otros componentes de la 29 �La rugosidad de las superficies: Topometría textura o morfología como la ondulación (waviness), la curvatura y la inclinación o tendencia (trend). En la figura 3 puede observarse que una superficie puede poseer curvatura y/o ondulación periódica o aperiódica, estos componentes deben eliminarse o extraerse antes de cuantificar la rugosidad. 2.5 a 0.5 mm. L Ra = 1 L ∫ y(x ) dx 0 Dónde L es la longitud de muestreo. A su vez Rrms se define como: L Rrms = 1 L ∫ [y(x )] dx 2 0 Perfil “teórico” < 0.5 mm. Defecto de primer orden (geometría) Defecto de segundo orden (ondulación periódica) } Parametros de ondulación Rrms representa el promedio de las desviaciones cuadráticas respecto a la altura media, es la desviación estándar de la distribución estadística de alturas, que a su vez es la raíz cuadrada de la varianza o segundo momento respecto a la media. } Defecto de tercer orden (estrías pseudo-periódicas) Parámetros de rugosidad Defecto de cuarto orden (defecto aperiódico) Fig. 3. Los cuatro primeros órdenes de defectos topográficos en una superficie con curvatura y ondulación. La figura 3 ilustra los cuatro órdenes de defectos topográficos que distinguen algunos autores. La desviación del perfil respecto a la forma esperada (en el maquinado por ejemplo) se considera el defecto de primer orden. La ondulación periódica a nivel mesoscópico y macroscópico se considera defecto de segundo orden mientras que las estrías pseudoperiódicas pertenecen al tercer orden. En cuarto orden se tiene los defectos aperiódicos. Los parámetros de rugosidad más usados en ingeniería son la rugosidad promedio, (Ra) y la rugosidad rms (Rrms). Ra es el promedio aritmético de los valores absolutos de las alturas y(x) medidas a partir de la línea central, figura 4. Matemáticamente Ra se define como: 30 Fig. 4. Designación de algunos parámetros de rugosidad. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Moisés Hinojosa Rivera, Martín Edgar Reyes Melo Los diferentes procesos de manufactura dan lugar a valores de rugosidad inherentes típicos. Como ejemplos, el corte con soplete produce valores Ra de hasta 50 micrómetros, la extrusión proporciona valores típicamente menores a 10 µm, el electropulido logra superficies muy lisas con Ra del orden de 0.1 µm. Producir superficies poco rugosas tiene un costo, en la Tabla I se muestra el costo relativo de obtención de diferentes grados de Ra tal como se indican (en inglés) en el ASM Metals Handbook. Otra medida de la rugosidad que se emplea mucho en trabajos de investigación de topometría es el rango, Ry o diferencia máxima de alturas en la longitud de muestreo, también es un momento estadístico. Clase Super finish Polish Ground Smooth Fine Semifine Medium Semirough Rough Cleanup TABLA I Rugosidad, Ra (µm) Costo relativo de obtención 0.10 0.20 0.40 0.80 1.60 3.2 6.3 12.5 25 50 40 35 25 18 13 9 6 4 2 1 El usuario de un rugosímetro puede percatarse de que desafortunadamente la rugosidad reportada por los parámetros discutidos depende fuertemente del tamaño de muestreo, en general se encuentra que a mayores longitudes de muestreo se detecta mayor rugosidad. Ra y Rrms no pueden considerarse como propiedades de una superficie. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 En la figura 3 se muestran los parámetros de rugosidad aquí discutidos y se incluyen además los párametros Rz o “altura de diez puntos”, y la “altura de ondulación”, W. Rz es la distancia promedio entre los cinco picos más altos y los cinco valles más profundos en la longitud de muestreo. W tiene una definición aún más rebuscada. Existen otras medidas de la rugosidad que se pueden consultar en las lecturas recomendadas. ESCALAMIENTO Y AUTOAFINIDAD La gran irregularidad morfológica de los perfiles topométricos se presta para su análisis mediante la geometría fractal. Es evidente que un perfil obtenido al analizar la superficie de un componente de ingeniería con un perfilómetro puede compararse al perfil de una montaña, si no se especifica la escala respectiva ambos podrían tomarse como equivalentes, esta propiedad es llamada autosimilitud o más propiamente autoafinidad. La aplicación de conceptos de la geometría de fractales al análisis de perfiles rugosos permite demostrar que los diferentes momentos estadísticos de la distribución de alturas de ciertos perfiles dependen del tamaño de muestreo L y siguen un comportamiento proporcional a LH (ley de Potencia). El exponente H es conocido como el exponente de Hurst o exponente de rugosidad, está relacionado a la dimensión fractal y caracteriza o cuantifica la irregularidad del perfil. Los perfiles que cumplen con tal relación se dice que son autoafines. La figura 5 muestra perfiles generados por computadora con diferentes valores de H, nótese que a medida que H aumenta los perfiles lucen más “lisos”, una línea completamente lisa o recta posee un valor H de 1. A diferencia de los parámetros Ra y Rrms, idealmente H es independiente del tamaño de muestreo. 31 �La rugosidad de las superficies: Topometría difusa espejo fibrosa Fig. 5. Perfiles con diferente exponente de rugosidad generados usando un algoritmo matemático (Cortesía V. González). Al principio de este artículo se mencionó que aún los objetos más lisos muestran gran irregularidad si son analizados a escala suficientemente pequeña. Un ejemplo dramático de esto lo proporcionan las familiares superficies de un vidrio roto. Si se observa la zona cercana al origen de la fractura con una lupa, es fácil distinguir tres zonas, dos zonas de rugosidad marcada y una zona muy “lisa” y brillante, esta última zona es llamada “espejo”. En la figura 6 se muestran estas zonas tal y como se observan en un microscopio electrónico. Si se emplea un perfilómetro para analizar la zona espejo se concluye que la superficie es efectivamente lisa o con rugosidad escasa. Sin embargo, el análisis de esta zona mediante un microscopio de fuerza atómica muestra que la zona espejo tiene una topografía como la mostrada en la figura 2, el aspecto de dicha zona ahora es muy “rugoso”. 32 Fig 6. Superficie de un vidrio fracturado mostrando las tres zonas características. ¿Por qué refleja tan bien la luz una superficie tan “rugosa”? Simplemente porque la magnitud máxima de las variaciones topográficas es del orden de 100 nanómetros, magnitud inferior a la longitud de onda de la luz. La figura 7, construida empleando el llamado método de ventanas de ancho variable, muestra el comportamiento típico de los momentos estadísticos w(r) al variar la longitud de muestreo, se observa el comportamiento de ley de potencia con H = 0.8, dicho comportamiento autoafín se pierde para un valor de longitud de muestreo del orden de 100 nanómetros (100 x 10-9 m), dicho valor límite es conocido como la longitud de correlación. Un perfilómetro indicará rugosidad nula porque su resolución es insuficiente para revelar detalles menores que la longitud de correlación. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Moisés Hinojosa Rivera, Martín Edgar Reyes Melo AGRADECIMIENTOS 10 Los autores agradecen la ayuda de V. Gónzalez, F. Sánchez, E. Sánchez, D. Sánchez. w(r) (nm) 1 LECTURAS RECOMENDADAS 1. F.M. Lira, J. L. Morán López, “El Encanto de las Superficies”, Serie la Ciencia desde México, No. 111, Fondo de Cultura Económica, 1992. 0.1 ζ = 0.8 ξ = 100 nm 0.01 1 10 100 1000 10000 r (nm) Fig. 7. Variación de los momentos estadísticos con el tamaño de muestreo en la zona espejo de una fractura en vidrio. CONCLUSIÓN En general todas las superficies manifiestan una gran irregularidad morfológica. Industrialmente el instrumento más empleado para medir la rugosidad es el perfilómetro. El microscopio de fuerza atómica permite analizar la topografía a escalas mucho más finas que un perfilómetro. Los parámetros más empleados para medir la rugosidad son Ra y Rrms, sin embargo estas cantidades dependen del tamaño de muestreo y no pueden ser consideradas como propiedades de una superficie. Los métodos de vanguardia a nivel investigación emplean longitudes de muestreo variables y cuantifican la rugosidad mediante el exponente de Hurst y la longitud de correlación. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 2. J.A. Broadston, “Designación, Producción y Control de la Textura Superficial”, en Manual del Ingeniero Mecánico Marks, E. A. Avallone y T. Baumeister, 3ª ed., McGraw-Hill, p. 13.8613.92, 1992. 3. M. Field, J.F. Khales y W.P. Koster, “Surface Finish and Surface Integrity, en ASM Metals Handbook Vol.16, “Machining”, pp. 19-36, 1989. 4. H. Dagnall, “Exploring Surface Texture”, TaylorHobson, 1986. 5. Cornet y J.-P. Deville, “Physique et Ingenierie des Surfaces”, EBP Sciences, Francia, 1998. 6. Xavier Guerrero, Carlos Guerrero, Moisés Hinojosa y René Garza, “Análisis de Superficies de Alambrón de Cobre con Microscopía de Fuerza Atómica”, INGENIERIAS, Vol. III. 6, pp. 3-7, 2000. 7. Moisés Hinojosa, Elisabeth Bouchaud y Bernard Nghiem, “Rugosidad a Larga Distancia en Superficies de Fractura de Materiales Heterogéneos”, INGENIERIAS, Vol. III. 7, pp. 16-21, 2000. 33 �Maquinado de una sucesión de curvas F. Eugenio López G. *, Rafael Colás O.* Francisco Ramírez C.*, Klaus Rall** Abstract Many objects in the nature are inherently of soft and continuous geometry, so the computers to have to model them, as well as the machines that manufacture the objects starting from the computer models, should be able to reproduce such geometries. Computer aided design and manufacturing systems (CAD/CAM), high quality typography, artistic sketches and the movement of a movie camera are examples of such soft and continuous curves. This article proposes a solution to the problem of machining geometries with continuous curves in a plane. At the same time, different mathematical aspects of the problem are discussed. Keywords: CAD/CAM, geometric modelling, Bezier, NURBS, machining, interpolation, CNC. INTRODUCCIÓN La realidad es diferente a la abstracción geométrica simple. El ejemplo clásico es el de un círculo o una esfera, los cuales no se encuentran a priori en la naturaleza, salvo como abstracción geométrica. Un objeto esférico es resultado de la inteligencia. O, dicho de otra manera, los objetos reales en la naturaleza pueden ser considerados geométricamente como complejos, que se simplifican por medio de un encadenamiento de varias curvas de geometría sencilla. En el ambiente computacional, los formatos de intercambio de datos son mejorados continuamente, y ya desde hace algunos años están incluídas en el formato IGES las curvas NURBS (ver glosario), por ejemplo. *Aunque los controles de máquinasherramienta más modernos permiten el manejo de estructuras de datos de este tipo, la gran mayoría de los controles de máquinas que están trabajando en plantas productivas no lo hacen. Esto establece una diferencia bastante grande entre las capacidades de los controles de la última generación con respecto a sus antecesores. Si una planta productiva desea intentar permanecer en su plano competitivo –o desea mejorarlo- tiene como alternativas solamente la compra de equipo nuevo o implementar ingeniería más eficiente mientras llega el momento de invertir en equipo nuevo. * Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL. ** Departamento de Materiales y Automatización, TUHH, Alemania. 34 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �F. Eugenio López G., Rafael Colás O., Francisco Rámirez C., Klaus Rall OBJETIVOS El presente trabajo muestra cómo es posible implementar una fase de cálculos para mejorar las capacidades de maquinado para el caso de geometrías de curva continua, como son las curvas de Bezier. Ya que éstas son una clase de las BSplines, la metodología puede también ser usada para toda esta familia de curvas, y en donde se mantenga la matemática que define la geometría, dando como resultado que el proceso de generación de código de maquinado es prácticamente el mismo. Los controles de máquinas-herramienta utilizan un estándar internacional, y las primitivas geométricas disponibles son la línea recta y los arcos. Los códigos correspondientes son G01 (movimiento lineal) y G02/G03 (arcos maquinados a favor y en contra de las manecillas del reloj). Los sistemas de diseño y manufactura asistida por computadora (CAD/CAM por sus siglas en inglés) utilizan para trayectorias de herramienta diferentes al arco y la recta las interpolaciones lineales. Sin embargo, el número de puntos y en general el proceso de interpolación está fuera de la influencia del usuario del sistema. Es frecuente encontrar plantas que trabajan con situaciones no óptimas, en las que puede ser deseable la modificación o mejora del proceso de interpolación de curvas complejas, las cuales no es factible hacer debido a la estructura interna del programa de cálculo. Los cálculos tradicionales para curvas utilizan funciones matemáticas basadas en polinomios, ya sea en forma natural o racionalizada. De esta manera es sencillo representar curvas tales como líneas y arcos, parábolas o hipérbolas, objetos tridimensionales como conos, pirámides o esferas, y en general cualquier tipo de primitiva geométrica. En la siguiente sección se describen las formas de representación más comunes y su fundamento matemático. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 REPRESENTACIÓN DE MEDIO DE POLINOMIOS CURVAS Un método de representación consistente debe observar que: de POR curvas • sea posible representar exactamente todas las curvas que sean necesarias, • sea fácil, eficiente y lo más exacto posible procesarlas en computadora, • el cálculo de puntos y derivadas sea sencillo, • los métodos numéricos sean robustos y acarreen el mínimo error de redondeo, • se requiera poca memoria computacional para procesar, • sean sencillas y matemáticamente fáciles de entender. Sin embargo, hay curvas que no pueden ser representadas en forma precisa usando polinomios. FORMA IMPLÍCITA Y PARAMÉTRICA Los métodos usados para la representación de geometrías son las ecuaciones implícitas y las paramétricas. La función f(x,y) = 0 es una función implícita. Un ejemplo la figura 1 es la clásica ecuación de un círculo de radio unitario y centro en el origen: f(x,y) = x2 + y2 –1 = 0 Sin embargo, ésta no es la única forma de representar un círculo. Es ampliamente demostrado que un círculo puede representarse por medio de las funciones trigonométricas seno y coseno: x(t) = sen (t) y(t) = cos (t) en donde 0 < t < π 35 �Maquinado de una sucesión de curvas Fig. 1. Forma implícita de un círculo con radio unitario. Fig. 2. Forma paramétrica de un círculo con radio unitario. Con lo que se tiene un círculo en forma paramétrica. Es importante hacer notar que puede existir más de una forma paramétrica para una curva. Sin embargo, la selección de esta forma está determinada por los criterios de sencillez que se deseen tener en un caso determinado. Las curvas de Bezier se basan en los polinomios de Bernstein, que a su vez se definen como: El uso de la forma paramétrica se ha extendido mucho debido a las propiedades matemáticas que permiten su manejo sencillo y flexible como se ve en la figura 2. en donde: 0 < u < 1. i es el índice del vector de n polinomios. REPRESENTACIÓN DE CURVAS MEDIO DE CURVAS DE BEZIER POR La parametrización de una curva por medio de la de sus componentes coordenadas x(u), y(u) puede ser arbitraria, y en consecuencia es posible obtener un espectro de curvas amplio. Por razones de espacio este artículo se centra en curvas en el plano XY, aunque la matemática es la misma que para el caso de tres dimensiones. 36 Bi , n( u) := n! i n −i u ⋅( 1 − u) i! ⋅( n − i)! (1) Las ventajas que justifican su uso son: • No negatividad: Bi,n(u) >= 0 para toda i,n y 0<u<1 • Partición unitaria • B0,n(0) = Bn,n(1) = 1 • Simetría con respecto a: u=i/n • Definición recursiva inclusive sus derivadas. Las curvas de Bezier son un caso particular de splines y se definen como la multiplicación de estos polinomios por un vector de puntos {Pi}. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �F. Eugenio López G., Rafael Colás O., Francisco Rámirez C., Klaus Rall n C ( u) := ∑ i CURVA DE BEZIER Pi Bi , n ( u) (2) =0 10 A continuación se presentan ejemplos de la determinación de los polinomios: Cy(u) Pyi Ejemplo 1: Suponiendo n=1 y sustituyendo en (1), el desarrollo de los polinomios sería 5 . B0,1 (u) = (1-u) 0 B1,1 (u) = u 0 C(u) = (1-u)P0 + uP1 Fig. 3. Gráfica de los valores usados en el ejemplo 2. Ejemplo 2: de nuevo las C(u) = (1-u)3P0 + 3u(1-u)2P1 +3u2 (1-u)P2 + u3P3 Si P=[(4.0,0.5), (3.0,9.0), (10.0,3.0), (10.0,10.0)], como se muestra en la figura 3, las ecuaciones para cada una de las coordenadas son: ∑ i Pxi ⋅ B( i , n , u) (3) =0 n Cy( u) := ∑ i Se debe hacer notar la posición de los puntos {Pi}. El primer punto del vector es el punto de inicio de la curva; el último es el punto final de la curva. La curva sigue a los puntos intermedios, por lo que al vector {Pi} se le llama vector de puntos de control. Al polígono formado por el vector {Pi} se le conoce como polígono de control. Las ventajas de representar curvas parametrizadas por este método se pueden concluir a través de sus propiedades matemáticas: n Cx( u) := 10 Cx(u) , Pxi La ecuación (2) sería la de una recta de P0 a P1 Suponiendo n=3 y haciendo sustituciones correspondientes 5 Pyi ⋅ B( i , n , u) =0 Cuya curva graficada se muestra en la figura 3. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 • Los polígonos de control aproximan la silueta de la curva • P0 = C(0) y P3 = C(1) • Las direcciones de tangencia de los puntos inicio y final son paralelos al segmento P1-P0 y P3-P2 • Al inicio (u=0) la curva toma la dirección de P0P1P2. Al final (u=1) toma la dirección de P1P2P3 37 �Maquinado de una sucesión de curvas VECTOR DE PESOS SUCESIÓN DE CURVAS Es posible alterar la trayectoria de la curva de Bezier “jalándola“ hacia los puntos de control intermedios. De esta manera puede modificarse sin alterar los puntos de inicio y final, conservando con esto la continuidad geométrica de la unión entre segmentos. El mecanismo para hacerlo es utilizando un vector de pesos {wi} y con ello obtener la curva racionalizada. Este vector es un valor de peso asignado a cada punto de control. El cálculo de las coordenadas será. Continuidad geométrica. El requisito para poder formar una curva a través de la unión de una sucesión de curvas es la continuidad geométrica. Ésta expresa la suavidad de la unión de dos curvas. Significa que a lo largo de una trayectoria determinada en las uniones de las curvas no existen altibajos o cambios abruptos de trayectoria. x( u) := X ( u) W ( u) y( u) := Y ( u) W ( u) (4a) En donde n X ( u) := ∑ i Pxi ⋅ Bi, n( u) ⋅ wi (4b) =0 n Y( u) := ∑ i Pyi ⋅ Bi, n( u) ⋅ wi =0 y n W ( u) := ∑ i 38 wi ⋅ Bi, n ( u) (4c) Considerando una curva compuesta de dos segmentos, la continuidad geométrica se definiría como sigue: si los dos segmentos de curva están unidos en un punto, entonces la curva tiene continuidad geométrica y se representa por G0. Si las direcciones de las tangentes de cada segmento son iguales en el punto de unión, entonces se dice que la curva tiene continuidad geométrica G1. Si los vectores tangente (primer derivada) de cada segmento son iguales tanto en magnitud como en dirección en el punto de unión, entonces se dice que la curva tiene continuidad geométrica C1. Si los vectores resultado de la derivada n de ambos segmentos en el punto de unión son iguales, entonces se dice que la curva tiene Cn (continuidad geométrica n). Para que exista continuidad geométrica en una cadena de curvas de Bezier es necesario que el último punto del polígono de control de una curva sea el primero del polígono de control de la siguiente. Ver tabla I, figura 4. =0 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �F. Eugenio López G., Rafael Colás O., Francisco Rámirez C., Klaus Rall Tabla I. Valores XY para los puntos de control {P} y {Q} de la figura 4. Vector de puntos de control {P} Vector de puntos de control {Q} Tabla II. Valores del vector de pesos {W} para las curvas P y Q de la figura 5. Vector de pesos {wp} Vector de pesos {wQ} 1 1 Px Py Qx Qy 3 10 4 0.5 10 10 6 6 1 1 3 9 10 29 10 3 20 13 10 10 15 5 CURVA RACIONAL DE BEZIER 30 Qy Pyi CURVA DE BEZIER CPy( u ) 30 25 20 CQy( u) 15 25 y P( u ) Py Qy CPy ( u ) 10 yq ( u ) 20 5 15 0 CQy ( u ) 5 10 15 20 Fig. 5. Curva resultante tras considerar el vector de pesos {wi}. 5 0 0 Qx, Pxi , CPx( u ) , CQx( u ) , xP( u) , xq( u) 10 0 5 10 15 20 Px, Qx, CPx( u ) , CQx( u ) Fig. 4. Vectores de puntos {P} y {Q} y sus curvas de Bezier. La condición de continuidad geométrica está determinada por la derivada de la curva, y está dada por d Ya que la pendiente de la curva en sus extremos está determinada por el segmento de puntos de control inicial (o final, según sea el caso) la condición de continuidad geométrica está determinada por la posición del segmento final de la curva con respecto al inicial de la siguiente. Para cumplir con la condición de G1 basta con que los tres puntos –que determinan la unión de los dos segmentos en cuestión- sean colineales. Ver tabla II, figura 5. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 du Bi, n(u) := n ⋅  Bi−1 , n−1(u) − Bi, n−1(u)  (5) CONDICIONES DE MAQUINADO Para efectos de la generación de código NC, el cálculo de puntos a lo largo de la curva se hizo en función del radio de la herramienta a utilizar, considerando la longitud del arco del segmento y sin tomar el cuenta el valor de curvatura. La 39 �Maquinado de una sucesión de curvas longitud de arco L de cualquier curva paramétrica con límites 0<u<1 está definida por: velocidades de avance (F) y rotación (S), así como el uso de las funciones específicas de la máquinaherramienta (como por ejemplo el punto cero de referencia del programa, G55) están contenidos en (6) el archivo NC resultante. 1 ⌠  L :=   ⌡0 2 2 d  d   Cx(u) +  Cy(u) du  du   du  Que es la distancia que tendrá que recorrer la herramienta a lo largo de la curva. La interpolación lineal se determinó como ¼ del valor del radio de la herramienta: k := 0 , r 4L .. 1 . (7) Los puntos calculados para el código NC son Cx (k) y Cy (k) Para verificar el código NC generado se hizo una simulación de maquinado utilizando SurfCAM Verify Plus v4.0.2. La figura 6 muestra el resultado final de la simulación. El programa aceptó sin problemas el código NC generado, lo cual implica cero errores de sintaxis, y posiciones de planos de trabajo válidas. El análisis de colisiones reporta que no existe ninguna colisión, ni condiciones de corte inválidas (por ejemplo enterramiento de herramienta). (8) a lo largo del segmento. Ver tabla III. Tabla III. Valores de los parámetros utilizados en los experimentos Curva P Número de puntos de control Longitud de arco Radio de herramienta Número de puntos calculados Curva Q 4 4 15.393 37.913 2 2 31 76 Fig. 6. Simulación del proceso de maquinado con el archivo NC resultado de los cálculos del ejemplo de la figura 5. COMPROBACIÓN DE RESULTADOS Generación de archivos CLF. Utilizando (8) para el cálculo de puntos, y omitiendo las compensaciones de la herramienta por radio, la localización de la herramienta es directamente asignada por los vectores de puntos Cx(k) y Cy(k). Los códigos de control numérico para el posicionamiento inicial de la herramienta, las 40 MEJORAS POR DESARROLLAR La selección de la herramienta adecuada y su compensación, es crítica para el proceso de maquinado. En el caso presentado aquí no se considera la compensación geométrica y se da por asentado que el radio de la herramienta es lo Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �F. Eugenio López G., Rafael Colás O., Francisco Rámirez C., Klaus Rall suficientemente pequeño para que la trayectoria de la herramienta no contenga colisiones con segmentos de la curva cercanos o con valores de curvatura en donde no quepa la herramienta. También se presupone que la curva no presenta intersecciones consigo misma o que, si así sucede, es intencional. El impacto de los cálculos en el material y su acabado no es considerado; el número de puntos de la interpolación tiene relación directa con ello. Estas consideraciones se proponen para la continuación de este trabajo en el Centro de Manufactura FIMEUANL. archivos CLF Archivo conteniendo los datos de las posiciones del cortador de la herramienta. Del inglés Cutter Location File. B-Splines Curvas similares a las de Bezier presentadas aquí, con un nivel de complejidad mayor. La curvas de Bezier son una subclase de las B-Spline. CAD/CAM Diseño, Manufactura Asistida por Computadora. código NC Código de control numérico estandarizado para el uso y control de las máquinasherramientas. Del inglés Numerical Control. IGES Estándar americano desarrollado a inicio de los ochentas para intercambio de información entre sistemas de CAD/CAM. Especifica formatos de datos gráficos y geométrico para aplicaciones tales como: diseño de circuitos, elemento finito, construcción, etc. NURBS Curvas tipo B-Spline racionales no uniformes. Del inglés NonUniform Rational B-Splines. RECONOCIMIENTOS El presente trabajo fue realizado por los autores como parte de su proyecto de investigación doctoral en el programa de Materiales FIME-UANL durante su estancia en el Departamento de Materiales y Técnicas de Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania, bajo el apoyo de PROMEP. Agradecemos la colaboración del Dr. Moisés Hinojosa en la revisión del manuscrito. GLOSARIO DE TÉRMINOS La disciplina que comprende la interacción entre la matemática geométrica, el modelaje computacional y la manufactura con máquinasherramientas utiliza términos provenientes del inglés que se han convertido en un argot disponible para el buen entendimiento entre las personas que trabajan en ello. La lectura de bibliografía especializada obliga el conocimiento y uso de él, por lo que intencionalmente no se omitió aquí. A continuación se presenta la definición de los términos usados en este texto. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 LITERATURA 1. Foley, James D. Computer Graphics Principles and Practice. Addison Wesley, 1996. 2. Piegl, Les The NURBS Book. Springer Verlag, 1997. 41 �Maquinado de una sucesión de curvas 3. López Guerrero, F. Eugenio. Maquinado de Trayectorias en Dos Dimensiones Basadas en Pixeles. Revista Ingenierías Vol. III, No. 9, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Octubre-Diciembre 2000. 7. Chuang, S. and Lin W. Tool-Path Generation for Pockets with Freeform Curves Using Bezier Convex Hulls. Advanced Manufacturing Technology 13:109 Springer-Verlag London, 1997. 4. Leithold, Louis. El Cálculo con Geometría Analítica. Editorial Harla, 1973. 8. Glassner, A. The Perils of Problematic Parametrization. IEEE Computer Graphics and Applications, September/October 1997. 5. Klein, Friedrich. NC-Steurung für die 5-achsige Fräsbearbeitung auf der Basis von NURBS. Shaker Verlag. Ph.D. Dissertation, Technische Hochschule Aachen, 1995. 6. López Guerrero, F. Eugenio. Generación de Código de Maquinado en 3D para Modelos Geométricos Basados en Mallas. Revista Ingenierías Vol. III, No. 10, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Enero-Marzo 2001. 42 9. Jeon, J. and Kim, K. Generation of Tool Paths for Machining Free-Form Pockets with Islands Using Distance Maps. Advanced Manufacturing Technology 15:311 Springer-Verlag London, 1999. 10. Jeon, J. and Kim, K. Generating Tool Paths for Free-Form Pocket Machining Using Z-BufferBased Voronoi Diagrams. Advanced Manufacturing Technology 15:182 SpringerVerlag London, 1999. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Detectando fallas mediante redundancia analítica Efraín Alcorta García* Abstract Every system is vulnerable to faults due to the physical nature of its components. These faults could cause severe damage. A way to reduce the effect of faults consist basically in two steps: first, in detect if they are present in a system as soon as they occur and second: to take a corrective action. This work offers a panoramic view about the fault detection methods based on analytical redundancy. The last part of this work contains a description of some applications in different areas. 1. INTRODUCCIÓN Todo sistema físico sin excepción está sujeto a cambios en sus parámetros, los cuales modifican el comportamiento para el cual fueron diseñados. Estos cambios pueden ser debidos a efectos de la temperatura, desgastes ocasionados por la fricción, el envejecimiento de los componentes, etc. Los cambios en los parámetros del sistema a zonas fuera de los límites de tolerancia especificados por el fabricante o de los límites establecidos de acuerdo a criterios de ingeniería, serán considerados como fallas dentro del presente trabajo. Estas modificaciones afectan en su mayor parte el buen funcionamiento del sistema provocando desde una reducción del desempeño hasta la posibilidad de accidentes más graves. La rápida detección de la presencia de fallas en los sistemas puede ayudar a tomar acciones correctivas y de este modo reducir el daño potencial que esta falla puede ocasionar al sistema. Al procedimiento anterior se le conoce con el nombre de reconfiguración. Ver figura 1. Tradicionalmente los mecanismos para la detección de fallas son basados en el concepto de redundancia y más específicamente en el uso de Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Fig. 1. Principio de reconfiguración. redundancia física, es decir, en el uso de elementos repetidos en el sistema. Estos elementos nos permiten, por medio de *comparaciones del funcionamiento, tomar decisiones sobre la presencia de fallas y sobre posibles acciones correctivas. Los métodos basados en redundancia física son muy confiables y permiten una rápida corrección de posibles fallas. Sin embargo, debe tenerse claro que la utilización de elementos repetidos en un sistema no puede ser llevada a la práctica siempre. Bajo ciertas condiciones, como por ejemplo, el costo, el tamaño o el peso de los dispositivos, el uso de este tipo de redundancia está limitado. Técnicas alternativas tuvieron que ser desarrolladas para enfrentar los problemas antes descritos. A principios de la década de los 70 fue introducido el concepto de redundancia analítica, el cual complementa los resultados disponibles de los métodos basados en redundancia física. La redundancia analítica está basada en el conocimiento del modelo matemático del sistema en cuestión así como de las señales de entrada y de salida del sistema. Diferentes métodos basados en la redundancia analítica fueron propuestos y sujetos a * División de Estudios de Postgrado, FIME-UANL E-mail: ealcorta@ieee.org 43 �Detectando fallas mediante redundancia analítica fuerte investigación en los pasados 25 años, como se puede corroborar en publicaciones.1-5 El producto de ese trabajo de investigación trajo como resultado el aumento de confianza en estos métodos y, consecuentemente, el que hoy en día se apliquen a sistemas reales. El presente trabajo ofrece un panorama sobre los métodos de diagnóstico de fallas. El reporte se enfoca principalmente a los métodos que son basados en la redundancia analítica. Las ideas básicas de los principales métodos de diagnóstico de fallas son presentadas. Adicionalmente, se presentan algunas aplicaciones a manera de ejemplo. 2. DIAGNÓSTICO DE FALLAS El concepto de diagnóstico de fallas se refiere tanto a la detección como a la localización de una falla, es decir, además de poder determinar si una falla está presente se requiere saber que componente es el que la está ocasionando. Esto último es indispensable en la mayor parte de los casos para poder determinar una acción correctiva. De acuerdo a la referencia2 la tarea de diagnóstico (detección y localización) puede realizarse en dos pasos principales. Ver figura 2: • • 44 Generación de residuos. Este paso consiste en la obtención de señales que contienen información sobre las fallas solamente. Estas señales son llamadas residuos. En el caso ideal los residuos son cero cuando no hay fallas y difieren de cero en la presencia de una falla. Evaluación de residuos. Este paso pretende la extracción de la información contenida en los residuos. La evaluación proporciona información sobre el tiempo en el que una falla ocurrió y sobre el elemento en el cual esta falla está actuando. y (t) L - u (t) S istem a R e sidu o M od e lo ^y (t) G ene rad o r d e resid uo s Fig. 2. Filtro detector de fallas 3. GENERACIÓN DE RESIDUOS La idea en esta sección es repasar los conceptos básicos de los principales esquemas de generación de residuos. Aquí se agrupan los procedimientos basados en redundancia analítica, los cuales se pueden dividir (burdamente) en los que están basados en el modelo matemático y los que se basan en un modelo no obtenido a partir de las leyes de la física, sino a partir de procedimientos comúnmente utilizados en inteligencia artificial. Tres métodos destacan dentro de cada una de las dos grandes divisiones. Por un lado, en los procedimientos basados en el modelo analítico tenemos los filtros detectores, el espacio de paridad y las técnicas de estimación paramétrica. Por el otro lado se encuentran los métodos que utilizan redes neuronales, lógica difusa y otras técnicas de inteligencia artificial. El espacio de paridad El espacio de paridad consiste en formar ecuaciones a partir del modelo del sistema, las cuales tienen que cumplirse si el funcionamiento nominal del sistema no se ve alterado por fallas. Existen tres versiones del espacio de paridad, dos de ellas, sin embargo, son las más populares. La primera fue presentada en la referencia5 y está basada en una representación interna del sistema, en Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Efraín Alcorta García lo que se conoce como variables de estado. Las ecuaciones de paridad son obtenidas fácilmente después de desarrollar la salida del sistema en el tiempo y formar una ventana de tiempo en la que la variable de salida es conocida. Una versión basada en la misma idea pero utilizando la representación externa.3 La tercera variante considera sistemas continuos y retrasos en las mediciones de la salida del sistema. La implementación de este algoritmo requiere del conocimiento matemático del sistema así como el de las mediciones de salida y entrada. En todos los casos puede ser demostrado que el espacio de paridad puede ser resumido como en la figura 3. R esid uo y (t) Fig. 4. Filtro detector de fallas u (t) S istem a Si una falla afecta al sistema, la diferencia de las salidas (del modelo y del sistema) será diferente de cero con lo que se puede determinar la presencia de una falla. Si se requiere localizarla es necesario generar más información. Esta información se obtiene construyendo residuos con sensibilidad a una determinada falla. El análisis de todos los residuos proporciona la información deseada. M od e lo y^ (t) Fig. 3. Idea básica del espacio de paridad Filtro detector de fallas El filtro detector fue introducido a principios de los años 70 y desarrollado fuertemente en distintas variantes, como puede apreciarse en las referencias1-3. La idea básica del filtro detector es muy parecida a la del espacio de paridad, a pesar de que ambos métodos fueron desarrollados independientemente y solo en fechas recientes se pudo demostrar que ambos métodos producen, bajo ciertas condiciones, resultados semejantes.2 En el filtro detector además de tener un modelo matemático el cual es capaz de predecir el valor de las salidas del sistema en caso de que no hubiera fallas presentes se cuenta con un término de corrección. Ver figura 4. Ingenierías, Abril-Junio 2001 Vol. IV, No. 11 Estimación paramétrica En el caso de estimación paramétrica los parámetros nominales (sin falla) de un sistema son comparados a los estimados actuales. Más información sobre este procedimiento puede ser encontrada, por ejemplo, en la referencia4. Si hay diferencia entre los parámetros se concluye una falla. Note que en este caso la localización puede llevarse acabo de manera directa. Una de las dificultades más grandes es el requerimiento de riqueza en frecuencias de la señal de entrada al sistema, para poder permitir la estimación de los parámetros. Este es un requisito que frecuentemente hace este procedimiento no operable. Métodos basados en redes neuronales La idea básica consiste en encontrar un modelo del sistema, el cual esta basado en redes neuronales. Las redes neuronales son modelos matemáticos simplificados de las neuronas del cerebro humano y 45 �Detectando fallas mediante redundancia analítica consiste generalmente en tres capas de elementos, llamadas neuronas, ver figuras 5, 6 los cuales están altamente interconectados. Fig. 5. Neurona. Métodos basados en lógica difusa La lógica difusa fue desarrollada por el Ing. Lofti Zade a mediados de los años 60 con la finalidad de incorporar la experiencia de los operadores en el diseño de controladores. Para lograrlo Zade definió una nueva lógica que, a diferencia de la lógica tradicional, permite que una variable pertenezca a dos conjuntos basados en una función de pertenencia. Es decir un elemento puede pertenecer a un conjunto en un porcentaje. En la lógica convencional Aristotélica un elemento pertenece o no pertenece a un conjunto. La aplicación a detección de fallas consiste en obtener un modelo difuso del sistema y entonces aplicar las mismas ideas que en el espacio de paridad.7 Métodos basados en inteligencia artificial Fig. 6. Red neuronal. De manera simplificada cada neurona podría definirse como una suma ponderada de entradas que son pasadas a través de una función no lineal, llamada función de activación. El modelo del sistema se obtiene cambiando la ponderación de las entradas de cada red hasta que el comportamiento de la red sea semejante al del sistema.7 El ajuste de los parámetros se denomina aprendizaje de la red. Una vez con el modelo la aplicación a detección de fallas es semejante al esquema de espacio de paridad presentado anteriormente. 46 Aquí se revisa el comportamiento actual con el que se considera normal, el cual es obtenido a través de un sistema experto o cualquier técnica de inteligencia artificial. Estos métodos se utilizan frecuentemente cuando la información disponible sobre el sistema se encuentra principalmente en forma de experiencia y no se cuenta con modelos matemáticos precisos.7 4. EVALUACIÓN DE RESIDUOS La evaluación requiere determinar si los residuos sobrepasan algún valor de umbral determinado. El valor de umbral es necesario para evitar falsas alarmas debidas a condiciones iniciales, pequeñas perturbaciones o dinámicas no modeladas. Generalmente la evaluación se realiza obteniendo una medida del residuo. Esta medida puede ser estadística o determinista. La primera está basada en cálculo de desviación estándar, varianza, media, etc., mientras que los segundos son basados en la Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Efraín Alcorta García noción de distancia definida en los espacios vectoriales, tales como normas, siendo las más utilizadas la norma 2 ó euclidiana y la norma infinito. 5. APLICACIONES Los sistemas de detección de fallas son parte indispensable de una gran parte de los lazos de control actuales. Esto se puede constatar en la industria de la aviación, la industria automotriz, la industria de la energía eléctrica, en general y particularmente donde existen reactores, calderas o procesos con peligro de explosión. Además, conviene implementarlo en líneas de producción para reducir el riesgo de paro. Ejemplo 1. Sistema de tres tanques. En este sistema dos bombas independientes llenan los tanques de los extremos. Los tres tanques están interconectados y el tercer tanque sólo tiene salida de líquido. La entrada al proceso se define por medio del flujo que proporcionan las bombas y las salidas los niveles del líquido en los tanques. Note que este sistema de laboratorio está equipado para simular fallas, por ejemplo en cualquiera de las dos bombas, en la interconexión de los tanques, en la medición del nivel y con llaves de desagüe en cada tanque para simular fugas. Un total de once fallas pueden ser consideradas. bom ba 1 bom ba 2 F L1 Tan q u e 1 F h3 FB32 h1 F B 13 A L3 Tan q u e 2 FB20 h2 FL 2 A este sistema se le aplicó el método de detección de fallas basado en filtros detectores lográndose localizar un total de 9 de las once fallas posibles. La localización del total de fallas es posible con el uso combinado de otros métodos. Ejemplo 2. Detección de fallas en motores de barcos.6 Otro de los sistemas al que le fueron aplicados mecanismos de diagnóstico de fallas fue al motor de un barco comercial. Para realizarlo fue primero necesario el desarrollo de un modelo matemático dinámico del motor incluyendo su interacción con el medio. Después fueron aplicados diferentes métodos de diagnóstico para comparar los resultados y buscar el más eficiente. Cabe hacer notar que actualmente un algoritmo de diagnóstico desarrollado a partir de los estudios presentados está implementado y se utiliza para impedir que fallas en los componentes del motor produzcan accidentes graves y costos. Ejemplo 3. Detección de fallas en aviones. Los aviones comerciales adolecen de un efecto que se ha denominado caso de falla oscilatoria (OFC). Esta no es necesariamente una falla de algún componente, sin embargo, puede ser ocasionada por fallas en los componentes del sistema de control de superficie. Una vez que la falla se presenta es fácil corregirla mientras tenga un rango pequeño de frecuencia y amplitud, pero se complica mucho a medida que aumenta. El problema es que esta falla no es detectada por el piloto cuando la amplitud o la frecuencia son pequeñas. Este tipo de falla puede ser corregida mediante la aplicación de técnicas de diagnóstico basadas en redundancia analítica y reconfiguración del controlador (mediante el piloto). Tan q u e 3 Fig. 7. Sistema de tres tanques. Ingenierías, Abril-Junio 2001 Vol. IV, No. 11 47 �Detectando fallas mediante redundancia analítica 6. CONCLUSIÓN La motivación más grande para el desarrollo de los métodos de diagnóstico de fallas es la de evitar que ocurran accidentes que pongan en riesgo la vida de seres humanos. Otro punto motivador del tema es la de evitar pérdidas económicas. En este trabajo se repasaron las ideas principales relacionadas con las técnicas de redundancia analítica más usadas para el diagnóstico de fallas. Adicionalmente se discutieron tres aplicaciones. El diagnóstico de fallas así como los sistemas tolerantes a fallas cobran cada día mayor importancia, debido a las cada vez mayores exigencias industriales. REFERENCIAS 1. E. Alcorta García, P. M. Frank. Deterministic non-liner observer-based fault diagnosis: a survey. Control Eng. Practice, Vol. 5, Nr. 5, pp. 663-670, 1997. 2. P. M. Frank. Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based redundancy - a survey. Automatica, 26:459-474, 1990. 3. J. Gertler. Analytical redundancy methods in fault detection and diagnosis. In IFAC/IMACS Symp. SAFEPROCESS, Baden-Baden, Germany, pages 9-21, 1991. 4. R. Isermann. Process fault detection based on modeling and estimation methods-A survey. Automatica, 20:387-404, 1984. 5. E. Y. Chow and A. S. Willsky. Analytical redundancy and the design of robust failure detection systems. IEEE Trans. on Automatic. Control, AC-29(7):603-614, July 1984. 6. E. Alcorta García, B. Koeppen-Seliger, P. M. Frank. A frequency domain approach to residual generation for the industrial actuator benchmark. Control Eng, Practice, Vol. 3, Nr. 12, pp. 17471750, 1995. 7. P. Amann, E. Alcorta Garcia, B. KoeppenSeliger, P.M. Frank. Knowledge- and data-based models for fault diagnosis. Journal of Systems Analysis, Modelling and Simulation. V. 35, pp.25 a 44. 1998. 48 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Creación del Telefonía celular Cedimi digital y sus primero trabajos J. Guadalupe Medina Nieto*, Oscar Edmundo G. Ibarra Debez Manzano* García* Francisco Romero Vera* Abstract On last years, cellular telephony has had a great growth all over the world. For that reason we describe in this article its basic elements, the linking frecuencies reused technics, the used systems, the benefits of digital technics, and the most utilized standards. Besides we describe cellular telephonic regions through México and transferences of calls for a user location all over the country (roaming). Finally we mention the telephonic cloning and list the keys of cellular telephones according its manufacturers. 1. INTRODUCCIÓN El auge de las comunicaciones móviles celulares ha revolucionado el concepto de telefonía. Sobre todo por la movilidad de los usuarios que ya no llaman a un sitio, sino a una persona específica. Cuando se introdujeron por primera vez a principios de los* años ochenta, estos teléfonos estaban circunscritos a automóviles y limitados por su peso y su potencia, pero poco a poco se fueron fabricando aparatos más pequeños y de menor peso, más baratos, y abandonaron el automóvil y se trasladaron al portafolio o al bolsillo. Un teléfono portátil moderno pesa unos cuantos cientos de gramos, tienen una pequeña pantalla y pueden ofrecer gran cantidad de servicios, tales como identificador de llamadas, envío y recepción de mensajes de texto, Internet, agenda electrónica, entre otros. El auge mundial de las telecomunicaciones móviles celulares ha sido realmente sorprendente. A fines de 1999 había más de 480 millones de abonados en todo el mundo, comparados con los escasos 11 millones correspondientes a 1990. Actualmente la telefonía móvil celular representa más de un tercio del total de las conexiones telefónicas. Es probable que antes del año 2005 el número de abonados del servicio móvil celular sobrepase al de abonados de las líneas tradicionales. Millones de usuarios 600 480 500 400 318 300 215 200 144 Fig. 2. Teléfonos celulares: Motorola Star Tac 7868 y Nokia 6090 91 100 11 16 23 34 1990 1991 1992 1993 55 0 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Año Fig. 1. Crecimiento de la telefonía celular en la última década Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 * Departamento de Ingeniería en comunicaciones y Electrónica, FIMEE, Universidad Autónoma de Guanajuato. email: medina@salamanca.ugto.mx ibarra@salamanca.ugto.mx, romero@coral.com.mx 49 �Telefonía celular digital 2. ELEMENTOS BÁSICOS DE TELEFONÍA CELULAR El término celular se debe a que la cobertura radioeléctrica de una zona geográfica completa se realiza cubriendo pequeñas regiones llamadas células. En cada una de estas células existe una Estación Radio Base (Base Estation Radio, ERB) que controla el tráfico de los teléfonos móviles que se desplazan en la zona correspondiente. A su vez estas estaciones están enlazadas con el Centro de Conmutación de Servicios Móviles (Mobile Switching Center, MSC) y éste a su vez está conectado a la Red Telefónica Pública (Public Switched Telecommunications Network, PSTN). El Centro de Conmutación de Servicios Móviles a su vez se divide en un conmutador telefónico (PABX) y en el Subsistema de Telefonía Móvil (Mobile Telephony Subsystem, MTS). Célula onmidireccional Esta se produce cuando la estación base está equipada con una antena onmidireccional transmitiendo igualmente en todas direcciones y se forma una área en forma circular, con la estación base en el centro de la célula. Una estación móvil dentro de esta área tendrá normalmente una buena conexión con la estación base. Para representar una célula, usualmente se utiliza un hexágono en forma teórica, pero en la realidad el área de cobertura es circular. Fig. 4. Célula omnidireccional real y Representación gráfica de una célula omnidireccional Célula sectorial PSTN ERB PABX MTS ERB MSC EM Área de servicio ERB Fig. 3. Red celular básica Dependiendo del tipo de antena de transmisión empleada en la estación base, se puede cubrir una o más áreas por una estación base. Estas áreas reciben el nombre de células. Existen dos tipos de células: onmidireccionales y sectoriales 50 Para formar este tipo de célula la estación base está equipada con tres antenas direccionales, cada una cubriendo una célula sectorial de 120 grados. En cada una de las estaciones base, algunas unidades de canal están conectadas a una antena cubriendo una célula sectorial; otras unidades de canal están conectadas a la segunda antena cubriendo una segunda célula, y el resto a una antena para tener una tercer célula. Por lo tanto, una estación base controla a tres células sectoriales. Cuando se muestran tres células sectoriales, se dibujan tres hexágonos, uno para cada célula, con la estación base localizada en la esquina de cada hexágono. Para que se lleve a cabo la cobertura total, las células vecinas deben traslaparse entre sí. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �J. Guadalupe Medina Nieto, Oscar G. Ibarra Manzano, Francisco Romero Vera atender a más usuarios en un número determinado de canales de radio. Este reuso de frecuencias es posible utilizando canales de la misma frecuencia en varias células que no sean adyacentes, evitando así alguna interferencia. Fig. 5. Células sectoriales y Representación gráfica de células sectoriales La estación base está conectada a un Centro de Conmutación de Servicios Móviles por medio de circuitos de enlace punto a punto. La estación base maneja la radiocomunicación con los teléfonos celulares o estaciones móviles y supervisa la calidad de la radiotransmisión durante una llamada. Todos los teléfonos celulares pueden utilizar un canal de la estación base la cual detectará su desplazamiento en el área, asignándole una nueva frecuencia si cruza la frontera de la célula en que se encontraba y pasa a otra célula diferente, este cambio es imperceptible para el usuario, debido a que su teléfono continúa funcionando normalmente. 3. SISTEMAS DE TELEFONÍA CELULAR EN EL MUNDO Existen varios sistemas internacionales normalizados de telefonía celular y de servicios móviles en el mundo, los cuales se mencionan a continuación. Para sistemas analógicos: AMPS Avanced Mobile Phone System Servicio de Telefonía Móvil Avanzado NMT Nordic Mobile Telephony Sistema Nórdico Telefónico Móvil TACS Total Acces Communications System Sistema de Comunicación con Acceso Total Mientras que los sistemas digitales existentes son: Fig. 6. Torre y antenas de la estación base Una de las principales características de los sistemas celulares es el reuso de frecuencias, que consiste en comunicar al teléfono celular con la estación base por medio de un canal telefónico con frecuencias disponibles en ese momento. El teléfono celular no tiene una frecuencia fija de enlace. Esta técnica permite hacer un eficiente uso del espectro electromagnético disponible, así como Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 CDMA Code Division Multiple Access Acceso Múltiple por División de Códigos GSM Global System for Mobile Sistema Global para comunicaciones móviles PDC Personal Digital Cellular Sistema Celular Digital Personal PHS Personal Handyphone System Sistema de Teléfono de Mano Personal 51 �Telefonía celular digital TDMA Time Division Multiple Access Acceso Múltiple por División de Tiempo Europa GSM (89%) Otros incluso TACS, NMT (11%) Asia - Pacífico GSM (35%) CDMA (14%) DAMPS/TDMA (3%) Otros incluso PDC, PHS, TACS, NMT (48%) Fig. 7 Porcentajes de uso de los sistemas de telefonía celular Los teléfonos celulares utilizan la misma tecnología radial en diferentes bandas de frecuencia, pero la información se transmite en forma digital. Esta compresión permite un mejor aprovechamiento del canal telefónico y por tanto tener más canales disponibles a la vez. Estos teléfonos incluyen otras ventajas tales como el servicio de identificador de llamadas, correo electrónico, mensajes de texto, buzón de mensajes, Internet móvil, etc. Fig. 8. Uso de los sistemas de telefonía celular en el mundo 52 En nuestro país, existen redes celulares analógicas, digitales y duales. La compañía Telcel ofrece telefonía celular digital utilizando el sistema TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo), mientras que la compañía Iusacell ofrece el mismo servicio, pero utilizando el sistema CDMA (Acceso Múltiple por División de Código). Ambas compañías ofrecen compatibilidad con las redes celulares analógicas utilizando el sistema AMPS (Servicio de Telefonía Móvil Avanzado). Otras compañías como Unefon y Pegaso ofrecen solamente el servicio digital con la tecnología CDMA. Beneficios de la telefonía celular digital Los principales son los siguientes: • Llamadas de excelente calidad, sin ruido o estática. • Mejor recepción, sobre todo en lugares cerrados. • Prácticamente libre de clonación • La duración de las baterías es mayor. • Servicios de valor agregado. • Seguridad y privacidad. La necesidad de sistemas de telefonía celular digital es el resultado del crecimiento de los servicios de telefonía móvil. A pesar de que los sistemas analógicos funcionan bien, la demanda excede la capacidad en muchas regiones. Para minimizar la posibilidad de congestión de la red celular, se desarrollaron los sistemas digitales. La tecnología celular digital involucra la digitalización de la señal de voz y la transmisión sobre el aire de una cadena de bits seriales. Los sistemas digitales ofrecen mayor flexibilidad para servicios adicionales. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �J. Guadalupe Medina Nieto, Oscar G. Ibarra Manzano, Francisco Romero Vera Los sistemas celulares digitales son más eficientes que los analógicos debido a que incluyen múltiples transmisiones simultáneas sobre un canal de radio simple. Una de las técnicas empleadas es la denominada “Acceso Múltiple por División de Tiempo” (Time Division Multiple Access, TDMA); una segunda técnica es el “Acceso Múltiple por División de Códigos” (Code Division Multiple Access, CDMA). En los U.S.A., el estándar dominante en TDMA es el IS-136 TDMA y el dominante en CDMA es el IS-95 CDMA. Servicio de telefonía móvil avanzado (Amps) Este sistema es analógico patentado en los Estados Unidos a principio de la década de los ochenta del siglo pasado y fue el primer sistema celular existente. Este sistema trabaja en las bandas de frecuencia de 825 MHz a 845 MHz para la transmisión de la estación móvil a la estación base, y de 870 a 890 en sentido inverso. Actualmente el sistema AMPS se encuentra evolucionando paulatinamente al sistema DAMPS (Digital Avanced Mobile Phone System), sistema digital, el cual coexiste con el AMPS, en modo dual y funciona con acceso TDMA. El espectro localizado para AMPS es compartido por dos portadoras celulares en cada área o región. Cada portadora divide el espectro en canales, utilizados para comunicar desde las estaciones bases en las celdas hasta los dispositivos móviles, y canales de reversa utilizados para comunicación entre los dispositivos móviles y las estaciones base. Los canales son divididos en canales de voz de 30 kHz que emplean Modulación de Frecuencia (Frecuency Modulator, FM) para transmitir la voz. Acceso múltiple por división de tiempo (Tdma) El estándar IS-136 TDMA define como un canal simple de 30kHz es descompuesto en pequeños incrementos que pueden ser compartidos por uno o Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 más usuarios. TDMA divide a canal simple en una serie sucesiva de espacios de tiempo que pueden ser compartidos por un grupo de usuarios (cada espacio de tiempo porta una información de un usuario específico), como se muestra en la figura 9 SISTEMA TELEFÓNICO PARA UNA TRAMA TDMA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 N Intervalo Un intervalo para el canal telefónico Fig. 9. Espacios de tiempo en TDMA. Acceso múltiple por división de códigos (Cdma) El estándar IS-95 CDMA, equivalente al IS-136 TDMA, define como un canal simple puede ser acondicionado para soportar más de un usuario simultáneamente. Con CDMA todos los usuarios móviles transmiten en la misma frecuencia, pero cada señal de usuario móvil es combinada con una señal pseudo-aleatoria, o código, que hace que la señal aparezca como un ruido de bajo nivel para otras transmisiones que ocurren al mismo tiempo. La señal original puede ser extraída solo por el conocimiento del código. Fig. 10. Acceso múltiple por división de código. Comparación entre TDMA y CDMA Ambos sistemas TDMA y CDMA pueden ser progresivamente incorporados a las redes celulares 53 �Telefonía celular digital existentes, coexistiendo las señales digitales y analógicas. Además, los teléfonos digitales poseen compatibilidad para ser usados en áreas celulares que sólo soporten señales analógicas. TDMA y CDMA fueron desarrollados inicialmente para soportar comunicaciones de voz. Pero con el transcurso del tiempo y uso se han sido desarrollados estándares que especifican cómo usar canales digitales para transmisión de datos. El sistema CDMA por su gran versatilidad y seguridad es utilizado como sistema de comunicación por el ejército de los Estados Unidos, porque es prácticamente imposible de decodificar. Sistema global para comunicaciones móviles (GSM) El estándar GSM, a semejanza del estándar IS136 TDMA utiliza acceso múltiple por división de tiempo, pero no son compatibles. Este sistema es uno de los más importantes del mundo, cubre todo el occidente de Europa y ofrece servicios de gran calidad. Uno de sus principales éxitos es que un usuario que se mueve a través de cualquier punto de Europa puede desplazarse sin perder el servicio. Resumiendo, las características básicas de un sistema celular GSM son: • Espaciamiento de portadora 30 kHz • Esquema de acceso TDMA con tecnología digital • Opera en las bandas de frecuencia de 930 a 960 MHz y de 890 a 915 MHz. • Tecnología utilizada en más de 120 países en el mundo • Más de 160 millones de usuarios Las nuevas bandas de telefonía denominadas Sistema de Comunicación Personal (Personal Commnunication System, PCS), operan en la banda 54 de frecuencia de 1850 y 1990 MHz, y solamente utilizan tecnología digital. 4. REGIONES CELULARES Y ROAMING Los sistemas celulares trabajan en la banda de los 800 MHz, específicamente de los 825 a los 845 MHz y de los 870 a los 890 MHz, de acuerdo con la norma NOM-081-SCT1-1993 de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, emitida en nuestro país y avalada por la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones). En las figuras 11 y 12 se observa la distribución de las frecuencias de las bandas A y B para usos de telefonía celular. Cada banda dispone de 333 canales para diversos usuarios. El ancho de banda de cada canal telefónico es de 30 MHz. 45 MHz 825.015 MHz 835.005 MHz A 333 canales C- 1 C- 2 844.995 MHz 870.015 MHz B 880.005 MHz A 333 canales C- 332 C- 333 Tx Estación móvil Rx Estación base 333 canales C- 1 889.995 MHz B 333 canales C- 2 C- 332 C- 333 Tx Estación base Rx Estación móvil 30 KHz Fig. 11. Distribución de frecuencias en la banda A. La banda celular A comienza a los 825.015 MHz para el canal 1, el cual transmite de la estación móvil a la estación base, mientras que la transmisión inversa se efectúa en forma simultánea a partir de los 870.015 MHz, es decir a una separación de 45 MHz. Cada canal tiene un ancho de banda de 30 MHz, por lo que el canal 333 de esta banda termina a los 835.005 MHz. Mientras que la banda celular B comienza a los 835.005 MHz, esta frecuencia es el punto interior del canal 334, es decir, el canal 1 de la banda B, al Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �J. Guadalupe Medina Nieto, Oscar G. Ibarra Manzano, Francisco Romero Vera igual que en la banda A, esta frecuencia corresponde al primer canal de transmisión de la banda B de la estación móvil a la recepción de la banda base. Mientras que el primer canal de transmisión de la banda base corresponde a 880.005 MHz, también a una separación de 45 MHz. Mientras que el último canal de esta banda, el 666 termina a los 899.995 MHz. 45 MHz 825.015 MHz 835.005 MHz A 333 canales C- 334 C- 335 844.995 MHz 870.015 MHz B 880.005 MHz A 333 canales C- 665 C- 666 889.995 MHz B 333 canales 333 canales C- 334 C- 335 Tx Estación móvil Rx Estación base C- 665 C- 666 Tx Estación base Rx Estación móvil 30 KHz Fig. 12. Distribución de frecuencias en la banda B En nuestro país las regiones celulares se encuentran concesionadas por la Comisión Federal de Telecomunicaciones (COFETEL) en las bandas A y B por regiones celulares, a las siguientes compañías: Concesionarios de radiotelefonía tecnología celular en la Banda A móvil con Baja Celular Mexicana, S.A. de C.V. Región 1 Movitel del Noroeste, S.A. de C.V. Región 2 Telefonía Celular del Norte, S.A. de C.V. Región 3 Celular de Telefonía, S.A. de C.V. SOS Telecomunicaciones, S.A. de C.V. IUSACELL Concesionarios de radiotelefonía tecnología celular en la banda B Región 9 móvil con Radio Móvil Dipsa, S.A. de C.V. TELCEL Regiones 1 a 9 Las regiones celulares son áreas de circunscripción en las cuales se dividió al país para tener un mejor control sobre el uso de la telefonía celular, nuestro país se encuentra dividido en nueve regiones celulares. El seguimiento de llamada, mejor conocido como roaming sucede cuando un usuario efectúa o recibe una llamada en alguna área de cobertura diferente al de su región de suscripción. Esto es, el usuario se encuentra de viaje sobre un lugar distinto a su lugar normal de residencia o en otra región distinta en la cual efectúo su contrato. Actualmente el mercado del roaming es muy competido, inclusive las grandes compañías de telefonía celular ofrecen servicios de roaming automático nacional y roaming en México, Estados Unidos y Canadá, inclusive con Europa y Asia. Una de las principales ventajas del romaging es que el usuario conserva su mismo número telefónico en cualquier lugar que se encuentre. Por supuesto que las tarifas del servicio bajo esta modalidad son diferentes. Región 4 Comunicaciones Celulares de Occidente, S.A. de C.V. IUSACELL Región 5 Sistemas Telefónicos Portátiles Celulares, S.A. de C.V. IUSACELL Región 6 Telecomunicaciones del Golfo, S.A. de C.V. IUSACELL Región 7 Portatel del Sureste, S.A. de C.V. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Región 8 55 �Telefonía celular digital 56 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �J. Guadalupe Medina Nieto, Oscar G. Ibarra Manzano, Francisco Romero Vera Es importante mencionar que las compañías telefónicas celulares no cubren todo el territorio nacional, solamente se enfocan a las regiones pobladas, autopistas y carreteras, lugares en los cuales el usuario puede comunicarse en cualquier instante. En las regiones turísticas marinas, las compañías ofrecen una región de cobertura marítima, a ciertos kilómetros de distancia de la costa. 5. CLONACIÓN DE LÍNEAS TELEFÓNICAS CELULARES En los teléfonos celulares analógicos se puede generar un problema llamado clonación. Cuando un teléfono es clonado, es porque alguien ha robado sus números de identificación o par de identificación, y hace mal uso de la cuenta original. Esto se produce porque al momento de realizar una llamada desde un teléfono celular analógico se transmiten dos datos de información a la red al inicio de la llamada: a) Un MIN (Mobile Identification Number, ó número de identificación móvil), que consiste de 10 dígitos que es el número telefónico asignado al aparato. b) Un ESN (Electronic Serial Number o número de serie telefónico) un número de 32 bits programado en el teléfono cuando es fabricado. El par de datos MIN / ESN es una marca única para identificación de cada teléfono y así la compañía sabe a quien cobrar la cuenta por el servicio. Cuando un teléfono analógico transmite su MIN/ESN es posible “escucharlo” y capturar el par. Con el equipo adecuado es fácil modificar un teléfono que contenga el par MIN / ESN y hacer llamadas ilegales. Esta deficiencia de la clonación en los teléfonos celulares analógicos, es mucho más difícil de realizar en los teléfonos digitales. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Claves de fabricante Cada número de serie electrónico de un teléfono celular es única e inalterable, se graba al fabricarse el dispositivo, existe un convenio entre los organismos de regulación internacional y todos los fabricantes para asignar estas claves. Un número de serie está formado de 11 dígitos en el sistema decimal, donde los tres primeros corresponden a la asignación para el fabricante, si el número de serie es hexadecimal, consta de 8 dígitos, donde los dos primeros corresponden al fabricante. Fabricante Antel Clarion (E.U.) Clarion (Japón) Ericcson General Electric Gold Star Hitachi Motorola Nec Nec (serie 800) Nokia Panasonic Sony Toshiba Clave decimal 175 166 140 134 204 146 141 132 130 195 212 213 224 135 189 165 156 219 226 136 154 138 Clave hexadecimal AF A6 8C 86 CC 92 8D 84 82 C3 D4 D5 E0 87 BD A5 9C DB E2 88 9A 8A Tabla 1. Asignación de números clave para algunos fabricantes de teléfonos celulares. 57 �Telefonía celular digital CONCLUSIONES REFERENCIAS El futuro de las comunicaciones en el mundo es prometedor, en todos las ramas que la componen, por lo que es importante estar a la vanguardia en información. Hoy en día es fundamental estar bien comunicado sin importar el lugar o la hora, lo cual es posible gracias a los sistemas de telefonía celular, que no dependen de una conexión física directa por medio de un cable como sucede con las líneas telefónicas convencionales. 1. Tomasi Wayne Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, Prentice Hall Hispanoamericana, 1996 En México la telefonía celular ha tenido una gran aceptación, a tal grado que el gobierno creó la Comisión Federal de Telecomunicaciones, organismo regulador de las cuestiones técnicas y administrativas de las telecomunicaciones en nuestro país. También consideramos que la información proporcionada puede ser de utilidad para saber como funcionan estos pequeños aparatos y la alta tecnología que tienen en su interior. 4. Bell System Technical Journal. Avanced Mobile Phone Service. Special ISSUE 2. Haykin Simon. Analog Communications Wiley and Digital 3. Vázquez Medina Rubén, Marcelín Jiménez Ricardo. Sistemas de Telefonía Celular. Universidad Autónoma Metropolitana. 1996 5. Paginas Web: a. Comisión Federal www.cft.gob.mx de Telecomunicaciones b. Federal Communications www.fcc.gov Commission c. UIT Unión Internacional de Telecomunicaciones. www.itu.int/ti d. CDMA Develoment Group. www.cdma.com e. Motorola Corporation. www.motorola.com f. Nokia Conecting People. www.nokia.com g. Digital PCS Telcel. www.telcel.com.mx h. Iusacell Digital. www.iusa.net.mx 58 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Valores y educación♦ Pablo Latapí Sarre* INTRODUCCIÓN Está de moda hablar de valores en la educación. En mi opinión, no es una moda; es un reclamo, un deseo de recuperar algo esencial que hemos abandonado: la función formativa de la escuela. Esencial porque nadie puede educar sin valorar, porque toda educación se dirige hacia ciertos fines que aprecia como valiosos para el individuo y la sociedad. Hablemos♦ con franqueza: si lo esencial de nuestra tarea de educadores es tratar de hacer mejores a los hombres, debemos confesar con honestidad que poco sabemos acerca de cómo hacerlo. Algo sabemos en el orden del conocimiento: hay teorías del curriculum, hay metas cognoscitivas y sistemas de evaluación, y logramos enseñar matemáticas, geografía, física. Logramos incluso a veces que los alumnos aprendan a aprender y se apropien destrezas y habilidades intelectuales. Y en algunas, muy pocas, ocasiones, logramos que algunos alumnos desarrollen visiones comprensivas del mundo e integren conocimientos multidisciplinarios, y se acerquen, aunque sea tímidamente, al enigma del mundo o al enigma de sí mismos. En el orden del conocimiento, poco podemos, pero algo podemos. El conocimiento, sin embargo, no hace necesariamente mejores a los hombres. Es una vertiente de la perfectibilidad humana, importante, sí, pero no la más importante. En otro sustrato de la persona, más misterioso e inasible, se desarrollan fuerzas y procesos, amores, atracciones, afinidades, solidaridades, esperanzas; ahí se abre la posibilidad -tenue, pero real- de la decisión libre y del orden ♦ Conferencia impartida el 23 de octubre del 2000 dentro del ciclo de conferencias magistrales CÁTEDRA FIN DE MILENIO en la UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 moral. Llamamos a este sustrato de la persona, a falta de mejor término, el terreno de los valores. Es el corazón de la educación. Y nos entretenemos especulando qué son los valores, construimos teorías* psicológicas, filosóficas, sociológicas, éticas, para explicar lo que son; elaboramos códigos, clasificaciones, taxonomías; pero en el fondo, después de todo este esfuerzo, debemos concluir que es muy poco lo que sabemos para hacer mejores a los hombres. Si el tema es en sí difícil, hay tres razones más particulares que lo dificultan aún más. Primero, porque la escuela mexicana ha abdicado desde hace mucho de su función formativa; por el peso de su * Centro de Estudios Sobre la Universidad (CESU) de la UNAM. 59 �Valores y educación tradición positivista casi no se ha ocupado de la formación integral de la persona (nuestros currículos están centrados en el conocimiento aunque los acompañe un inofensivo discurso sobre otros aspectos del desarrollo humano); y además, por una interpretación simplista de su laicidad y por temor a que la religión se cuele por la puerta trasera, ha relegado al silencio su objetivo esencial de formación moral. Por esto, la propuesta de discutir valores se recibe con suspicacia. Pero por esto también abundan las iniciativas y propuestas de educación en valores; la mayor parte de las propuestas que han llegado al Equipo de Transición, para la Educación, está formada por este tipo de comunicaciones. Una segunda razón es el rechazo bastante generalizado a la directividad de la educación; los jóvenes -y aun muchos profesores ya no tan jóvenes- propugnan la “emancipación” como conquista de las nuevas generaciones y rasgo definitorio del hombre de hoy. Una educación que proclame valores, que dé línea, les parece sospechosa de represión, de adoctrinamiento y autoritarismo. Tercera razón: el pluralismo de las sociedades contemporáneas, también de la nuestra, que lleva a cuestionar que pueda haber valores comunes, aceptables para todos. ¿Es posible definir hoy una base común de valores y -aún más- es posible proponer hoy una moral pública normativa, ante la diversidad de ideologías, la defensa de la subjetividad, la glorificación del capricho y el escepticismo generalizado? Así y todo, hay que reabrir el debate sobre los valores en la educación por la sencilla razón de que sin valores no hay educación. Para contribuir a él procederé hoy por cinco pasos: primero abordaré la definición de valor; segundo, me ocuparé de las maneras como tematizamos y clasificamos los 60 valores; tercero, trataré de sintetizar lo que sabemos sobre la manera como se forman los valores; cuarto, aludiré a los métodos y prácticas pedagógicas hoy predominantes en este campo; y finalmente me referiré a la educación en valores como problema de la política educativa, en cuanto dice relación con el Estado. 1. DEFINICIÓN DE VALOR “Valor” es un término polivalente, de múltiples significados; por lo mismo, “educación en valores o de los valores” puede tener también muy diversos significados. En forma general, entendemos por “valor” lo que se valora, lo que se considera digno de aprecio; así, valor se identifica con “lo bueno”. La verdad es un valor, lo mismo que la salud o el sentido del humor; son bienes, son algo deseable. A partir de esto, tendemos a concebir todas las cualidades deseables como grandes valores abstractos: la verdad, el bien, la belleza, la bondad; y tendemos a considerar que estas cualidades existen como realidades externas a nosotros, como objetos de nuestro deseo. Aunque no les concedamos existencia ontológica -como las “ideas” de Platón en el mito de la caverna, en donde sólo vemos las sombras de esas “ideas”- sí tendemos a concebir el bien, la verdad, la belleza o la justicia como ideales que existen independientemente de nosotros, que debemos hacer nuestros. En el orden psicológico los “valores” son propiedades de la personalidad, preferencias, orientaciones, disposiciones psíquicas. Nos apropiamos de aquellos bienes abstractos, los interiorizamos en nuestra personalidad como actitudes, sentimientos, convicciones o rasgos de carácter. Así, decimos que alguien es bondadoso, justo, generoso o valiente. En este sentido, en el Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Pablo Latapí Sarre orden psicológico, los “valores” vienen a ser, en cierta forma, los fines de la educación; son las propiedades de la personalidad que nos proponemos formar en los educandos. En el orden sociológico, por otra parte, los “valores” adquieren otro significado: son preferencias colectivas, compartidas por un grupo; implican sentimientos del grupo, modos de reaccionar o conductas determinadas; su formación y evolución siguen leyes que las ciencias sociales tratan de elucidar, distintas en buena parte de las de los valores del individuo. Y entre el orden psicológico y el sociológico cabe ubicar el orden moral, que tiene su propia especificidad y un lugar central en el desarrollo humano: es el orden del uso responsable de la libertad, pues no otra cosa es la moral. Aquí “valor” significa una toma de posición que percibimos como obligatoria para nosotros mismos en virtud de nuestra dignidad humana; los valores morales vienen a significar normas, normas de conducta que sentimos debemos cumplir por imperativo de nuestra conciencia, no por coacción externa. La “educación en valores”, en consecuencia, tiene todos estos significados: se sitúa en el orden psicológico y en el moral, y toma también como referencia el sociológico; podríamos definirla como el esfuerzo sistemático por ayudar a los educandos a adquirir aquellas cualidades de su personalidad que se consideran deseables en los diversos ámbitos de su desarrollo humano, y particularmente aquellas que se relacionan con el uso responsable de su libertad. 2. CÓMO SE TEMATIZAN LOS VALORES Para convertirse en propuestas educativas los valores tienen que identificarse, tematizarse de alguna manera, clasificarse. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Una manera como esto se ha hecho a lo largo de la historia es a partir de una visión religiosa. Muchas religiones, sobre todo aquéllas que han elaborado intelectualmente su propuesta de fe, han precisado un ideal religioso, un perfil del hombre deseable; construyen sus propios sistemas de valores clasificando sus virtudes y formulando una moral, o sea el conjunto de principios y normas de comportamiento congruentes con esa fe religiosa. En la mayor parte de las religiones estas tematizaciones no son inmutables; se reformulan a partir de las preocupaciones de cada época tratando de mantener vigente su esencia. El ideal del cristiano del siglo IV es distinto del siglo XVI; el de principios de este siglo, bastante diferente del momento actual. Otra manera de tematizar los valores obedece a intereses o preferencias culturales que reciben consensos más o menos generalizados. Hoy en día, por ejemplo, encontramos tres propuestas de formación de valores de las que se habla mucho. En primer lugar, la educación para los derechos humanos; se toma la Declaración Universal de los Derechos Humanos de las Naciones Unidas como 61 �Valores y educación base conceptual indiscutida, que ha recibido el consenso de todos los gobiernos y supuestamente de todos los grupos culturales, y se identifican los valores que corresponden a esos derechos; así se delinea un ideal educativo que orientará la formación valoral; por esto muchos identifican hoy la educación en valores con la educación para los derechos humanos. Una segunda tematización contemporánea se centra en la educación para la paz y la comprensión internacional. Dado el anhelo de paz en el mundo, sobre todo a partir de la Segunda Guerra Mundial, se ha tomado el tema de la paz y la comprensión internacional y la convivencia social armoniosa como la meta de una educación en valores. Existe una famosa Recomendación de la UNESCO de 1974 sobre este tema, que contiene muchas orientaciones concretas para desarrollar una educación orientada a construir un mundo más armonioso, tolerante y pacífico. Una tercera manera es la educación para la democracia, que recientemente se enfatiza, porque se cree que el concepto de democracia resume muchos valores relevantes para construir una convivencia respetuosa y facilitar el progreso económico y social y -entre nosotros- porque la transición política del país así lo reclama. El Instituto Federal Electoral está realizando una espléndida tarea educativa en esta dirección. Estas tres maneras de tematizar los valores no son las únicas; las menciono porque me parece que son las más recurrentes en la sociedad mexicana actual que busca fundamentar valores aceptados por todos, sin referencias religiosas explícitas, para consolidar la cohesión de la sociedad y una moral pública común. Por supuesto que estas -y cualquier otrasistematización que se quiera proponer es debatible, la misma Declaración Universal de los Derechos 62 Humanos está sujeta a cuestionamientos, como lo muestra la siguiente anécdota. Hace unos años, siendo yo delegado alterno de México ante la UNESCO, pregunté en un coktail al delegado de China continental qué se pensaba en su país acerca de la Declaración Universal. Me contestó con una amplia sonrisa, sin decir nada, muy orientalmente; seguí insistiendo y, al calor de otra copa, me contestó finalmente: “Mire Ud., la verdad, la declaración nos resulta muy extraña por dos razones: primero, porque nosotros, aunque comunistas, somos educados en la tradición de Confucio, y para Confucio primero son las obligaciones y luego los derechos. Nosotros hubiéramos hecho primero una declaración de las obligaciones universales, antes que de los derechos. La segunda razón es porque en nuestra cultura es más importante la familia que el individuo. Enumerar derechos del individuo, sin hablar para nada de la familia, nos resulta inconcebible.” Vemos, por tanto, la relatividad cultural que cuestiona casi cualquier pronunciamiento, aun los que nos parecen más universales. Prescindiendo de estas observaciones, es obvio que las sistematizaciones de valores son indispensables y, aunque todas sean discutibles, tendremos que optar por alguna. Sea que conceptualicemos la educación como los valores correspondientes a los derechos humanos, o la orientemos a la paz y la comprensión internacional o a la democracia, todos tratamos de construir una carta que integre y dé inteligibilidad y congruencia a los valores individuales y sociales para guiar nuestra tarea pedagógica. 3. CÓMO SE FORMAN LOS VALORES Los procesos por los cuales se forman esas “propiedades de la personalidad”, esas disposiciones o preferencias, han sido objeto de Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Pablo Latapí Sarre innumerables explicaciones teóricas. En realidad sabemos muy poco; las teorías pueden ser fascinantes pero ninguna cuenta con evidencias empíricas que nos convenzan de su validez; nos movemos en un terreno de hipótesis, arañando apenas procesos misteriosos. Ni siquiera sobre nosotros mismos logramos saber cómo se formaron nuestros valores; tampoco las madres o los padres de familia pueden explicar cómo se formaron los valores de sus hijos, por qué uno resultó díscolo y otro generoso, uno músico y otro líder social. Si los padres no lo saben, menos lo saben los científicos. Mucho del esfuerzo teórico se ha centrado en la formación de los valores morales. No todos los valores tienen igual relevancia para la ética, pero es evidente que los que más interesan en la educación son los que se vinculan con el uso de la libertad y el desarrollo de la responsabilidad, o sea con la moral. La moral no es enseñar mandamientos y convencer de que debemos acatar la ley; yo diría que es precisamente lo contrario: es enseñar a ver más allá de la ley. Al menos desde el punto de vista cristiano, según el cual el hombre no se hizo para el sábado sino el sábado para el hombre, la formación moral es ayudar a los niños y jóvenes a vivir por el espíritu y no por la ley, a ser sinceros y no farisaicos, a descubrir su propia libertad y a aprender a ejercerla responsablemente. Ayudarlos a que crezcan en humanidad hasta donde pueden llegar, a ser cada vez más autónomos, más auténticos en el uso responsable de la libertad, eso es la formación moral. Enúmero brevemente los diversos enfoques teóricos que se han propuesto para explicar la formación de valores. El psicoanalítico, en la corriente ortodoxa freudiana, pretende explicar esta formación por las dinámicas del inconsciente, y la construcción de la moral por la identificación con arquetipos, la constitución del superyo, la Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 sublimación de los impulsos y los mecanismos de censura; los valores serían el resultado de una construcción inconsciente, de una historia secreta, escondida en la profundidad de la persona. El enfoque psicodinámico indaga las fuerzas integradoras de la personalidad, particularmente el deseo, las motivaciones y los sentimientos; se afirma que estas fuerzas, junto con el impulso de autoconservación, el de la autoestima y el del propio valer, confluyen en la dinámica de la autorrealización y forman nuestros valores. El enfoque conductista subraya los condicionamientos y determinantes de los comportamientos; explica las decisiones por mecanismos de estímulo-reacción. El sociológico en cambio profundiza en los procesos colectivos que fijan las preferencias y las normas de conducta social y las maneras como esas normas sociales condicionan los valores de los individuos. Finalmente está otro enfoque que subraya el aspecto intelectual en la formación de los valores, llamado cognitivo-evolutivo, que en el caso de valores morales se denomina del “desarrollo del juicio moral”. Esta rápida enumeración hace ver la enorme complejidad de los procesos que intervienen en la educación valoral; sólo un ingenuo pretendería tener todas las respuestas. El último de los enfoques teóricos referidos, el del desarrollo del juicio moral, iniciado por Piaget y continuado por Lawrence Kohlberg y varios de sus discípulos, merece una breve explicación por ser probablemente el que predomina hoy día (Barba 1994). Esta teoría sostiene que el desarrollo moral se da a través de estadios sucesivos de razonamiento, que van de la heteronomía del niño (que depende de leyes externas) a la autonomía de la persona madura. Kohlberg se hizo famoso sobre todo porque esquematizó esos estadios siguiendo a Piaget, coordinándolos con los de la psicología genética, haciendo ver que había una correspondencia entre la manera como el niño va 63 �Valores y educación interviniendo en las asignaturas del curriculum para hacer aplicaciones de significado moral. En literatura, en historia, en geografía se identifican los momentos curriculares más adecuados para introducir discusiones y experiencias significativas; de esta manera se integra el desarrollo del juicio moral al curriculum establecido. desarrollando sus estructuras cognitivas y los pasos por los que va formando su juicio moral y avanzando hacia su autonomía. Así, distinguen varios niveles, y dentro de cada nivel, varios estadios de juicio moral. Lo esencial es que pone el énfasis en el elemento cognitivo, el juicio, para desarrollar la moralidad; por esto coloca en el corazón de la moral los principios de justicia y los conceptos de equidad y de reciprocidad. Es sin duda por este énfasis cognitivo por lo que la teoría del juicio moral ha sido privilegiada en los esfuerzos de formación valoral que se entrelazan con el curriculum, con el desarrollo del conocimiento. Esta teoría ha estimulado muchos experimentos; se ha ido institucionalizando pedagógicamente de cuatro maneras: una, mediante la discusión de los llamados “dilemas morales”, discusión de situaciones de conflicto moral que sirve a los alumnos para esclarecer sus propios valores. Se propone a los alumnos un dilema de su vida escolar o extraescolar, y ellos discuten cuáles son los valores que están en juego y cómo les parece que debe resolverse ese dilema; así cada alumno va esclareciendo cuáles son sus valores reales, los que están normando su comportamiento. Otra manera es 64 Una tercera manera es organizar cursos especiales que estimulen, sobre todo en los maestros, la sensibilidad a los aspectos morales y los familiaricen con la formación del juicio moral. Una cuarta, finalmente, ha sido el establecimiento de escuelas ejemplares, donde se vivan determinados valores, donde la organización escolar los promueva y los encarne. Esta fue una idea muy antigua de Kohlberg en el experimento que se llamó “la comunidad justa”, una comunidad escolar que establece sus propias normas por consenso y conduce los comportamientos cotidianos a la luz de esas normas. No puedo detenerme en estas explicaciones, pero es interesante mencionarlas. Ahora bien, la teoría del juicio moral tiene varios problemas; enumero cinco: En primer lugar, está lejos de contar con evidencia empírica que pruebe sus postulados; no se ha experimentado suficientemente para comprobar la consistencia de los estadios y niveles propuestos ni la efectividad de las medidas pedagógicas que recomienda. Segundo, tampoco está probado el supuesto de que estos planteamientos tengan validez universal y supercultural; probablemente no la tengan y correspondan a una mentalidad europea o anglosajona; no sabemos qué tan adecuados son para la cultura mexicana.. En tercer lugar, parece ponerse una confianza exagerada en el esclarecimiento de los valores, como si de ese análisis se siguiera un compromiso Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Pablo Latapí Sarre con esos valores. El mero esclarecimiento no pasa de ser una apreciación intelectual; inclusive puede conducir a un cierto relativismo moral. Si en una clase de bachillerato unos estudiantes esclarecen como suyos unos valores y otros, fácilmente se concluirá que “todo es lo mismo”, que todos los valores son relativos y se recurrirá a una concepción equivocada de la tolerancia: la que la identifica con la indiferencia. En nuestros países se enfatiza actualmente que debe haber congruencia entre la labor de la escuela y la de la familia; de lo contrario una descalificará a la otra y se crearán conflictos en el educando. Se enfatiza también que la prédica, la exhortación o la proclamación de ciertos valores -más si se hace autoritariamente- es de escasa utilidad; no que no influya, pero muchas veces provoca rechazo por imponerse de manera unilateral. Cuarta limitación: por ser esta una teoría que se centra en el juicio moral, sobrevalora los componentes racionales en la formación de los valores y prescinde de los afectivos, sociales y culturales que son sumamente importantes. Estoy seguro de que, si cada uno de nosotros reflexiona sobre su vida y sobre cómo se formaron sus valores, comprobará que, al lado de influencias racionales, hubo otros factores. el amor, el deseo, las aspiraciones, los ideales, que siendo muy importantes parecen quedar fuera de esta teoría. Se enfatiza también que conviene privilegiar una “visión holística” (es decir, integral e integrada), que relacione unos valores con otros y haga ver su congruencia. Por esto se prefiere que la formación de valores no esté confinada a un área curricular (como podría ser el Civismo), sino abarcar toda la educación como un eje transversal; más aún debiera procurarse en la escuela un clima o ambiente propicio a la experiencia de los valores que se consideran importantes. Finalmente, la teoría del juicio moral mantiene una gran ambigüedad respecto a la posibilidad -yo diría la necesidad- de valores absolutos, y a la manera de identificarlos y asimilarlos. No hay referencias en Kohlberg sobre la problemática del carácter absoluto que pueden llegar a tener algunos valores fundamentales, qué hacer con ellos, cómo vivirlos, cómo conciliarlos con los de otras personas; éste me parece un aspecto fundamental en la formación de toda persona, es decir en la educación. 4. LOS MÉTODOS Y LAS PRÁCTICAS PEDAGÓGICAS Un estudio que revisa las tendencias que sigue la formación de valores en la escuela en América Latina (Schmelkes 1994) llega a las siguientes conclusiones. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 También se destacan, en la práctica pedagógica contemporánea de nuestros países, dos cosas como especialmente importantes: las relaciones personales que se viven en la escuela, que están condicionadas por la organización de la institución (pues de ellas depende que se fomente la confianza, la veracidad, el diálogo, el respeto, la solidaridad, la autoestima, etc.); y el maestro como el factor más relevante, en cuanto encarna los valores y los realiza ejemplarmente ante los alumnos. 5. LOS VALORES Y El ESTADO Refirámonos finalmente a algunos problemas que plantea la formación de valores a la política educativa, concretamente a la intervención del Estado en estos aspectos de la educación. Selecciono dos problemas de especial importancia en nuestro contexto mexicano: el del laicismo escolar y el de la legislación en materia de valores. 65 �Valores y educación a) Laicismo y valores El Estado mexicano es laico y la enseñanza de las escuelas públicas debe ser ajena a toda doctrina religiosa. Esto es claro, pero lejos de resolver el problema de la formación moral, le añade nuevas complicaciones. ¿Cómo conciliar laicismo y formación moral? El Estado, el no laico y el laico, cuando entra al orden de la educación, tiene que establecer ciertos fines. Decíamos que toda educación supone fines, orientaciones, también en materia de valores y de valores morales; laicidad escolar no significa, entonces, ausencia de fines sino no imponer una religión y respetar todas las maneras de pensar. Pero ¿puede el Estado educador entrar al terreno de la conciencia del individuo, dictarle normas morales, imponerle obligaciones morales? Y además ¿cómo puede hacerlo en una sociedad plural en la que coexisten muchas maneras de pensar, religiones diversas y concepciones morales muy variadas? Creo que el principio de solución para conciliar una escuela pública laica con la formación moral es distinguir una plataforma mínima de valores morales en los que debe haber consenso de todos, y las fundamentaciones de esos valores que pueden ser distintas y estar referidas al orden religioso de cada persona. A raíz de la Segunda Guerra Mundial Jacques Maritain proponía para Francia rehacer su tradición de laicismo escolar estableciendo una “Carta Democrática” obligatoria para todos, en la que constaran los valores esenciales a la democracia, y dejando que las diversas tradiciones religiosas o ideológicas fundamentaran esos valores de acuerdo a sus modos de pensar. Esto supondría una concepción abierta de la laicidad; abierta en dos sentidos: hacia el orden moral de cada alumno según las convicciones de su familia y hacia las tradiciones culturales del país. 66 He desarrollado esta propuesta en un trabajo reciente que presenté en un Seminario sobre Laicidad, realizado en El Colegio de México (Latapí, 2000). Ejemplifico la madurez que se requeriría del maestro -en esta concepción de laicidad abierta- con el siguiente “trilema”: un maestro de escuela pública desempeña tres roles diferentes que no es fácil conciliar. Por una parte, es funcionario del Estado y debe cierta lealtad al Estado que lo ha contratado (si tiene objeción de conciencia, debiera renunciar, pero mientras trabaje debe observar fielmente el laicismo oficial). Por otra parte, es representante de los padres de familia; no se puede explicar la función que desempeña sin referencia a una delegación explícita o implícita de los padres para que eduque a sus hijos; ¿hasta dónde debe llegar la lealtad a los valores de las familias en la educación que da el maestro? ¿No entra este rol en conflicto con el anterior? Y finalmente -por eso es trilema- el maestro es también él mismo, una persona con su propia filosofía de la vida y su propia formación moral. ¿Qué hace entonces un maestro agnóstico que es funcionario del Estado y Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Pablo Latapí Sarre educa a hijos de padres católicos o judíos en una escuela laica? ¿Qué orientaciones debe seguir? El hecho de que nunca se exterioricen este tipo de conflictos muestra, me parece, no que no existan en nuestra sociedad mexicana, sino que nuestra cultura pedagógica aún no ha profundizado los problemas de la formación moral y las posibles interpretaciones de la laicidad escolar. Ni el Estado ni la Iglesia ni los padres de familia han debatido estas cuestiones con seriedad. Pienso, por ejemplo, en el caso de Francia, donde actualmente se debate este tema, donde los Obispos católicos están proponiendo desde hace varios años una visión positiva de la laicidad, como un elemento que protege la libertad del acto de fe y la hace más auténtica, y donde se preocupan por dar a los maestros católicos de escuelas públicas una formación seria para resolver estos conflictos con pleno respeto a la conciencia del niño, del educando, y con coherencia con su fe religiosa personal. En nuestro caso debiéramos iniciar la tarea de esclarecer los valores comunes que requiere una vida democrática, establecer consensos sobre los rasgos deseables de las personas que queremos formar en nuestras escuelas -el respeto, la participación, la apertura al diálogo, el sentido social, etc.- y sobre esa base ir elaborando una pedagogía de la formación moral en la que se concilie la laicidad de la escuela, entendida como respeto a todas las religiones, y la ayuda a cada alumno según sus propios referentes. Sería una laicidad abierta a los valores morales individuales de los alumnos, no menos que a las tradiciones culturales del país (muchas de las cuales en países como el nuestro están indisolublemente vinculadas a elementos de su historia que fueron religiosos en su origen). Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 b) La ley y la formación en valores El otro problema que deseo tratar es el del papel de las leyes, de la legislación, en esta materia: ¿qué conviene que prescriban y manden respecto a la formación valoral y moral? El Estado con todo su poder puede muy poco en materia educativa, y más en materia de valores. No educa -esto lo hacen sólo las personas- sólo organiza la enseñanza; depende de -y está limitado por- muchas mediaciones humanas en su tarea educativa. Lo principal que puede hacer es normar, y esto no es lo más efectivo para el objetivo de formar valores. Si se me pidiera jerarquizar los factores que, en mi opinión (no es más que una opinión), influyen en la formación de valores en el orden escolar, yo enumeraría estos siete y en el siguiente orden de importancia: primero, el ejemplo de los maestros; segundo, el ambiente o clima de la escuela, propicio para la formación de ciertos valores y el ejercicio responsable de la libertad; tecero, la organización de la escuela por cuanto ella imprime un sello al ejercicio de la autoridad, a las relaciones interpersonales y a la participación; cuarto, la oportunidad de tener experiencias significativas; quinto, la apertura a la comunidad externa que tenga la escuela; sexto el curriculum, los contenidos curriculares; y en último lugar, el canon de los valores proclamados, o sea los enunciados normativos. En mi apreciación las disposiciones del Estado son el elemento que menor importancia efectiva para el proceso de formación valoral. Podríamos decir que al Estado corresponden tres grandes funciones al respecto: la primera, normar y orientar; la segunda, promover, estimular e inducir; y la tercera, evaluar. 67 �Valores y educación Aunque la proclamación de normas tiene sólo importancia relativa, es indispensable; toda educación requiere objetivos y fines claros que corresponde al Estado definir. Supuestamente, en la filosofía democrática, lo que el Estado hace es concretar los consensos sociales y darles expresión jurídica. El deber-ser, la definición de los fines, es socialmente significativa; constituye una referencia para todos los educadores del país y para la sociedad. Pero no sobrevaloremos la ley. La segunda función es más importante para la práctica: la de promover, estimular, inducir. Aquí cabría la normatividad cotidiana que establece límites y espacios, define estímulos, fija roles, sanciona una forma de organización y condiciona el funcionamiento de la escuela. Las normas sobre estos aspectos no formarán directamente los valores pero inducirán a vivirlos y alentarán a los buenos educadores. Así quiero interpretar la asignatura de Formación Cívica y Ética que se ha incorporado recientemente al currículo: como una oportunidad de introducir experiencias significativas, pero nada más. La educación valoral es asunto de mediaciones humanas y éstas no se pueden controlar y determinar a través de prescripciones. El Estado debiera estimular a los maestros a formar valores de diversas maneras, antes que nada procurando que todos los maestros tengan la experiencia de su propia formación en valores. Además, organizar talleres, debates, eventos en que participen también los padres de familia. La formación en valores debiera ser asunto de interés público. También correspondería al Estado dar a sus maestros un trato respetuoso y digno; la formación de los valores de los maestros empieza quizás en la forma en que las autoridades -incluyo a los directores y supervisores- los tratan. Mal puede un docente formar valores de respeto si en la ventanilla 68 es tratado por un burócrata autoritario o grosero. Un trato humano y respetuoso de parte de los funcionarios es una primera condición para promover la formación de valores humanos. La tercera función del Estado es evaluar. Pero en esta materia no puede el Estado ni nadie desarrollar un sistema completo de evaluación. Nunca tendremos -y qué bueno- indicadores precisos que nos digan “los niños de esta ciudad son hoy más magnánimos que los de tal otra” o “ya aprendieron a perdonar mejor que hace dos años”. La calidad de las personas no puede ser evaluada de estas maneras simplistas y superficiales. Sin embargo, si todo lo que nos proponemos debe ser de alguna manera evaluado, podemos sugerir que el Estado haga algunas cosas en relación con la evaluación de los valores. Podría, por ejemplo, estimular a las escuelas a evaluar algunos aspectos valorales de sus alumnos, de acuerdo a criterios nacionales o regionales o a los rasgos propios de la tradición educativa de una escuela en particular. A mí, por ejemplo, me gustaría saber si los muchachos de secundaria están prefiriendo las tradiciones mexicanas en sus maneras de divertirse o las de Estados Unidos, o de Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Pablo Latapí Sarre qué manera jerarquizan ciertas preferencias regionales respecto a las nacionales (problema particularmente interesante para el futuro); o saber si están cediendo al bombardeo de los medios de comunicación y asumiendo hábitos de consumo irracional, o si se están volviendo indiferentes, o si les gusta la lectura o si van adquiriendo, conforme a su edad, una mayor responsabilidad social o política. Son aspectos parciales que pueden ser evaluados de alguna manera, y el Estado debiera alentar esas evaluaciones. CONCLUSIÓN Para asuntos de gran importancia como es este de la formación de los valores los seres humanos no tenemos más ayuda, más recursos, que nosotros mismos, nuestra experiencia individual y colectiva, nuestra cultura. Debemos recogerla, atesorarla y ponerla al servicio de la educación de las siguientes generaciones. REFERENCIAS 1. Barba, Bonifacio, Educación para los derechos humanos. Los derechos humanos como educación valoral, México, Fondo de Cultura Económica, (en prensa). 2. Latapí, Pablo, Una laicidad abierta, en: “Tiempo educativo mexicano”, UAA- UNAM, 1996, vol 1, p.204. 3. Latapí, Pablo, La laicidad escolar: cinco vertientes de investigación, en Roberto Blancarte (Compilador), Laicidad y valores en un Estado democrático, El Colegio de México y Secretaría de Gobernación, México, D.F., 2000, p. 33 ss. 4. Schmelkes, Sylvia, Educación para los derechos humanos y la paz, 1995, (manuscr.). Por esto es muy saludable que esté renaciendo entre los maestros y en la sociedad el interés por la formación valoral y moral. Muy saludable también que se haya incluido en el currículo la materia Formación Cívica y Etica, aunque el actual plan y programa de estudio adolezca de deficiencias. Aunque sepamos muy poco sobre esto, aunque andemos a tientas -lo cual ayuda para acercarnos a este tema con humildad, reconociendo que estamos bordeando el misterio de lo que somos- es importante realizar el esfuerzo colectivo de reflexionar sobre la función formativa de la escuela. Así avanzaremos en el conocimiento de cómo hacer mejores a los hombres. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 69 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2001 Volumen Volumen de la revista 4 Número Número de la revista 11 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2001, Vol 4, No 11, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Méndez Cavazos, Julio César, Editor Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2001 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020774 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Reactores de reducción directa Santificación del progreso Servicio de telefonía móvil avanzado Sucesión de curvas Topometría https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20733/Ingenierias_2001_Vol_4_No_10_Enero-Marzo.pdf 7056d2339a8099366cf0d4e59696ae78 PDF Text Text ����Editorial La competitividad mexicana en el siglo XXI Miguel A. Palomo González* En el mes de mayo de cada año, el Institute for Management Development (IMD, Lausanne, Suiza, www.imd.ch) publica su reporte “Anuario de la Competitividad Mundial”, el cual considera un total de 47 países, incluyendo los de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) y países con una economía emergente. En el reporte se analiza la competitividad por país, y los puntos fuertes y débiles de cada uno. Pero antes de que el lector se sumerja en números y estadísticas abundantes en este u otro tipo de reporte similar, consideramos necesario reflexionar a nivel macro. ¿Qué tan competitivo es México? ¿Qué significa ser competitivos a nivel internacional? y ¿Qué hay que hacer para ser competitivos? Respetando la metodología y criterios empleados, los cinco países más competitivos son en primer lugar, Estados Unidos, seguido de Singapur, Finlandia, Holanda y Suiza. México se encuentra en el lugar 36, bastante lejos del lugar que ocupan sus socios comerciales del TLC, Estados Unidos(1) y Canadá(11), y países como Chile (26) y Brasil(34) resultaron mejor posicionados o son más competitivos que México. Un aspecto positivo para México es que hemos mejorado nuestra competitividad en los últimos 4 años, pasando del lugar 42 al lugar 36. Un político optimista diría “No estamos en el fondo, y somos más competitivos que la mayoría de los países de América Latina”, mientras que un empresario realista probablemente se preguntaría “¿Por qué estamos en el TLC?” ¿Quién se beneficia por estar México en el TLC? ¿QUÉ SIGNIFICA SER COMPETITIVO A NIVEL INTERNACIONAL? El reporte analiza en cada país 8 categorías o sectores: Economía Doméstica, Internacionalización, Gobierno o Sector Público, Finanzas, Infraestructura, Administración (de empresas), Ciencia y Tecnología, y la Gente o condiciones de la población. * Profesor de la Jefatura de Ingeniería Industrial, Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. e-mail: mpalomo@ccr.dsi.uanl.mx Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 3 �La competitividad mexicana en el siglo XXI Cada sector de competitividad se subdivide en criterios, en total 290. Es decir, son los criterios (y no los sectores) los que en forma agregada miden la competitividad de cada país. A continuación centraremos nuestra atención, como ejemplo y por estar más relacionados con el tema, en los sectores Administración de Empresas y Ciencia y Tecnología. El Sector administración considera los siguientes criterios: • La productividad, por persona, en dólares, • El costo de la mano de obra, evaluada por hora empleada • Los resultados en ventas, la relación precio/calidad, gastos en publicidad, credibilidad corporativa • La eficiencia administrativa, por medio de la creación de empresas, directores competentes, experiencia en negocios internacionales, nivel de competencia, seguridad e higiene en el trabajo, motivación de los trabajadores y capacitación, y • La cultura corporativa mide el proceso administrativo, la orientación al cliente, la cultura de mercadotecnia, el aspecto emprendedor, y responsabilidad social, entre otras. El sector ciencia y tecnología mide: • Los gastos en investigación y desarrollo, en millones de USD. • El personal de investigación y desarrollo, en cantidad y calidad, personal calificado en información tecnológica • La administración de tecnología, mide la cooperación tecnológica entre empresas e institutos de investigación, recursos financieros, desarrollo de tecnología, etcétera • El ambiente científico y tecnológico mide premios Nóbel nacionales, el enfoque de la investigación básica, el interés mostrado por la población hacia la ciencia y la tecnología. • La propiedad intelectual mide con varios criterios el número de patentes generadas u otorgadas. De alguna manera el Desarrollo Competitivo de los sectores evaluados son el resultado de acciones públicas y privadas, y si actualmente nos encontramos en una posición de pobre competitividad, esto se debe en gran parte a que los programas económicos de sexenio tras sexenio no han desarrollado dichos sectores. Los criterios anteriores nos indican que para que México sea competitivo como país, debe producir bienes y servicios que cumplan con 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Miguel A. Palomo González las exigencias del mercado internacional, al mismo tiempo que mantiene y expande el ingreso real de la gente en el largo plazo. También significa que un país rico en recursos naturales (como es el caso de México) no necesariamente es competitivo. Es decir, son más importantes los procesos de transformación y entrega de bienes y servicios al mercado. Por otro lado, un país no compite nada más con bienes y servicios, también es importante competir con un sistema de educación y un sistema de valores. ¿QUÉ HAY QUE HACER PARA SER COMPETITIVOS? Hablar de que México como país debe ser competitivo, sin ver los puntos que lo conforman, puede reflejar una miopía. Por ejemplo, en las tablas I y II se compara la competitividad contra dos de sus factores (productividad y Gastos en I y D) y nos muestran lo complejo de las relaciones. Nuestra posición como país no es más que el reflejo de varias deficiencias históricas de nuestra cultura política, empresarial y social: la falta de un ambiente económico estable; una estructura económica poco flexible; pobre inversión en la infraestructura tradicional y la tecnológica; la falta de promoción del ahorro interno; una cultura exportadora poco agresiva; desequilibrio entre niveles de salarios, productividad e impuestos; aumento en las diferencias salariales y un debilitamiento de la clase media; falta de inversión en educación; y sobre todo el desequilibrio producto de haber desarrollado una economía local (proteccionista) contraria a una economía globalizada. TABLA I. Competitividad y productividad TABLA II. Competitividad y gasto en I y D País Competitividad Lugar Productividad USD/persona País Competitividad Lugar Gasto en I y D millones USD Luxemburgo 6 (1) 67,354 Estados Unidos 1 (1) 227,934 Bélgica 20 (2) 64,082 Japón 17 (2) 122,275 Estados Unidos 1 (3) 62,454 Canadá 11 (7) 9,362 Canadá 11 (10) 50,688 Brasil 14 (14) 5,876 Argentina 41 (28) 34,037 Argentina 41 (26) 1,466 México 36 (34) 24,452 México 36 (29) 886 Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 5 �La competitividad mexicana en el siglo XXI Si continuamos sin poder eliminar nuestras deficiencias a nivel individual, a nivel empresa y como país, el riesgo social y económico que está presente en el largo plazo es: una pérdida de la identidad como país con un enfoque preponderante del individuo hacia mejorar sus condiciones de vida, mas que en un compromiso de cambio social; sin importar si trabaja o no para una empresa mexicana; si se explotan o no los recursos mexicanos en beneficio del mexicano; y una atomización del capital mexicano, en número y en cantidad, preocupado más por salvaguardar su mercado regional (puesto que ya perdió su mercado nacional). Pero si en los últimos 100 años apenas logramos llegar hasta el nivel de competitividad actual, tal vez se requieren otros cien años para que logremos mejorar. Desgraciadamente estamos hablando de modificar la cultura actual del mexicano: de formar en las nuevas generaciones el concepto de “Competitividad Internacional del Trabajador Mexicano”, de fomentar la cohesión social junto con un sistema de valores, de establecer un sistema promotor de la cooperación entre empresas e institutos de investigación, de desarrollar personal competitivo en ciencia y tecnología, de apoyar a los empresarios con cultura global, espíritu emprendedor y visión “ganar-ganar”, de orientar nuestros esfuerzos hacia la mejora e innovación de procesos y productos competitivos, y de participar políticamente para así mejorar el sector público. Probablemente sea más ilustrativo el comentario del reporte del IMD que menciona que el desafío de México es: moverse de la posición de inversiones de bajo valor agregado (maquiladoras) hacia una de alto valor agregado. 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Hojuelas de grafito en un hierro fundido gris: Análisis fractal y estadístico Fabiola Sánchez*, Moisés Hinojosa*, Virgilio González* .Abstract A statistical and fractal analysis of the graphite flakes in the microstructure of a gray iron is presented in this work. The morphological parameters equivalent diameter, area, perimeter, shape factor and length were determined by image analysis of optical micrographs. The statistical distributions of these parameters do not fit to gaussian curves, showing high skewness and dispersion. Fractal analysis was performed applying the box-counting method to the binary images of the flakes, the results show and quantify the fractal character of the graphite flakes. Two fractal dimensions were detected: the texture dimension associated to the fine irregularities of the flake boundaries, and the structure dimension, which describes the global morphological irregularity. The unusually high value of the structure dimension, D=1.71, seems to reflect the also unusually high average value of the shape factor. The cut-of length, which indicates the point of intersection of the structure and texture regimes, shows a value very similar to the average value of the parameter length. varían dentro de amplios intervalos respondiendo a factores como la composición química, rapidez de enfriamiento después del vaciado, tamaño y espesor de las piezas, práctica de vaciado, tratamiento térmico y parámetros microestructurales como la naturaleza de la matriz y la forma y tamaño de las hojuelas de grafito. Las *hojuelas adoptan diferentes patrones irregulares, o tipos. El tipo y tamaño de hojuela se determina de manera tradicional por simple comparación contra el patrón ASTM (American Society for Testing of Materials), norma A247. Esto se realiza mediante observaciones de microscopía óptica a 100X sobre muestras en condición de pulido a espejo, sin ataque químico. En general se habla de cinco tipos de hojuelas, denominados A, B, C, D y E, como se ve en la figura 1. INTRODUCCIÓN El hierro fundido gris1-3 es uno de los materiales más empleados, su nombre se debe a la apariencia de sus superficies al romperse. Esta aleación ferrosa contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Una característica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general como grafito, adoptando formas irregulares descritas como “hojuelas”, este grafito es el que da la típica coloración gris a las superficies de fractura en las piezas elaboradas con este material. Las propiedades físicas y en particular las mecánicas Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Fig. 1. Tipos de hojuelas en los hierros grises, según la clasificación ASTM. * FIME-UANL, A.P. 076 Suc. “F”, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, N.L., Méx. 66450 hinojosa@gama.fime.uanl.mx 7 �Hojuelas de grafito en un hierro fundido gris: Análisis fractal y estadístico Las normas hacen referencia a ocho tamaños de hojuela, asignándoles números del 1 al 8, Tabla I. Tabla I Tamaños de hojuelas AFS*-ASTM** Tamaño Long. de las hojuelas más largas en pulg. A 100X. 1 4 o más 2 2-4 3 1-2 4 ½-1 5 ¼-½ 6 1/8- ¼ 7 1/16-1/8 8 1/16 o menos * American Foundrymen Society ** American Society for Testing of Materials Fig. 2. Copo de nieve de Von Koch En general para la mayoría de las aplicaciones se prefieren las hojuelas tipo A de tamaño “pequeño”, los tamaños grandes reducen la resistencia y ductilidad del hierro como resultado de interrumpir seriamente la continuidad del material. La geometría fractal se ha empleado para el análisis de una diversidad de elementos microestructurales como fronteras de grano7, dendritas8 y muchos otros. En general se combina con el análisis de imágenes, mismo que tradicionalmente se emplea para la determinación de parámetros morfológicos euclidianos en lo que se conoce como metalografía o materialografía cuantitativa. Como antecendente directo de este trabajo, Lu9 estudió las morfologías del grafito en distintos tipos de hierros fundidos aplicando relaciones área-perímetro, Montelongo aplicó un método similar a las dendritas en una aleación vaciada de aluminio. En nuestro trabajo se aplica el análisis fractal a las hojuelas de grafito mediante el método de conteo de celdas para la determinación de la dimensión fractal. Se realiza además un análisis estadístico de algunos parámetros morfológicos determinados por procedimientos convencionales de análisis de imágenes. El carácter irregular de las hojuelas de grafito se presta para el análisis mediante la geometría fractal. Esta geometría describe y cuantifica las formas irregulares que presentan los objetos en la naturaleza.4-6 La complejidad morfológica se cuantifica mediante el parámetro dimensión fractal, que indica la eficiencia con que un objeto llena el espacio en el que está contenido. A diferencia de la más conocida dimensión topológica o euclidiana, la dimensión fractal es fraccionaria y casi siempre mayor que la topológica. En la figura 2 se muestra el objeto fractal llamado copo de nieve de Von Koch, la dimensión fractal de su curva perimetral es D=1.2618. 8 Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Fabiola Sánchez Cabrera, Moisés Hinojosa, Virgilio González EXPERIMENTACIÓN El material empleado en el presente trabajo es una fundición de hierro gris cuya composición química, determinada por espectroscopía de emisión óptica, se presenta a continuación (% peso): C, 3.72; Si, 2.61; Mn, 0.71; P, 0.15; S, 0.128;Cr, 0.143. El contenido de carbono se determinó en un analizador de carbono (LECO Carbon Analyzer). Se prepararon muestras para observación metalográfica utilizando lijas, el pulido final se realizó mediante suspensión de diamante de 0.25 µm, no se realizó ataque químico. Las observaciones de la microestructura se llevaron a cabo en un microscopio óptico de platina invertida conectado a un equipo analizador de imágenes LEICA Quantimet 520. Estas observaciones se realizaron a 100 y 200X, se capturaron imágenes digitales grises de 256 tonos a 512 x 480 pixeles. La resolución de estas imágenes digitales fue de 0.952 y 0.479 µm/pixel para las magnificaciones de 100 y 200X, respectivamente. La captura de imágenes se llevó a cabo de manera tal que el mismo campo observado a 100X se cubriera mediante cuatro imágenes a 200 X. El parámetro diámetro equivalente se obtiene mediante la relación:  4A  De =    π  1 2 El parámetro longitud, L, corresponde al máximo diámetro de Feret, que a su vez es la distancia entre dos rectas paralelas tangentes al objeto medido. El análisis fractal se realizó mediante el método de conteo de celdas o box-counting aplicado a las imágenes binarias. En este método la imagen se cubre con una serie de mallas cuadradas de tamaño δ, se cuentan las celdas que incluyen alguna parte de las hojuelas, variando el tamaño δ se obtiene la distribución de N(δ). Para objetos fractales se tiene que N(δ) ~ δ -D de donde se puede obtener la dimensión fractal, D, como la pendiente del gráfico logarítmico de N(δ) contra δ. El procedimiento fue adaptado para realizarse mediante un programa computacional, figura 3. Mediante procedimientos de edición de imágenes se detectaron y aislaron las hojuelas de grafito en las imágenes grises para obtener imágenes binarias a partir de las cuales se determinaron diversos parámetros morfológicos. Los parámetros medidos fueron: diámetro equivalente, De; área, A; perímetro, P; factor de forma, ff; y longitud, L; estas mediciones se realizaron para las magnificaciones de 100 y 200X. El parámetro factor de forma está definido por la relación siguiente: ff = 1 P2 4π A Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Fig. 3. El método de box-counting, ver texto. 9 �Hojuelas de grafito en un hierro fundido gris: Análisis fractal y estadístico RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Fig. 4(a) se muestra una micrografía típica a 100X, se aprecian las hojuelas de grafito, identificadas como hojuelas tipo A de tamaños 3 a 5, de acuerdo a la norma ASTM A247, en la figura 4(b) se muestra la correspondiente imagen binaria obtenida después del proceso de edición. Las figs. 4(c) y 4(d) muestran el aspecto de las hojuelas a 200X en las modalidades gris y binaria, respectivamente. En algunos campos de observación se detectó además la presencia de algunas hojuelas de tipo C. Esta clasificación del tipo y tamaño de hojuela aunque es muy rápida es muy subjetiva y cualitativa. corresponden al total de hojuelas analizadas, en este caso todas las mediciones incluidas se determinaron en las imágenes de 100X. Cualquiera de estos parámetros morfológicos cuantitativos puede ser utilizado para describir las características de las hojuelas de grafito, proporcionado una información más clara y precisa que la simple clasificación como “hojuela tipo A de tamaño 3 a 5” obtenida mediante la norma ASTM. Sin embargo es importante considerar las distribuciones estadísticas de estos parámetros cuantitativos, sobre todo si se toma en cuenta la gran dispersión de tales parámetros expresada por su desviación estándar. Tabla II Estadísticas de los parámetros morfológicos de las hojuelas de grafito Promedio Longitud (µm) 26.8 22.8 Perímetro (µm) 100.9 132.2 2 a) c) b) d) Fig. 4. (a) Microestructura típica mostrando las hojuelas de grafito, 100X. (b) Imagen binaria correspondiente a (a) (c) Hojuelas a 200X (d) Imagen binaria correspondiente a (c) En la Tabla II se muestran los resultados concentrados de los diversos parámetros morfológicos determinados, estos resultados 10 Desviación estándar Área (µm ) 124.4 211.3 Diámetro equivalente (µm) 10.6 6.8 Factor de forma 7.2 7.6 Nótese en la Tabla II que para todos los casos la desviación estándar es del mismo orden que la media, con el caso extremo del área, en el que la desviación estándar es casi el doble que el promedio. Un análisis más completo requiere conocer la forma de las distribuciones estadísticas. En la figura 5 se muestran los histogramas correspondientes a las distribuciones estadísticas de los parámetros longitud, perímetro, área y diámetro equivalente. En dichos histogramas se indica la media y la desviación estándar, mostrándose además el ajuste a Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Fabiola Sánchez Cabrera, Moisés Hinojosa, Virgilio González una distribución normal. La primera observación interesante es que las distribuciones no se ajustan a la forma gausiana en ninguno de los casos, las distribuciones no son normales, ni siquiera son acampanadas, son más bien sesgadas. Fig. 6. Resultado del análisis fractal mediante conteo de celdas. Fig. 5. Distribuciones estadísticas de los parámetros morfológicos En la figura 6 se muestra el resultado del análisis fractal mediante el método de conteo de celdas, para una imagen típica de 100X. Los datos indican la existencia de dos regímenes con dos diferentes dimensiones fractales. En la región correspondiente a tamaños de celda finos se manifiesta una dimensión fractal con valor de 1.5, mientras que en la región de tamaños de celda grandes la dimensión fractal tiene el valor de 1.71. Estos valores indican una mayor “rugosidad” en la región de mayores tamaños de celda o menor resolución con respecto a la obtenida en la región de mayor resolución. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Los dos regímenes detectados se interceptan en el punto llamado normalmente longitud de quiebre (cut-off length), indicado en la figura con el símbolo δc. Las dos dimensiones fractales detectadas pueden interpretarse en los términos propuestos por Kaye [10] e Hinojosa [7], podemos identificar la dimensión existente en las escalas finas como la dimensión de textura, que refleja los detalles finos de la curva perimetral de las hojuelas, es decir, la interfase entre el grafito y la matriz. La dimensión que se manifiesta en las escalas menos finas puede interpretarse como la dimensión de estructura, asociada a la irregularidad morfológica global de las hojuelas de grafito. El valor inusualmente alto, 1.71, de la dimensión de estructura puede relacionarse a la gran irregularidad morfológica y de distribución de las hojuelas, este valor puede además estar relacionado con el factor de forma, que también es inusualmente alto, según se indica en la Tabla II. El valor de la longitud de quiebre en la figura 6 corresponde a un tamaño de celda de 29 pixeles, que para la magnificación de 100X equivale a un tamaño de 27 µm. Resulta tentador asociar este valor al promedio del parámetro longitud, cuyo valor es de 26.8 µm según se indica en la tabla II, 11 �Hojuelas de grafito en un hierro fundido gris: Análisis fractal y estadístico sin embargo la alta dispersión de este parámetro indicada por su desviación estándar obliga a considerar con reservas tal correlación. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo otorgado por el Conacyt y la UANL a través del programa PAICYT. CONCLUSIONES El análisis estadístico de las hojuelas de grafito revela que las distribuciones de los parámetros longitud, perímetro, área, diámetro equivalente y factor de forma no se ajustan a la distribución normal, presentando más bien una distribución sesgada. Estas distribuciones muestran una gran dispersión, del orden del valor promedio en la distribución. El análisis fractal realizado corrobora la aplicabilidad de los conceptos de geometría de fractales para describir la irregularidad de las hojuelas. Efectivamente se encuentra que las hojuelas pueden describirse como fractales naturales. Se detectó la existencia de dos dimensiones fractales. En los niveles finos la dimensión de textura describe la irregularidad del borde de las hojuelas, mientras que la dimensión de estructura se manifiesta en los niveles menos finos y refleja la morfología general de las hojuelas. El valor inusualmente alto de la dimensión de estructura se correlaciona bien con el también inusualmente alto valor del parámetro morfológico factor de forma. Si bien no es posible establecer una relación definitiva entre los parámetros fractales y la microestructura, se encuentra que el valor de la longitud de quiebre es muy cercano al valor promedio del parámetro longitud. 12 REFERENCIAS 1. Metals Handbook Vol. 1, “Properties and Selection: Irons and Steels”. American Society for Metals, p. 3-73, 1985. 2. Apraiz Barreiro, José. “Fundiciones” 3ª. Ed., Ed. Dossat, 1981. 3. Metals Handbook Vol. 15, “Castings”, American Society for Metals, p. 627-661, 1985. 4. Mandelbrot, B.B., “Fractals: Form, Chance, and Dimension”, W.H. Freeman and Co. San Francisco, 1977. 5. Mandelbrot, B.B., “The Fractal Geometry of Nature”, W.H. Freeman and Co. New York, 1982. 6. Barnsley, M. “Fractals Everywhere”. Academic Press, Inc. San Diego, 1988. 7. Hinojosa, M. Tesis Doctoral, Universidad Autónoma de Nuevo León, 1996. 8. Montelongo O. Tesis de Maestría, Universidad Autónoma de Nuevo León, 1998. 9. Lu S. Z. y Hellawell, A. Acta Metallurgica et Materialia, Vol. 42, No. , pp 4035-4047, 1994. 10. Kaye, B. H. “Multifractal Description of a Rugged Fineparticle Profile. Part Char. I, pp 1421, 1984. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Generación de código de maquinado en 3D para modelos basados en mallas F. Eugenio López G. *, Rafael Colás O. * Francisco Ramírez C.*,Klaus Rall** Abstract The evolution of CAD/CAM (computer aided design / computer aided manufacturing) systems has enabled more complex parts to be modelled. Today, most of the modelled parts are more than grouped geometric primitives (points, arcs, lines, etc), but complex shapes defined trough three dimension surfaces, that can not be directly processed by the tool-machine control. Hence, there is a need to create methods to allow the machining process. This article presents an approach to generate numerical control code (NC code) from 3D meshes geometries for a 2 ½ axis milling machine. First the theoretical constrains of 3D machining are explained. Then a method based on mesh geometries and unit vectors is presented. The results of this method were obtained by means of computer simulations. Finally, a series of proposals for the improvement the proposed method are presented. Key words: CAD/CAM, geometric modelling machining, interpolation, CNC. INTRODUCCIÓN diferentes trayectorias y formas geométricas en máquinas-herramienta adecuadas. Cada día se incorporan al mercado sistemas de diseño mecánico por computadora (CAD / CAM por su nombre en inglés) con mejores capacidades que permiten construir modelos geométricos rápida y eficientemente con superficies de forma libre. El implementar estos programas de diseño geométrico en una planta implica no solamente la transferencia de datos sin complicaciones de formato entre diferentes plataformas computacionales, sino también que las máquinas-herramienta estén capacitadas para interpretar los diferentes formatos de datos y maquinar dichas geometrías. El proceso de generación de código NC debe incluir el dominio de las bases teóricas para implementar óptimamente A menudo ocurre *que las características de procesamiento de una computadora sobrepasan las del control de una máquina-herramienta. Esto significa que, para la mayoría de los programas de diseño mecánico, se supone una máquinaherramienta de características adecuadas a él, lo cual normalmente no sucede, ya que el desarrollo del ámbito computacional es de mucho mayor Ingenierías, Enero-Marzo 2001 Vol. IV, No.10 * Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL. ** Departamento de Materiales y Automatización, TUHH, Alemania. 13 �Generación de código de maquinado en 3D para modelos basados en mallas velocidad que el de las máquinas-herramienta. Esto sucede básicamente por las siguientes razones: • • • • La computadora se ha convertido en un producto casero, por lo que el número de personas a nivel mundial trabajando sobre desarrollos y mejoras para computadoras es mucho mayor al de las máquinas-herramienta. Tanto la construcción como los códigos de programación para una máquina-herramienta están casi en su totalidad estandarizados mundialmente (salvo un grupo pequeño de códigos específicos). Lo cual no ocurre con las computadoras cuyos estándares son determinados prácticamente por el momento de mercado. El costo de venta de una máquina-herramienta es mucho mayor que el de una computadora, y en consecuencia las capacidades innovativas en las nuevas generaciones de máquinasherramienta suceden a intervalos mayores. El atraso tecnológico de algunos países con respecto a otros obliga a que en muchas empresas se trabaje con máquinas-herramienta parcial o totalmente obsoletas. Existen casos en los que es deseable utilizar éstas geometrías ya construidas con el propósito de fabricar: • prototipos rápidos, • moldes para maquetas, • modelos con especificaciones no rigurosas de exactitud Sin embargo, existe poca -y en algunos casos nula- compatibilidad entre los formatos de datos que manejan los sistemas de CAM (normalmente formatos no estandarizados especificados por el fabricante) y los de las geometrías tridimensionales de propósito diferente al maquinado. Los fabricantes de sistemas de CAM usualmente ofrecen módulos (que se compran por separado) de conversión entre formatos. Sin embargo, la efectividad de ellos depende en gran medida de la geometría a convertir, ya que éstas tienen que cumplir condiciones de interpolación y construcción. En muchos casos esas condiciones no se cumplen y la conversión es defectuosa o mala, dejando cuerpos de superficies no cerradas o con condiciones ambiguas de volumen. El problema La solución Hoy en día es frecuente encontrar modelos tridimensionales hechos por computadora con propósitos diferentes a los de maquinado, compuestos de geométricas más complejas que las líneas y arcos. Ejemplos de ello son las geometrías que se usan en análisis de elemento finito, representación tridimensional, sistemas de realidad virtual, animaciones para video, etc. Estas geometrías tienen una estructura de datos que se almacena en disco en formatos compuestos por coordenadas de puntos, superficies y vectores, formando mallas. Como solución se propone el análisis directo de las superficies considerando que las geometrías están construidas en base de mallas, calculando la posición de la herramienta en donde se desea que la máquina haga el trabajo de maquinado. 14 El modelo geométrico a maquinar puede ser generado por diferentes medios de construcción. Ya sea a partir de la salida de una máquina de coordenadas o directamente del modelo conceptual implementado y mejorado con un sistema de diseño por computadora. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �F. Eugenio López G., Rafael Colás, Francisco Ramírez C., Klaus Rall Los algoritmos de generación de caminos de maquinado implementados en sistemas de CAD parten de la construcción del modelo geométrico en base a curvas determinadas matemáticamente. La interpolación y el cálculo de la trayectoria de la herramienta se basa en la creación de curvas paralelas en donde la herramienta la sigue tangencialmente. Ya que solamente los controles modernos son capaces de procesar curvas complejas (esencialmente las llamadas NURBS, cuyo nombre proviene de las siglas en inglés “Non-Uniform Rational B-Splines”. Curvas matemáticas parametrizadas definidas por puntos de control, y forman parte de la técnica moderna para el diseño de geometrías en computadora) es necesario encontrar un método de interpolación sencillo que pueda ser procesado por un control no moderno. El método de generación de trayectorias de herramienta a partir de los modelos geométricos en base de mallas permiten prescindir de interpolaciones complejas, ajustándose únicamente a la calidad de la malla. en donde la superficie triangular i tiene tres vértices, de tal manera que ésta puede ser representada por tres puntos: Supi = [Pai, Pbi, Pci] (2) en donde Pai, Pbi y Pci son índices de un vector de puntos P, que tienen componentes en los ejes de coordenadas cartesianas: = [Pai.x, Pai Pbi = [Pbi.x, Pci = [Pci.x, Pci.y, Pci.z] Pai.y, Pbi.y, (3) Pai.z] Pbi.z] Un volumen cerrado puede ser representado con el esquema anterior, en donde existe un vector normal para cada superficie indicando el sentido hacia afuera del volumen, véase figura 1 Ni = [Ni.x, Ni.y, Ni.z] (4) MODELACIÓN VOLUMÉTRICA Mallas triangulares como elemento de construcción El modelo geométrico original a ser maquinado puede ser aproximado a un conjunto de mallas triangulares, sobre las cuales se planea el camino de la herramienta de corte. Una malla triangular puede ser definida como un conjunto de superficies triangulares, las cuales tienen vértices en común. La malla puede ser representada como un vector de m superficies: Malla [m] Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 (1) Fig. 1. Representación de volumen por medio de una malla triangular. Los vértices son 8 y el número de caras triangulares y vectores normales es 12. 15 �Generación de código de maquinado en 3D para modelos basados en mallas Bajo ese principio se construyeron las superficies de primitivas geométricas y superficies de formato libre de la figura 2. Condiciones de tangencia Al margen de las aplicaciones en otros campos, los modelos de malla pueden ser usados también para la generación de código NC. A continuación se presenta un método para encontrar las posiciones de la herramienta de corte (CLF) sobre un material, partiendo de que ambos cuerpos son modelos de malla, y considerando las siguientes entidades geométricas: h malla del cortador de la herramienta malla de la pieza m r un rayo en dirección (0,0,-1) a) primitiva geométrica El centro de la malla de la pieza tiene una posición conocida pos y coordenadas de límite que pueden representarse como un arreglo lim de tamaño 2. m tiene una posición dada por m = [m.pos.x, m.pos.y, m.pos.z] las coordenadas min y max de m son m = [lim1, lim2], b) superficie libre (5) en donde Fig. 2. Geometrías construidas en base a mallas triangulares El número de superficies de la malla determina la precisión del modelo y su orden es de miles. Por razones de espacio no se presentan los valores numéricos de los modelos. Es frecuente encontrar este tipo de construcciones para aplicaciones de elemento finito, como por ejemplo análisis estructural, en donde las ecuaciones diferenciales se discretizan y se encuentran valores para cada línea. 16 lim1 = [lim1.x, lim1.y,lim1.z] (5a) lim2 = [lim2.x, lim2.y,lim2.z] (5b) Lo cual permite trazar un conjunto de rayos desde cada vértice de cada superficie de la malla de la herramienta y determinar su punto de encuentro con la malla de la pieza, como puede ver en la figura 3. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �F. Eugenio López G., Rafael Colás, Francisco Ramírez C., Klaus Rall Código NC para dos y tres dimensiones El movimiento simultáneo de los ejes de la máquina-herramienta define el número de ejes de la misma. En consecuencia, el código NC debe estar supeditado a esta limitante. Para una fresadora de 2 ½ ejes, es posible programar la trayectoria de la herramienta en el plano XY, XZ o YZ. Para una máquina de tres ejes, los movimientos programados son en XYZ, mientras que para máquinas de más de tres ejes los movimientos programados pueden incluir simultáneamente el movimiento de un mecanismo adicional como por ejemplo la rotación de la mesa o el ángulo de inclinación del eje de la herramienta. Fig. 3. Proyección de rayos desde la malla de la herramienta hasta las superficies de la pieza. La tangencia de la herramienta estará determinada por el punto de encuentro en la superficie de la malla m del rayo de menor distancia. Esta distancia será entonces la altura adecuada en el eje Z de la máquina-herramienta que deberá ser programada en el código NC. Para cada posición durante el avance de la herramienta se traza el conjunto de rayos y se calcula el nuevo valor de tangencia. CONDICIONES TEÓRICAS DE MAQUINADO El aspecto geométrico de un programa de NC involucra no solamente el contacto de la herramienta con la pieza, sino además el orden del recorrido de la herramienta por todos estos puntos, considerando en dónde la herramienta tiene que retirarse de la acción de corte y en dónde debe volver a atacar el material. En esta sección se explican las formas básicas para la planeación de dichos movimientos. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Para lograr el maquinado de una superficie completa es necesario implementar una estrategia de maquinado. La estrategia es la determinación de la sucesión de curvas de maquinado de dos dimensiones que en conjunto logran conformar con el mínimo de error la geometría que se desea reproducir en el material. Las formas clásicas de las estrategias planares de maquinado son tres: unidireccional, zig-zag y concéntrica según se puede observar en la figura 4. La estrategia unidireccional considera el corte de herramienta en una sola dirección, mientras que la de zig-zag lo hace en forma bidireccional. En la forma unidireccional la herramienta se levanta del plano de corte al final de la trayectoria y se recorre rápidamente al inicio de la siguiente trayectoria la cual inicia una vez que la herramienta se coloca lentamente en contacto con el material y se puede empezar a cortar. Por contraste, la estrategia de zigzag considera el corte principal en ambas direcciones, lo que permite el contacto continuo de la herramienta sin que ésta tenga que perder tiempo en establecer una nueva posición de corte, hasta que todo el camino ha sido recorrido, como se muestra en la figura. 17 �Generación de código de maquinado en 3D para modelos basados en mallas recorridos de herramienta en vacío somete al material y a ésta a esfuerzos provocados por los cambios de temperatura. a) unidireccional (a) b) zig-zag c) concéntrica Fig. 4. Estrategias clásicas de maquinado. La estrategia concéntrica corta también en forma continua, solamente que en este caso, a lo largo de todo el contorno, ya sea desde el centro hacia los límites externos, o desde ellos hacia el centro como se muestra en la figura 5. Para probar el método propuesto se utilizó el corte en forma unidireccional, pues presenta la ventaja de ser relativamente simple en su implementación y es fácil de modularizar. Sin embargo, el proceso de corte alternado con 18 (b) Fig. 5. Aplicación de la estrategia concéntrica de maquinado. a)estrategia, b)proyección sobre los puntos de tangencia Las estrategias de corte continuo tienen la ventaja de remover mayor cantidad de material en menor tiempo, mantienen la herramienta continuamente en el proceso de corte y por lo tanto tienen un mayor rendimiento. Sin embargo, tales recorridos requieren controles NC con suficiente capacidad de memoria para albergar un programa Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �F. Eugenio López G., Rafael Colás, Francisco Ramírez C., Klaus Rall completo y por lo tanto las geometrías no son relativamente complejas. Una geometría a maquinar puede ser modularizada fácilmente en uno o varios programas NC, adaptándose de esta manera a la memoria disponible en el controlador de la máquina. Modularizar un programa NC que mantiene a la herramienta en corte continuo requiere de decisiones adecuadas para la inserción de instrucciones de retirada de herramienta en lugares geométricos adecuados, lo cual no siempre es posible sin impactar en el acabado superficial y en consecuencia no puede hacerse por medios completamente automáticos. (a) VERIFICACIÓN Y RESULTADOS Comprobación usando un sistema de CAD/CAM Para verificar el código NC generado se hizo una simulación de maquinado con un sistema de CAD/CAM utilizando SurfCAM v6.1b. La figura 6 muestra la simulación del maquinado hecha con el programa SurfCAM de Sirius v4.0.2 para la verificación de código NC. El programa aceptó sin problemas el código NC generado, lo cual implica cero errores de sintaxis, y posiciones de planos de trabajo válidos. El análisis de colisiones AnySIM reporta que no existe ninguna colisión, ni condiciones de corte inválidas (por ejemplo enterramiento de herramienta). Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 (b) Fig. 6. Verificación del método (a) Modelo de un rostro humano creado con mallas de superficies triangulares que se utilizó para comprobar el método. (b) Simulación del programa NC para el maquinado. 19 �Generación de código de maquinado en 3D para modelos basados en mallas CONCLUSIONES • Centro de maquinado EMCO VMC 300 El presente trabajo presenta un método para la generación de código NC a partir de geometrías de superficie libre y las creadas para diferentes aplicaciones a las de diseño exacto de productos. Adicionalmente se explican las razones para seleccionar una estrategia de maquinado en particular de acuerdo a diferentes casos. • Licencia de software SurfCAM v 6.1b Por medio de una simulación se comprueba que el método propuesto es realizable. Algunos aspectos que pueden verse involucrados en el problema se dejan como propuesta de estudio posterior: • El análisis del acabado real del maquinado de la pieza producida con respecto a la malla teórica y el del Departamento de Materiales y Técnicas de Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania: • Control simulador SIEMENS 640D • Computadora Pentium dual 500Mhz • Sistema de simulación AnySIM v2.0 Los autores agradecen la colaboración del Dr. Moisés Hinojosa en la revisión del manuscrito. REFERENCIAS • Estrategias de maquinado para 3 o mas ejes 1. Foley, James D. Computer Graphics Principles and Practice. Addison Wesley, 1996. • Análisis de los parámetros de corte para diferentes materiales 2. Piegl, Les The NURBS Book. Springe Verlag, 1997. • Interpolación para continuidad geométrica 3. Klein, Friedrich. NC-Steurung für die 5-achsige Fräsbearbeitung auf der Basis von NURBS. Shaker Verlag. Ph.D. Dissertation, Technische Hochschule Aachen, 1995. El método de maquinado se presenta como propuesta de trabajo en el Centro de Manufactura de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. RECONOCIMIENTOS El presente trabajo fue realizado por los autores* como parte de su proyecto de investigación del Doctorado de Materiales FIME-UANL bajo el apoyo de PROMEP, utilizando las instalaciones del Centro de Manufactura Integrada por Computadora de la FIME-UANL: 20 4. SINUMERIK 810M. User’s guide. SIEMENS AG, 1990. 5. EMCVMC-300 Vertical Milling Center. User’s guide. EMCO MAIER GmbH, 1993. 6. SurfCAM v6.1B. User’s guide, 1994. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Ajuste de datos experimentales por medio de mínimos cuadrados Parte I Salvador Acha Daza*, Diana Acha Izquierdo* Abstract In the present work we try to show in simple terms the curve fitting approach to experimental data, using the concept of minimum squares. In many engineering and science applications, models are linear in the coefficients; which meas that an explicit solution to the problem can be obtained. When redundancy exists, this means a larger number of observations than coefficients to be determined, it can be established under appropriate statistical considerations a significance test for the parameters of the proposed model, this topic will be covered in part II. discutido con detalle en el apartado 1. Al final se presentan* las conclusiones del trabajo y en apéndices se extiende el material para incluir pruebas de significación estadística lo cual debe complementar el análisis y agrega valor al modelo obtenido bajo el criterio de los mínimos cuadrados. DESARROLLO DE ECUACIONES PARA EL CÁLCULO DE LOS COEFICIENTES Con el fin de establecer la nomenclatura general se considera que se tiene un conjunto de n pares de observaciones (xi, yi). En un plano x-y se puede visualizar la distribución de observaciones usando un diagrama de dispersión, figura 1. Keywords: minimum square, curve fitting. Es frecuente el problema de tener un conjunto de mediciones y desear ajustar los datos observados a funciones que describan la relación entre la variable dependiente y la variable independiente. El problema original parece estar asociado al nombre de Gauss quien trató de ajustar curvas a datos experimentales obtenidos en observaciones astronómicas. En nuestros días el planteamiento permite establecer un modelo matemático basado en optimización, para dar solución al problema de calcular los coeficientes que satisfacen el criterio de mínimos cuadrados. El presente artículo muestra de forma sencilla la solución matricial del problema, ilustrando la forma de llegar a una expresión cerrada de la solución. Con ejemplos sencillos se tiene una comprobación al aplicar en forma directa la solución presentada. En el apartado 1 se desarrollan las ecuaciones para el cálculo de los coeficientes, después en el apartado 2 se discuten dos ejemplos, en uno se muestran las transformaciones para lograr un modelo como el Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 x εi INTRODUCCIÓN x x x Fig. 1. Diagrama de dispersión, observaciones en el plano x-y. Como se muestra en la figura 1, para cada observación se tiene un valor teórico expresado por la ecuación de la función. Así, se puede hablar de un error o "desajuste" a la diferencia entre el valor observado y el valor teórico. Al sumar los errores al cuadrado, se tiene SS. * Programa Doctoral en Ingeniería Eléctrica FIME-UANL. 21 �Ajuste de datos experimentales por medio de mínimos cuadrados: Parte I n SS = ε12 + ε 22 + ! + ε 2n = ∑ ε i2 (1) i =1 Al igualar a cero las componentes del gradiente y en forma matricial: [(y 1 En el caso particular cuando los datos pueden ser descritos por una recta, y = a1x + ao, se requieren los coeficientes a1 y ao. Los mejores coeficientes serán aquellos que minimizan el cuadrado de los errores, dando lugar al método de mínimos cuadrados. El gradiente de SS igualado a cero será la solución buscada. De la figura 1:  x1     x 2  = [0]  x 3    x 4 (5.a) [(y − a x − a ) (y − a x − a ) (y − a x − a ) (y − a x − a )] 1 ε i = y iobs − y iteórica = y iobs − (a 1 x i + a o ) − a1 x1 − a2 ) (y 2 − a1 x 2 − a2 ) (y 3 − a1 x 3 − a2 ) (y 4 − a1 x 4 − a2 )] ... 1 1 o 2 1 2 o 3 1 3 o 1  1    = [0 ] 1    1  (2) Para el caso particular de n = 4 observaciones, la suma SS del cuadrado de los errores: ( − a x1 − a o )2 + (y 2 − a x 2 − a o)2 + 2 2 ... (y 3 − a x 3 − a o ) + (y 4 − a x 4 − a o ) (3) SS = y 1 1 1 1 1 1 o 2 ∂ SS = − 2 (y1 − a1 x1 − ao ) x1 − 2 (y 2 − a1 x 2 − ao ) x 2 − ∂ a1 ... 2( y 3 − a1 x 3 − a 0 ) − 2 (y 4 − a1 x 4 − a o ) x 4 ∂ SS = − 2 (y1 − a1 x1 − ao ) (1) − 2 (y 2 − a1 x 2 − ao ) (1) − ∂ ao ...2 (y 3 − a1 x3 − ao ) (1) − 2 (y 4 − a1 x 4 − ao )(1) 1 2 o 3 1 3  x1  x2 x3  x4 (4) y las componentes del gradiente (4) se obtienen como: 22 Las formas anteriores (5.a) y (5.b) se pueden escribir en una sola expresión matricial: [(y − a x − a ) (y − a x − a ) (y − a x − a ) (y − a x − a )] El gradiente de SS:  ∂ SS   ∂ a  0  ∇SS =  1  =    ∂ SS  0  ∂ a o  (5.b) 1 1 o 1 4 4 o 4 1 1  = [0 1  1 1 4 0] (6) y al transponer (6):  x1 x2 x3 1 1 1   y1 − a1 x1 − ao    x4   y 2 − a1 x 2 − ao  0 = 1   y3 − a1 x3 − ao  0    y 4 − a1 x 4 − ao  (7) Se puede arreglar (7) y obtener una forma condensada de la solución para a1 y ao. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 o �Salvador Acha Daza, Diana Acha Izquierdo  y1  x1     x 1 x 2 x 3 x 4   y 2  x 2  1 1 1 1   y  −  x3   3  y 4  x 4  1.0  1.8  x=  2.0   3.0   1   1  a1   0 = 1 a o   0   1  1.0   3. 0  y=  1.8    2.9 (8) Llamando A a la matriz que tiene la información de la medición en variable independiente x, como At a la matriz que presenta en forma de renglones las columnas de A y al vector de información de medición en la variable dependiente y, se tiene: A t (y − A a) = 0 (9) At y − AtA a = 0 (10) con solución: ( a = At A ) −1 At y (11) La dimensión de A depende de n número de observaciones y del número de coeficientes a determinar. EJEMPLOS a) Para ilustrar la aplicación de (11) se propone los siguientes pares de valores medidos, para la variable independiente x y el correspondiente valor de la variable dependiente y. xi yi 1.0 1.0 1.8 3.0 2.0 1.8 3.0 2.9 Los arreglos de información, para n = 4: Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 1.0 1.8 A= 2.0  3.0 1 1 1  1 1.0 1.8 2.0 3.0 At =  1 1 1  1 1.0 1.8 1 . 0 1 . 8 2 . 0 3 . 0    At A =  1 1 1  2.0 1  3.0 −1  0.49261 t [A A] = − 0.96059 1 1 17.24 7.80 = 1  7.80 4.00  1 − 0.96059 2.12315  1.0    1.0 1.8 2.0 3.0 3.0  18.7  = At y =  1 1 1  1.8   8.7  1   2.9 [ ] −1 t  a1  t A y a  = A A  o  a1  17.24 7.80 a  =  7.80 4.00   o  −1 18.7   8.7    23 �Ajuste de datos experimentales por medio de mínimos cuadrados: Parte I  a 1  0.85468 a  = 0.50837   o  Dato Con solución para los coeficientes a1 y ao, que resultan en la recta y = 0.85468 x + 0.50837. Una gráfica de la recta ajustada y de los valores observados se muestra en la figura 2. 4 3.5 3 x(i) Ln[x(i)] y(i) Ln[y(i)] 1 1.00000 0.00000 148.00 4.99721 2 2.00000 0.69315 1487.00 7.30452 3 3.00000 1.09861 3807.00 8.24460 4 4.00000 1.38629 10498.00 9.25894 5 5.00000 1.60944 17551.00 9.77287 6 6.00000 1.79176 34057.00 10.43579 7 7.00000 1.94591 48905.00 10.79763 8 8.00000 2.07944 76987.00 11.25139 9 9.00000 2.19722 109193.00 11.60087 10 10.00000 2.30259 147413.00 11.90099 2.5 Matriz de información A usando Ln (x) 2 1.5 0.00000 1.00000 1 0.69315 1.00000 1.09861 1.00000 1.38629 1.00000 1.60944 1.00000 1.79176 1.00000 1.94591 1.00000 2.07944 1.00000 2.19722 1.00000 2.30259 1.00000 0.5 0 -0.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Fig. 2. Gráfica de función ajustada y = 0.85468 x + 0.50837 y las mediciones. b) Modelo no-lineal, observaciones originales (x,y) y transformaciones logarítmicas, pag. 123, Ref. [1]. La matriz A transpuesta 0.00000 0.69315 1.09861 1.38629 1.60944 1.79176 1.94591 2.07944 2.19722 2.30259 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 24 Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Salvador Acha Daza, Diana Acha Izquierdo Dato Aty 1 158.68420 2 95.56481 Coeficientes solución a(i) 1 2.96514 2 5.07782 Fig. 4. Datos observados y vs. x, Ejemplo 2. Fig. 3. Ajuste de datos transformados a una forma lineal Ln[y] = 2.96514 Ln[x] + 5.07782. Para este segundo ejemplo se observa que una transformación logarítmica en ambas variables permite tener un problema lineal de dos coeficientes. El ajuste que se logra se puede observar en la figura 3. En las figuras 4 y 5 se muestran los datos originales y el efecto de la transformación logarítmica sobre los datos originales. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Fig. 5 Datos transformados Ln[y] vs. x, Ejemplo 2. 25 �Ajuste de datos experimentales por medio de mínimos cuadrados: Parte I CONCLUSIONES REFERENCIAS En el trabajo se han presentado las ideas fundamentales para el ajuste de datos experimentales a polinomios o formas no lineales, que forman un sistema lineal en los coeficientes. Se desarrolló de manera detallada el procedimiento para obtener las fórmulas matriciales generales las cuales permiten resolver este importante problema en la práctica de la ingeniería y de la ciencia. Al tener un mayor número de mediciones, se aumenta la REDUNDANCIA y se puede aplicar pruebas de hipótesis sobre los coeficientes y detección de datos erróneos. También se puede asignar un mayor peso o "credibilidad" que refleje la calidad de la medición; con este procedimiento se obtiene el resultado que se conoce como mínimos cuadrados ponderados. 1. Stephen A. DeLurgio, Forecasting Principles and Applications, McGraw-Hill International Editions, 1998. 26 2. Masterton, Slowinski, Elementary Mathematical Preparation for General Chemistry, Saunders Golden Series, 1974. 3. V. P. Spiridonov, A. A. Lopatkin, Tratamiento Matemático de Datos Físico-Químicos, Editorial MIR, Moscú, 1973. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Autoafinidad de superficies de fractura en materiales plásticos♦ Martín Edgar Reyes Melo* Carlos Guerrero Salazar* Abstract The self-affine behavior of fracture surfaces of polymeric materials was qualitative and quantitatively determined. SEM images of fracture surfaces of both isotactic polypropylene (iPP) and polystyrene (PS) shown Chevron marks at several magnifications. In addition, for polystyrene the mirror and Hackel zones were also observed. For quantitative analysis, the average roughness exponent, ζ, of height profiles generated by AFM images, was estimated applying the variable bandwidth method. Values of ζ=0.788 were obtained for i-PP. In PS ζ=0.810 for Hackel zone and ζ=0.805 in mirror zone. These results are in very good agreement with the claimed universal exponent of 0.8 reported in the literature for other non-polymeric materials. Keywords: Self-Affinity, surface, roughness exponent,♦ plastic materials. fracture, INTRODUCCIÓN Las superficies de fractura contienen valiosa información acerca de los mecanismos que la generan, así como de la relación existente entre microestructura y propiedades mecánicas. En 1984 B.B. Mandelbrot utilizó la Geometría Fractal para caracterizar superficies de fractura en un acero.1 Un objeto fractal presenta una dimensión fraccionaria (dimensión fractal) y muestra exactamente el mismo aspecto a cualquier grado de magnificación ♦ Proyecto galardonado con el Premio de Investigación UANL 1999 en la categoría de Ingeniería y tecnología, otorgado en Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL en septiembre de 2000. Publicado en la revista CIENCIA UANL Vol. IV, No. 1 Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Microscopio de fuerza atómica. Laboratorios Doctorado de Materiales de la FIME - UANL del o escala que se le observe, esta propiedad se conoce como autosimilitud.2 En la naturaleza no existe la autosimilitud estricta, ya que la irregularidad de los objetos reales es anisotrópica, lo que da origen a una autosimilitud estadística o autoafinidad. En un objeto autoafin la distribución de probabilidad de una parte pequeña es congruente con la distribución de probabilidad de todo el objeto.3 Las superficies autoafines se observan como fluctuaciones perpendiculares con respecto a un plano de referencia. Dichas fluctuaciones de alturas, a través de una determinada longitud de escala (r) cuya dirección es paralela al plano de referencia, propiedades de escalamiento presentan* caracterizadas por un exponente de rugosidad (ζ) cuya magnitud se encuentra entre 0 y 1. Cuando ζ=1 la superficie es completamente lisa. Si ζ disminuye, la rugosidad aumenta.3 El comportamiento autoafin en superficies reales se presenta hasta una determinada longitud en la escala * Doctorado en Ingeniería de Materiales FIME-UANL. 27 �Autoafinidad de superficies de fractura en materiales plásticos denominada longitud de correlación (ξ). Por encima de dicho parámetro las superficies se consideran objetos planos y su dimensión es igual a 2.4,5,6,7 Las superficies de fractura son objetos autoafines. En materiales como los metales y cerámicos dichas superficies exhiben un exponente de rugosidad ζ≅0.8 a lo largo de 2 o 3 décadas en la longitud de escala, lo cual permitió establecer la conjetura de universalidad para dicho exponente, independientemente del tipo de material y del modo de fractura.5 Este régimen de autoafinidad se encuentra bajo condiciones de propagación de grieta muy elevada (no controlada) y/o a longitudes en la escala del orden de los micrómetros.6 El objetivo del presente trabajo es determinar si existe autoafinidad en las superficies de fractura de materiales plásticos, específicamente en Polipropileno Isotáctico (i-PP) y Poliestireno (PS). Lo anterior se logrará mediante la estimación del exponente de rugosidad, empleando el método de ancho de ventana variable en perfiles de alturas correspondientes a las superficies de fractura obtenidos con el Microscopio de Fuerza Atómica (MFA) en su modalidad de contacto. Previo a lo anterior se efectuó un análisis de las superficies de fractura mediante Microscopía Electrónica de Barrido (MEB). Con lo que se determinó de manera cualitativa la existencia de un comportamiento autoafín en dichas superficies. Debido a que los materiales plásticos no conducen la electricidad, el análisis cuantitativo de sus superficies mediante MEB y Microscopía de Tunelamiento (MT), arrojan resultados de dudosa precisión. Por otra parte, debido a su principio físico de operación que consiste en fuerzas atractivas y repulsivas entre una punta y la muestra, el MFA constituye una potente herramienta en el análisis de superficies de materiales conductores y no conductores. 8,9 28 MICROSCOPIO (MFA) DE FUERZA ATÓMICA El MFA se fundamenta en la medida de fuerzas repulsivas o atractivas entre una punta y la muestra. La punta se monta sobre una viga flexible o cantilever, cuya geometría y propiedades del material de construcción hacen posible que sea sensible a las fuerzas interatómicas (10-9-10-7N). La figura 1 es una imagen mediante MEB de una punta tipo Microlever, este tipo de puntas se fabrican a base de Si, SiO2 y SiO3. Fig. 1. Imagen de una punta tipo Microlever, mediante MEB a 5000X. La interacción entre la punta y la muestra da como resultado la presencia de fuerzas de Van der Waals y fuerzas de capilaridad o atractivas, estas últimas están asociadas a la presencia de capas de líquido sobre la superficie. A medida que la punta se aproxima a la muestra, las fuerzas de Van der Waals eventualmente se van haciendo repulsivas. Cuando la punta "está en contacto" con la muestra y en ausencia de capas de líquido sobre la superficie, las fuerzas repulsivas dominan el sistema, ejerciendo una fuerza total neta positiva sobre el cantilever, tal y como se muestra en la figura 2. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Martín Edgar Reyes Melo, Carlos Guerrero Salazar muestra se coloca sobre un escáner responsable de los desplazamientos que se suscitan debajo de la punta durante el barrido; al flexionarse el cantilever debido a la topografía de la muestra que está siendo rastreada, la posición del punto del haz reflejado en el fotodetector indica cuánto se flexiona el cantilever. El escáner mueve la muestra hacia arriba o hacia abajo con el fin de mantener la flexión constante. Este movimiento coincide con la topografía de la superficie y la señal obtenida se digitaliza con el propósito de construir imágenes de la superficie. La imagen se construye con una variedad de tonos de grises, entre más brillante es el tono, el sitio a que corresponde es más alto. Fig. 2. Gráfico de fuerza vs distancia entre la muestra y la punta del MFA. De acuerdo con la distancia de separación entre la muestra y la punta será el tipo de fuerza presente, debido a esto, el MFA puede ser operado de 2 maneras fundamentales. La modalidad de contacto (C-MFA) y la modalidad de no contacto (NCMFA). Existe una tercera, que es el resultado de una modificación de esta última, conocida como modo intermitente (I-MFA). En la actualidad existen más modalidades de operación que se han desarrollado para un mejor análisis superficial, entre las cuales tenemos, el modo de fuerza lateral, el modo de fuerza magnética y también metodologías desarrolladas para casos muy específicos de análisis, principalmente en el área de biomateriales, materiales semiconductores y catalizadores. En C-MFA, las fuerzas de interacción entre la punta y la muestra son de tipo repulsivo. Debido a que la posición de la punta en el extremo del cantilever, responde a los picos o valles de la superficie de la muestra, el cantilever se flexiona. Dichas flexiones se monitorean haciendo incidir un haz de láser justo en la parte superior de la punta, donde el haz se refleja y alinea hacia un fotodetector sensitivo de posición. Por otra parte, la Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 La figura 3 muestra un esquema general para este modo de operación. Fig. 3. Esquema del C-MFA. En la figura 4 se muestra un patrón de barrido del escáner, el cual se mueve a través de la primera línea del barrido y regresa. Después da un paso en dirección perpendicular a la segunda línea de barrido y así sucesivamente. 29 �Autoafinidad de superficies de fractura en materiales plásticos Fig. 4. Perfiles de alturas generados en C-MFA. La dirección de barrido en la cual se adquiere la información se llama dirección de barrido rápido y de barrido lento para la dirección perpendicular. El tamaño de paso es la distancia entre cada punto donde se colecta la información durante el barrido. Por ejemplo, si consideramos una imagen tomada con 512 por 512 datos puntuales, un barrido de 1 µm x 1 µm tendrá un tamaño de paso y una resolución lateral de 20 Å aproximadamente. Las puntas disponibles comercialmente pueden tener un radio de 50 Å; el área de interacción entre punta y muestra es la de un círculo de este orden de magnitud, por lo tanto estas puntas proveen a las imágenes una resolución lateral de 10 a 20 Å. Por otra parte se encuentra la sensibilidad del fotodetector, que en este caso puede medir desplazamientos de luz tan pequeños como 10 Å.8,10 La razón de la trayectoria longitudinal entre el cantilever y el detector hacia la longitud del cantilever mismo, produce una amplificación mecánica. Como resultado de esto, el sistema puede detectar movimientos verticales del orden de subangstroms en la punta.10 EXPERIMENTACIÓN Se seleccionaron para el desarrollo del presente trabajo i-PP y PS. Estos materiales plásticos se encuentran entre los de mayor consumo en el 30 ámbito mundial, además de que representan de una manera relativa a los dos extremos posibles en cuanto al grado de cristalinidad que dichos materiales pueden desarrollar, siendo el i-PP uno de los que con mucha facilidad forman cristales y por otra parte el PS se encuentra entre los que se consideran completamente amorfos (0% de cristalinidad). El i-PP utilizado fue de grado inyección. En lo referente al PS, éste fue de grado "cristal". La caracterización de estos materiales se llevó a cabo mediante espectrometría de infrarrojo, cromatografía de permeación en gel (GPC) y calorimetría diferencial de barrido (DSC).11 Los espectros obtenidos mediante espectrometría de infrarrojo fueron comparados con sus respectivos estándares, los cuales coincidieron. Los resultados obtenidos mediante GPC, muestran un peso molecular promedio de 60,359 g/mol para el i-PP y de 76,755 g/mol para el PS; el índice de polidispersidad fue de 5.1 y 3.1 respectivamente. En lo referente al DSC se obtuvo un punto de fusión para el i-PP de 165°C con un grado de cristalinidad del 46.7% y para el PS se determinó la temperatura de transición vítrea (Tg) que fue de 86°C. Los resultados anteriores nos permiten corroborar que los materiales analizados son los propuestos. Para la obtención de las superficies de fractura se construyeron probetas en forma de filamentos de 1mm de diámetro y 20mm de longitud. Para tal efecto se hizo fluir material fundido a través de un capilar a una temperatura de 190°C para el caso del i-PP y de 180 °C para el PS. A la salida del capilar los filamentos obtenidos fueron enfriados hasta la temperatura ambiente. Posteriormente las probetas fueron enfriadas en nitrógeno líquido durante 15 minutos. Las superficies de fractura se generaron por flexión de las probetas sin un control de la carga aplicada, generándose una propagación de grieta de Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Martín Edgar Reyes Melo, Carlos Guerrero Salazar velocidad no controlada y sin una dirección preferencial. Para el análisis mediante MEB algunas superficies de fractura fueron cubiertas con una capa delgada de oro. Para el análisis cuantitativo de las superficies de fractura se construyeron imágenes en el MFA en su modalidad de contacto, sin vacío y a temperatura ambiente. Se utilizaron muestras fracturadas sin recubrimiento metálico. Previo al análisis cuantitativo de las superficies de fractura, primero se determinaron las condiciones óptimas de operación del MFA en su modalidad de contacto, ya que debido a lo blando de dichas superficies la punta del MFA puede dañarlas muy fácilmente. Las muestras utilizadas para este caso fueron en forma de película, las cuales fueron llevadas hasta su estado fundido a una temperatura de 190°C para el i-PP y de 180°C para el PS y posteriormente enfriadas hasta la temperatura ambiente. Las condiciones de operación mediante las cuales se obtuvieron imágenes claras y nítidas de las películas antes mencionadas, con la restricción de que la punta del MFA no cause daño alguno, fueron declaradas como óptimas y se utilizaron posteriormente para el análisis de las superficies de fractura. Dichas condiciones fueron de una fuerza que se encuentra en un intervalo de 8 a 15 x 10-10N y una frecuencia de barrido entre 1 a 1.5 Hz. El cantilever utilizado tiene una constante de fuerza de 0.05±0.02 N/m. El intervalo de fuerzas en que se operó el MFA en su modalidad de contacto es muy diferente a los valores más comúnmente usados de 10-7 a 10-6 N para el caso de materiales muy duros como los metales y los cerámicos.10-13 En lo referente a la frecuencia de barrido, a medida que ésta es menor se obtiene una mejor lectura de datos, sin embargo el barrido es más lento, adhiriéndose basura en la punta e interfiriendo esto en la lectura de datos. Las Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 imágenes así obtenidas no son muy claras, por lo que se hace difícil llevar a cabo mediciones cuantitativas confiables. Las figuras 5a y 5b muestran la superficie de una película de i-PP y de PS respectivamente, obtenidas bajo las condiciones óptimas de operación encontradas. La figura 5a muestra la superficie de tipo esferulítico para el i-PP. Se observa de manera clara la orientación radial de las estructuras laminares que conforman a las esferulitas, lo que permite también distinguir la frontera entre ellas. Fig. 5a. Película de i-PP La figura 5b es una imagen típica de la superficie de PS que se caracteriza por ser amorfa, observándose la ausencia de algún orden cristalino. Para el análisis cuantitativo de las superficies de fractura, se tomaron 15 imágenes en 5 zonas diferentes sobre cada superficie analizada, variando el tamaño del barrido del escáner desde 10 µm x 10 µm hasta 2.3 µm x 2.3 µm. Aunque fue posible obtener imágenes a barridos inferiores de 2.3 µm x 2.3 µm, éstas no presentan la suficiente claridad y nitidez, por lo que no fueron consideradas para la estimación del exponente de rugosidad. Por cada imagen se tomaron 6 perfiles de alturas (512 31 �Autoafinidad de superficies de fractura en materiales plásticos pixeles/perfil) en la dirección de barrido rápido por parte del escáner. de contacto. Las figuras 6a y 6b son imágenes tomadas mediante MEB, en la que se muestran una serie de curvas irregulares. Estas líneas se denominan marcas de Chevron, indicando la dirección en que se propagó la grieta o el frente de grieta y también en dónde se originó.16 La figura 6a corresponde a una superficie de fractura de i-PP. En el extremo contrario a donde convergen las marcas de Chevron se observan una serie de morfologías cuya apariencia es en forma de escalones. Estas morfologías se han reportado en superficies de fractura de aleaciones metálicas como el resultado de la propagación de grietas en diferentes planos.16 Fig. 5b. Película de PS. La estimación del exponente de rugosidad promedio en cada muestra se llevó a cabo utilizando el método de ancho de ventana variable, Zmax, en cada perfil de alturas, cuyo algoritmo está representado por la ecuación 1.9,11,14,15 Zmax(r) = Max{Z(r' )}x<r' <x+r − Min{Z(r' )}x<r' < x+r α rζ (1) En donde Zmax representa la máxima diferencia de alturas en una ventana de ancho r a lo largo del perfil de alturas. Una vez calculados los valores de Zmax para las 511 ventanas posibles de los 512 datos de las alturas correspondientes en cada perfil, se graficó en escala log-log Zmax vs r, obteniéndose un comportamiento lineal. La pendiente promedio para cada muestra es la magnitud del exponente de rugosidad promedio. RESULTADOS Las superficies de fractura del i-PP y del PS se analizaron mediante MEB y MFA en su modalidad 32 Fig. 6a. Superficie de fractura de i-PP a 100X. La figura 6b corresponde a una superficie de fractura de PS, se distinguen 2 zonas, una cercana en donde se originó la propagación del frente grieta y que tiene apariencia más lisa que la otra zona. Se observan también las marcas de Chevron aunque no tan definidas como en el caso del i-PP, sin embargo en imágenes no mostradas aquí a magnificaciones mayores si es posible identificarlas. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Martín Edgar Reyes Melo, Carlos Guerrero Salazar Las 2 zonas antes mencionadas son idénticas a las morfologías reportadas en superficies de fractura de vidrio. En todas las imágenes analizadas en el MEB, las superficies de fractura muestran morfologías similares inclusive a diferentes magnificaciones. Esto puede considerarse como una evidencia cualitativa de un comportamiento autoafin en dichas superficies. En lo referente al análisis cuantitativo mediante C-MFA, se construyeron imágenes tridimensionales que permiten observar la distribución de alturas de las superficies de fractura. La figura 7a es una imagen de superficie de fractura de i-PP, se observa la topografía resultante del proceso de propagación de grieta que dio origen a dicha superficie. Fig. 6b. Superficie de fractura de PS a 100X. La zona de apariencia más lisa se denomina zona espejo y la otra zona Hackel, dichas morfologías son el resultado de los mecanismos de propagación del frente de grieta.17 La presencia de estas 2 zonas se explica sobre la base de que cuando la velocidad de propagación del frente de grieta alcanza su valor máximo, la energía que se está liberando en el transcurso de la fractura, ya no puede ser utilizada para incrementar la velocidad de propagación de la grieta, entonces dicha energía es utilizada para desarrollar otros mecanismos de propagación, obteniéndose morfologías diferentes que se caracterizan por ser más irregulares que las obtenidas en la zona espejo. El tamaño de estas zonas está directamente relacionado con el esfuerzo que genera la fractura además se ha demostrado que el frente de grieta se propaga como si el material fuese de tamaño infinito, por lo que la presencia o no de dichas zonas en materiales como el vidrio o cerámicos depende del tamaño de estos. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Fig. 7a. Superficie de fractura de i-PP. Barrido de 10µm x 10µm. La figura 7b muestra la topografía correspondiente a una superficie de fractura de PS, la cual corresponde a la zona más irregular (zona Hackel). Imágenes no mostradas aquí muestran que al efectuar barridos de menor tamaño sobre cada una de las zonas analizadas, tanto para el i-PP como para el PS se siguen observando detalles que reflejan la irregularidad de dichas superficies, esto puede considerarse como un indicador cualitativo de que existe autoafinidad. 33 �Autoafinidad de superficies de fractura en materiales plásticos Fig. 7b. Superficie de fractura de PS, correspondiente a la zona Hackel. Barrido de 4.2µm x 4.2µm. Fig. 8b. Perfiles de alturas que corresponden a las líneas horizontales que se muestran en la figura 8a. En la figura 8a se muestra una imagen 2D correspondiente a la figura 7a, sobre esta imagen se observan 6 líneas horizontales seleccionadas aleatoriamente, dichas líneas constituyen perfiles de alturas los cuales se muestran en la figura 8b. cada muestra y para el caso del PS dicho parámetro se calculó por separado para la zona más irregular (zona Hackel) y la zona menos irregular (zona espejo). Las figuras 9a, 9b y 9c muestran los resultados obtenidos del análisis de autoafinidad para las superficies de fractura del i-PP y el PS. La figura 9a muestra el gráfico de Zmax vs r en escala log-log, correspondiente a la superficie de fractura del i-pp. Se observa una línea a lo largo de 2 décadas en la longitud de escala desde 0.02µm hasta 1µm. Fig. 8a. Imagen 2D que corresponde a la figura 7a. Perfiles de alturas similares fueron construidos en cada una de las imágenes obtenidas para cada una de las zonas analizadas, a los diferentes tamaños de barrido, con la finalidad de estimar un valor promedio del exponente de rugosidad para 34 Fig. 9a. Gráfico de Zmax vs r. Superficie de fractura de iPP. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Martín Edgar Reyes Melo, Carlos Guerrero Salazar La figura 9b es el gráfico correspondiente a la zona Hackel del PS, obteniéndose también una línea recta desde 6x10-2µm hasta 2µm. efectuar análisis de las superficies a tamaños de barrido mayores a 10µm x 10µm, lo cual es una limitante para el escáner de nuestro MFA. Pero si es factible verificar el objetivo de nuestro trabajo, que es la presencia o ausencia de un comportamiento autoafin. Fig. 9b. Gráfico de Zmax vs r. Superficie de fractura de PS. Zona Hackel. La figura 9c es el gráfico correspondiente a la zona espejo del PS, a lo largo de una longitud en la escala que va desde 0.002µm hasta 0.1µm. La pendiente de las líneas obtenidas es el exponente de rugosidad promedio. Para el i-PP se obtuvo un ζ=0.788±0.008 y para el PS, en la zona Hackel ζ=0.810±0.023 y de ζ=0.805±0.023 en la zona espejo. En los 3 casos el exponente de rugosidad medido es muy aproximado al valor considerado como universal y que ha sido reportado para superficies de fractura de materiales no poliméricos.4,5,6,7 Para la zona menos irregular (zona espejo) el intervalo de longitud en la escala donde se tiene el respectivo exponente de rugosidad se ubica a valores más pequeños que el intervalo de las zonas más irregulares (zona Hackel), esto probablemente se debe a que estas zonas presentan longitud de correlación diferente, sin embargo, no se puede afirmar, para corroborarlo es necesario Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Fig. 9c. Gráfico de Zmax vs r. Superficie de fractura de PS. Zona espejo. En todos los perfiles analizados, no se encontró dependencia del exponente de rugosidad con respecto a alguna dirección en particular de dichos perfiles sobre la superficie de fractura, lo cual se considera como una consecuencia de la propagación de grietas sin una dirección preferencial. Cabe hacer mención que debido que el escáner del MFA solo permite obtener barridos con un tamaño máximo de 10µm x 10µm, no fue posible evaluar la longitud de correlación, es decir hasta dónde en la longitud de escala se mantiene el comportamiento autoafin. En trabajos futuros, estos deberán enfocarse a la obtención de dicho parámetro, así como también la evaluación de superficies de fractura que deberán ser generadas con velocidad de propagación de grieta controlada. 35 �Autoafinidad de superficies de fractura en materiales plásticos CONCLUSIONES La optimización de las condiciones de operación del MFA en su modalidad de contacto, para con los materiales plásticos bajo estudio, permite concluir que es posible analizar sus superficies mediante esta técnica. Lo que permite llevar a cabo mediciones cuantitativas de las superficies de fractura, permitiendo además construir imágenes tridimensionales que muestran la microestructura de dichos polímeros. Las superficies de fractura de un material plástico semicristalino como el i-PP y de un material amorfo como el PS presentan un comportamiento autoafin con un exponente de rugosidad muy aproximado a 0.8, considerado como universal. En general se concluye que las superficies de fractura de los materiales plásticos analizados bajo condiciones de fractura no controlada, presentan un comportamiento autoafin como el que se ha reportado para materiales metálicos y cerámicos bajo condiciones de propagación de grieta no controlada, reforzando con esto la conjetura de universalidad del exponente de rugosidad para superficies de fractura independientemente del tipo de material. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo financiero de CONACYT bajo el proyecto 28288-U y la beca de postgrado 119799, así como el soporte de la UANL mediante el proyecto CA224-99 del PAICyT. REFERENCIAS 1. B.B. Mandelbrot, D.E, Passoja, and A.J. Paullay. Fractal character of fracture surfaces of metals. Nature. Vol.308. pp.721-722 (1984). 36 2. B.B. Mandelbrot. The fractal geometry of nature. Ed. Freeman and Co. San Francisco (1982). 3. J. Feder. Fractals. Ed. Plenum Press. New York (1988). 4. P. Daguier, S. Hénaux, E. Bouchaud, and F. Creuzet. Quantitative analysis of a fracture surface by atomic force microscopy. Phys. Rev. E.. Vol.53. pp.5637-5642 (1996). 5. E. Bouchaud. Scaling properties of crack. J. Phys. Condens. Matter. Vol.9. pp.4319-4344 (1997). 6. M. Hinojosa, E. Bouchaud, and B. Nghiem. Long distance roughness of fracture surfaces in heterogeneous materials. In fracture and ductile vs brittle behavior theory, modelling and experiments. Edited by G. L. Beltz, R. L. B. Selinger, K. S. Kim, M. P. Marder.. Master. Res. Soc. Proc.. Vol.539. pp 203-208. Boston, Massachusetts, USA. (1998). 7. P. Daguiler, B. Ngheim, E. Bouchaud, and F. Creuzet. Pinning/depinning of crack fronts in heterogeneous materials. Phys. Rev. Lett.. Vol.78. 1062 (1997). 8. D. Sarid. Scanning Force Microscopy. Oxford University Press, Inc. (1994). 9. V. González, M. Hinojosa, C. Guerrero, E. Reyes. Effect of the crystallization rate in the roughness of polypropylene films. Society of Plastic Engineers. 58th Annual Technical Conference. Proceedings, Vol. III. pp. 35943595. Orlando FL, May 2000. 10. User's guide to autoprobe CP and LS. Park Scientific Instruments. 1992-1995. 11. E. Reyes, Tesis (maestría), Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México (1999). Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Martín Edgar Reyes Melo, Carlos Guerrero Salazar 12. E. Reyes, C. Guerrero. Use of contact-atomic force microscopy in plastic material surface. Society of Plastic Engineers. 58th Annual Technical Conference. Proceedings, Vol. III, pp. 3631-3634. Orlando FL, May 2000. 13. E. Reyes, C. Guerrero, V. González, and M. Hinojosa. Self-affine measurements on the fracture surface of plastic materials by AFM. In multiscale phenomena in materials-experiments and modeling. Edited by I. M. Robertson, D. H. Lassila, B. Devincre, R. Philips. pp. 357-361. Master. Res. Soc. Proc. Vol. 578. Boston, Massachusetts, USA. (1999). 14. E. Reyes, C. Guerrero, M. Hinojosa and V. González. Surface analysis of polymeric materials: Roughness exponent. Society of plastic Engineers. 58th Annual Technical Conference. Proceedings, Vol. II. pp. 20512055. Orlando FL, May 2000. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 15. J. Schmittbuhl, J. B. Vilotte, S. Roux, Phys. Rev. E.. Vol.15 (1). pp.131-147 (1995). 16. R. W. Hertzberg, Fracture surface micromorphology in engineering solids. Fractography of moderns engineering materials: composite and metals. ASTM STP 948, J. E. Masters and J. J. Au, Eds., American society for testing and materials, Philadelphia. pp.5-36 (1987). 17. J. J. Mecholsky, Freiman, S. W., Rice, R. W. Fractographic analysis of ceramics. In Fractography in failure analysis. American Society of Testing and Materials. pp.363-379 (1978). 37 �Secuenciando óptimamente líneas de flujo en sistemas de manufactura♦ Roger Z. Ríos Mercado* Jonathan F. Bard** Abstract In this work we present an enumerative scheme based on branch and bound for solving one of the most important problems on machine scheduling. The problem addressed is the flow shop scheduling problem with sequence-dependent setup times and makespan minimization criteria. This problem is classified as hard to solve. Our work includes the development of lower and upper bounding schemes, dominance elimination criteria, and an intelligent partial enumeration strategy. All these components were fully integrated within a branch-and-bound frame, resulting in a very effective algorithm, which is evaluated in a wide range of problem instances. The numerical evaluation shows the overwhelming superiority of the proposed algorithm over existing approaches. Key words operations research, manufacturing systems, flow shop scheduling, ♦sequencedependent setup times, branch and bound de la máquina o estación entre una tarea y otra puede depender en gran medida de la secuencia de éstas. Por lo tanto, un modelo que maneje esta propiedad “dependiente de la secuencia de tareas” se convierte en crucial para encarar el problema. Propiedades de dependencia de secuencia son factores relevantes en otros campos. Por ejemplo, la programación de un aeroplano llegando o saliendo del área en la terminal puede modelarse como un problema de secuenciamiento de tareas en una máquina.* Debido a que las separaciones de tiempo entre aviones sucesivos pertenecientes a diferentes categorías tienen que ser cambiados de acuerdo a su respectiva posición, los tiempos de preparación dependientes de la secuencia deben ser tomados en cuenta para una descripción más realista del problema.1 En este artículo planteamos el problema de encontrar una secuencia de n tareas en un ambiente de línea de flujo (flow shop) de m máquinas con tiempos de preparación dependientes de la 1. INTRODUCCIÓN En muchos ambientes de manufactura tales como aquellos provenientes de las industrias química, farmacéutica y de procesamiento de productos, es común que en las instalaciones se lleven a cabo diversos tipos de operaciones. En este caso, el uso de un sistema para producir, por ejemplo, diferentes compuestos químicos puede requerir algún trabajo de limpieza entre el procesamiento de éstas, y el tiempo de preparación ♦ Proyecto galardonado con el Premio de Investigación UANL 1999 en la categoría de Ciencias Exactas, otorgado en Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL en septiembre de 2000. Publicado en la revista CIENCIA UANL Vol. IV, No. 1 38 * Programa de Posgrado en Ingeniería de Sistemas, FIME-UANL ** Programa de Posgrado en Investigación de Operaciones, Universidad de Texas en Austin. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Roger Z. Ríos Mercado, Jonathan F. Bard secuencia que minimice el tiempo de procesamiento de todas las tareas, también conocido como makespan Cmax. Matemáticamente, el problema consiste en encontrar una permutación de las tareas que resulte en un tiempo mínimo de procesamiento de todas ellas, el cual es un problema típico de la rama de optimización combinatoria. Denominaremos este problema como SDSTFS por sus siglas en inglés (sequence-dependent setup time flow shop). Este problema, como muchos otros en el campo de secuenciamiento de sistemas de manufactura es sumamente difícil de resolver ya que está clasificado técnicamente como NP-difícil. Sin entrar en detalles técnicos, se dice que un problema es NP-difícil cuando se demuestra que cualquier algoritmo de solución tiene un tiempo de ejecución que aumenta, en el peor de los casos, exponencialmente con el tamaño del problema. Véase Garey y Johnson2 para un tratado más amplio del tema de complejidad computacional. El que un problema esté catalogado como NP-difícil no significa que no pueda resolverse, sino que uno debe de proponer algoritmos de solución que exploten favorablemente la estructura matemática del problema para que sean capaces de resolver la mayoría de las instancias del problema en tiempos de ejecución relativamente pequeños. Ese es precisamente el reto. El objetivo de este artículo es presentar una técnica de optimización exacta para el SDSTFS basado en la metodología de ramificación y acotamiento, la cual es un esquema que enumera inteligentemente de forma implícita todas las posibles soluciones. Nuestro trabajo incluye la derivación y desarrollo de los componentes esenciales de esta metodología incluyendo procedimientos de acotamiento inferior, acotamiento superior y eliminación por dominio. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Es importante destacar la marcada importancia que tiene el desarrollo de cotas inferiores en problemas de optimización. Una buena cota, al emplearse dentro de un método enumerativo de optimización exacta como ramificación y acotamiento, puede producir soluciones óptimas o cercanas al óptimo en tiempos relativamente pequeños ya que ésta ayuda a eliminar un número muy grande de soluciones factibles. En contraste, una cota inferior de pobre calidad tiene prácticamente un impacto nulo ocasionando que el algoritmo de optimización termine por examinar un número exponencial de soluciones factibles antes de llegar al óptimo lo cual implica en consecuencia un tiempo de ejecución relativamente grande. El arte de saber derivar y generar cotas inferiores de buena calidad es una de las áreas de investigación de mayor importancia en el campo de optimización. Como se demuestra en la evaluación numérica, el algoritmo propuesto representa un avance significativo y contundente al estado del arte ya que éste es capaz de resolver instancias del problema de tamaño mucho mayor que las instancias que habían sido resueltas anteriormente con otros métodos. Una de las razones primordiales para el éxito de nuestro algoritmo es que fuimos capaces de desarrollar una cota inferior que supera notablemente a las cotas inferiores desarrolladas anteriormente por otros investigadores. El resto del artículo está organizado como sigue. El trabajo de investigación más relevante en el área de secuenciamiento en líneas de flujo se presenta en la Sección 2. En la Sección 3, introducimos la definición matemática formal del problema. En la Sección 4, presentamos la metodología de solución: nuestro algoritmo de ramificación y acotamiento. La Sección 5 le sigue con la evaluación computacional y discusión de resultados, para 39 �Secuenciando óptimamentente líneas de flujo en sistemas de manufactura concluir en la Sección 6 con nuestras conclusiones y recomendaciones de investigación a futuro. 2. TRABAJO RELACIONADO La investigación en el campo de secuenciamiento y programación de tareas (sequencing and scheduling) ha sido muy amplia. Un panorama excelente en el tema, incluyendo resultados de complejidad computacional, esquemas de optimización exacta y algoritmos de aproximación puede encontrarse en el trabajo de Lawler et al.3 Allahverdi et al.4 presentan una completísima actualización de problemas de secuenciamiento que involucran tiempos de preparación. Hasta donde sabemos, no se han desarrollado a la fecha métodos efectivos para resolver óptimamente el SDSTFS. Algunos esfuerzos por resolver el problema han sido realizados por Srikar y Ghosh,5 y por Stafford y Tseng6 en términos de resolver formulaciones de programas enteros mixtos. Srikar y Ghosh introdujeron una formulación que requiere solo la mitad de variables enteras que las que requiere la formulación tradicional. Usaron este modelo y el optimizador de programas enteros mixtos de SCICONIC/VM (basado en ramificación y acotamiento) para resolver varias instancias del SDSTFS. La instancia más grande que pudieron resolver fue una de 6 tareas y 6 máquinas en aproximadamente 22 minutos de tiempo de ejecución en una computadora Prime 550. Posteriormente, Stafford y Tseng corrigieron un error en la formulación Srikar-Ghosh, y, usando el optimizador LINDO, lograron resolver una instancia de 5 máquinas y 7 tareas en cerca de 6 horas de tiempo de ejecución en una computadora personal (PC). 40 En7,8 desarrollamos un esquema de optimización de ramificación y corte con éxito limitado. Aún cuando encontramos que el algoritmo ahí propuesto arrojaba mejores resultados que los publicados anteriormente, fuimos todavía incapaces de resolver (o proveer un buen juicio de la calidad de las soluciones en términos del intervalo de optimalidad) instancias de tamaño moderado. La de mayor tamaño que pudimos resolver fue una de 6 máquinas y 8 tareas en 60 minutos de tiempo de ejecución en una Sun Sparcstation 10. Otros trabajos se han enfocado en heurísticas (algoritmos de soluciones aproximadas)9,10,11 y variaciones del SDSTFS. Véase4 para un extenso panorama. 3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA En un ambiente de línea de flujo, se tiene un conjunto de n tareas que deben ser secuenciadas en un conjunto de m máquinas, donde cada tarea tiene el mismo orden de ruteo a través de las máquinas, es decir, cada una de las tareas debe ser procesada primero en la máquina 1, luego en la 2, y así sucesivamente hasta la máquina m. Se asume Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Roger Z. Ríos Mercado, Jonathan F. Bard también que la secuencia de tareas en cada máquina es la misma y que cada máquina puede procesar una sola tarea a la vez. Dichas secuencias se denominan técnicamente secuencias de permutación. Las tareas están todas disponibles al inicio del proceso (tiempo cero) y no tienen tiempo límite de terminación o entrega. El tiempo de procesamiento de la tarea j en la máquina i se denota por pij. Asumimos también que hay un tiempo de preparación de la máquina y que éste depende del orden de la secuencia de tal modo que para cada máquina i hay un tiempo de preparación que debe preceder al inicio del procesamiento de una tarea dada que depende de ambos, la tarea a ser procesada (k) y la tarea que la precede (j). Este tiempo de preparación es denotado por sijk. Nuestro objetivo es encontrar una secuencia de tareas que minimice el tiempo de terminación de todas las tareas (también conocido como makespan), o equivalente, el tiempo de terminación de la última tarea en la secuencia en la última máquina. La función que desea minimizarse se le conoce como función objetivo. En la literatura de secuenciamiento, este problema se denota por SDSTFS (sequence-dependent setup time flow shop). Para un tratado más amplio de problemas de secuenciamiento véase el excelente texto de Pinedo.12 La Fig. 1 ilustra un ejemplo de 4 tareas y 3 máquinas, donde el makespan, para la secuencia mostrada es 58. M1 [1] M2 [2 ] [3] [1 ] [2 ] [3] [1 ] M3 10 [4] 20 [2 ] 30 [4 ] [3 ] 40 [4] 50 ' T ie m p o d e p r e p a r a c io n T ie m p o T ie m p o d e p r o c e sa m ie n t o Fig. 1. Ejemplo de una secuencia de 4 tareas en una línea de flujo de 3 máquinas Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 4. METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN El conjunto de soluciones factibles del SDSTFS se representa, desde un punto de vista combinatorio, cómo X = { conjunto de todas las posibles secuencias de n tareas }. Este conjunto es finito por lo que una solución óptima puede obtenerse por un método que enumere todas las posibles soluciones en X y reporte la que tenga el valor mínimo de la función objetivo. Este tipo de metodología es llamada enumeración. Sin embargo, una enumeración completa de todos los elementos de X es difícilmente práctica porque el número de soluciones a ser consideradas es típicamente enorme. En este caso, para n tareas, el número total de posibles secuencias es donde n!, n! = n(n − 1)(n − 2) ⋅ ! ⋅ 2 ⋅1 , es un número que crece exponencialmente. Por lo tanto, cualquier método que se jacte de ser efectivo debe ser capaz de detectar inteligentemente soluciones factibles dominadas por otras (es decir, que su valor en el objetivo sea peor) de tal modo que pueden ser excluídas de consideración explícita. Mientras más inteligente sea el algoritmo en detectar este tipo de relaciones, mayor será el número de soluciones factibles que podrán ser eliminadas y, por ende, menor será el tiempo de ejecución del algoritmo. Una de las técnicas enumerativas de mayor popularidad es la técnica de ramificación y acotamiento. Básicamente la técnica de ramificación y acotamiento consiste en un procedimiento iterativo de partición del dominio en dominios o subproblemas de menor tamaño. Al evaluar un subproblema dado (generado previamente por el proceso de partición o ramificación), en lugar de resolverlo óptimamente (lo cual requeriría de un esfuerzo computacional relativamente grande), se procede a encontrar una cota inferior del valor de la función objetivo del subproblema. Pueden suceder dos cosas. Si esta 41 �Secuenciando óptimamentente líneas de flujo en sistemas de manufactura cota resulta ser mayor o igual que el valor de la mejor solución factible encontrada hasta el momento, entonces eso significa que en dicho subproblema no puede encontrarse una solución mejor que la que se tiene. Por consiguiente se procede a descartarlo (descartándose de paso todos sus posibles subproblemas descendientes). Ahora bien, si la cota es menor que el valor de la mejor solución factible encontrada hasta ese momento, entonces se procede a ramificarlo en subproblemas (que tendrán a éste como generador) que posteriormente serán considerados. Una vez hecho esto el algoritmo selecciona otro subproblema de la lista de subproblemas que no han sido explorados. El algoritmo termina con una solución óptima del problema, o bien, al llegar a un tiempo límite máximo permitido, en cuyo caso se reporta la mejor solución factible encontrada (no necesariamente óptima). Un esquema de ramificación y acotamiento para problemas de minimización posee los siguientes componentes generales: • una regla de ramificación, la cual define particiones del conjunto de soluciones factibles en subconjuntos • una regla de acotamiento inferior, la cual provee una cota inferior en valor de cada solución en el subconjunto generado por la regla de ramificación • una estrategia de búsqueda, que selecciona uno de los subconjuntos previamente generados por la regla de ramificación y que aún no ha sido explorado Otros componentes adicionales como regla de eliminación por dominio y procedimiento de acotamiento superior pueden también estar presentes y, si se saben explotar adecuadamente, 42 pueden conducir a mejoras sustanciales en el rendimiento global del algoritmo. Los fundamentos de esta técnica aplicada a resolver problemas de optimización puede encontrarse en el trabajo de Ibaraki.13,14 Los detalles de nuestra contribución en el desarrollo de los componentes del algoritmo arriba mencionados para el SDSTFS se hallan en la referencia15. 5. TRABAJO EXPERIMENTAL Los procedimientos fueron codificados en lenguaje C++ y compilados con el compilador CC de Sun version 2.0.1, usando la opción de compilación –O en una SparcStation 10. Los tiempos de ejecución (CPU) fueron obtenidos con la función clock(). Para evaluar los procedimientos, se generaron aleatoriamente instancias del SDSTFS con los tiempos de procesamiento pij generados de acuerdo a una distribución de probabilidad discreta uniforme en el intervalo [20,100] y los tiempos de preparación sijk generados en el intervalo [20,40], lo cual es representativo de instancias reales como ha sido documentado en.16 En el experimento se pretende evaluar el rendimiento general del algoritmo completo de ramificación y acotamiento con todos sus componentes efectivamente integrados. Para una evaluación detallada de los componentes individuales (véase la referencia15). Los parámetros de detención del algoritmo se prefijan a 30 minutos como límite de tiempo de ejecución e intervalo de optimalidad relativa a 1%. El intervalo relativo de optimalidad nos indica que tan lejos está la solución encontrada del óptimo global. En este caso como no se conoce el óptimo global, el intervalo se calcula con respecto a una cota inferior, lo cual desde luego sobreestima el error. Mientras mayor sea este intervalo, mayor es Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Roger Z. Ríos Mercado, Jonathan F. Bard el error en la solución, naturalmente. El intervalo de optimalidad se calcula como ( mejor solucion factible − mejor cota inferior ) × 100% mejor cota inferior Por ejemplo, si en un problema dado, el algoritmo encuentra una solución factible con valor 250, y la mejor (más alta) de las cotas inferiores conocidas es 200, entonces el intervalo de optimalidad es 25% ((250-200)/200 x 100%). La Tabla 1 muestra un resumen de las estadísticas que se calcularon en base a 10 instancias para cada combinación de tamaño m × n mostrada. Como puede apreciarse, todas las instancias de 10 tareas fueron resueltas óptimamente en un tiempo promedio de menos de 5 minutos, lo cual se convierte en una mejora impactante al compararse con el trabajo previamente publicado. Como recordamos, el tamaño de la instancia más grande que había sido resuelta anteriormente era un problema de 6 máquinas y 8 tareas. De hecho, nuestro algoritmo fue capaz de resolver óptimamente el 43% de todas las instancias de 15 tareas, y el 23% de todas las instancias de 20 tareas. Finalmente, la Tabla 2 muestra el desempeño del algoritmo al aplicarse en instancias de 100 tareas. El 30% de las instancias de 2 máquinas fueron resueltas mientras que el 70% terminaron con un intervalo de optimalidad de 1.3% o mejor, es decir, prácticamente resueltas. En general, el intervalo de optimalidad promedio desde el inicio hasta la terminación del algoritmo mejoró en un 2.0%, 0.9% y 1.6% para las instancias de 2, 4 y 6 máquinas, respectivamente. 6. CONCLUSIONES Los resultados computacionales demostraron convincentemente la efectividad del algoritmo propuesto, resultando en una mejora impactante y significativa sobre el trabajo previamente publicado. El algoritmo fue capaz de resolver (con margen de optimalidad menor al 1%) el 100%, 43% y 23% de todas las instancias probadas de 10, 15 y 20 tareas, respectivamente. Además, en el caso de instancias de 100 tareas, nuestro algoritmo produjo soluciones con intervalos de optimalidad promedio de 1.4%, 4.2% y 6.0% al aplicarse a instancias de 2, 4 y 6 máquinas, respectivamente. Tabla 1: Evaluación del algoritmo Tamaño m×n 2 × 10 4 × 10 6× 10 2 × 15 4 × 15 6× 15 2× 20 4 × 20 6× 20 Intervalo de optimalidad (%) Tiempo (seg.) Instancias Mejor 0.3 0.8 0.9 Promedio 0.9 0.9 1.0 Peor 1.0 1.0 1.0 Mejor 1 2 29 Promedio 235 68 265 Peor 560 222 450 Resueltas (%) 100 100 100 0.0 0.9 1.0 1.0 2.2 2.9 2.6 4.5 4.5 3 7 38 725 1074 1624 1800 1800 1800 70 50 10 0.5 2.4 1.5 1.0 4.2 5.0 1.6 5.1 8.1 7 1800 1800 1298 1800 1800 1800 1800 1800 70 0 0 Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 43 �Secuenciando óptimamentente líneas de flujo en sistemas de manufactura Tabla 2: Evaluación del algoritmo en instancias de 100 tareas Tamaño m×n 2× 100 4× 100 6×100 Intervalo de optimalidad inicial (%) Mejor Prom. Peor 1.2 3.4 8.4 3.3 5.1 6.5 5.0 7.6 9.4 Intervalo de optimalidad final (%) Mejor Prom. Peor 0.6 1.4 2.1 2.3 4.2 5.7 4.3 6.0 7.2 Nuestras recomendaciones sobre trabajo a futuro se enfocan a considerar otro tipo de variaciones del problema estudiado, incorporando elementos que en ocasiones también aparecen en ciertos escenarios de manufactura. Por ejemplo, el introducir restricciones de fecha límite para la entrega de tareas restringe notablemente el conjunto de secuencias factibles. La introducción de estas fechas límite nos permite además considerar otro tipo de funciones objetivo como por ejemplo la minimización del número de tareas que terminan tarde, ó, si existe alguna penalización por entregar tareas tarde, la minimización de la penalización total. Otra de las variaciones del problema yace en el campo probabilístico o estocástico. Con frecuencia, los parámetros del sistema están sujetos a variaciones mayores y por tanto no puede considerarse que se conocen con certeza, tal y como se estudió en este trabajo. En consecuencia, los parámetros son en realidad variables aleatorias y como tal deben de modelarse y analizarse con métodos probabilísticos. Estas variaciones aquí mencionadas no han sido estudiadas aún y representarían desde luego una contribución importante en el campo de la programación y secuenciamiento de tareas en sistemas de manufactura. 44 Instancias resueltas (%) 30 0 0 AGRADECIMIENTOS La investigación del primer autor fue apoyada por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y por las becas E. D. Farmer y David Bruton otorgadas por la Universidad de Texas en Austin. El segundo autor fue apoyado por el Programa de Investigación Avanzada del Consejo Coordinador de Educación Superior de Texas. REFERENCIAS 1. R. D. Dear. The dynamic scheduling of aircraft in the near terminal area. FTL Report R76-9, Massachussetts Institute of Technology, Septiembre 1976. 2. M. R. Garey y D. S. Johnson. Computers and Intractability: A Guide to the Theory of NPCompleteness. Freeman, New York, 1979. 3. E. L. Lawler, J. K. Lenstra, A. H. G. Rinnooy Kan y D. Shmoys. Sequencing and scheduling: Algorithms and complexity. En S. S. Graves, A. H. G. Rinnooy Kan y P. Zipkin, editores, Handbook in Operations Research and Management Science, Vol. 4: Logistics of Production and Inventory, 445-522. NorthHolland, New York, 1993. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Roger Z. Ríos Mercado, Jonathan F. Bard 4. A. Allahverdi, J.N.D. Gupta y T. Aldowaisan. A review of scheduling research involving setup considerations. Omega, 27(2): 219-239, 1999. 5. B. N. Srikar y S. Ghosh. A MILP model for the n-job, m-stage flowshop with sequence dependent set-up times. International Journal of Production Research, 24(6):1459-1474, 1986. 6. E. F. Stafford y F. T. Tseng. On the Srikar-Ghosh MILP model for the N × M SDST flowshop problem. International Journal of Production Research, 28(10):1817-1830, 1990. 7. R. Z. Ríos-Mercado y J. F. Bard. The flowshop scheduling polyhedron with setup times. Reporte Técnico ORP96-07, Programa de Posgrado en Investigación de Operaciones, Universidad de Texas, Austin, EUA, Julio 1996. 8. R. Z. Ríos-Mercado y J. F. Bard. Computational experience with a branch-and-cut algorithm for flowshop scheduling with setups. Computers & Operations Research, 25(5):351-366, 1998. 9. J. V. Simons Jr. Heuristics in flow shop scheduling with sequence dependent setup times. Omega, 20(2):215-225, 1992. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 10. R. Z. Ríos-Mercado y J. F. Bard. Heuristics for the flow line problem with setup costs. European Journal of Operational Research, 110(1):76-98, 1998. 11. R. Z. Ríos-Mercado y J. F. Bard. An enhanced TSP-based heuristic for makespan minimization in a flow shop with setup times. Journal of Heuristics, 5(1):57-74, 1999. 12. M. Pinedo. Scheduling: Theory, Algorithms, and Systems. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1995. 13. T. Ibaraki. Enumerative approaches to combinatorial optimization: Part I. Annals of Operations Research, 10(1-4):1-340, 1987. 14. T. Ibaraki. Enumerative approaches to combinatorial optimization: Part II. Annals of Operations Research, 11(1-4):341-602, 1987. 15. R. Z. Ríos-Mercado y J. F. Bard. A branch-andbound algorithm for permutation flow shops with sequence-dependent setup times. IIE Transactions, 31(8):721-731, 1999. 16. J. N. D. Gupta y W. P. Darrow. The twomachine sequence dependent flowshop scheduling problem. European Journal of Operational Research, 24(3):439-446, 1986. 45 �Método electroquímico de evaluación de aditivos para baterías de plomo-ácido♦ Leonor María Blanco* Ricardo Flores Lira** Abstract A novel electrochemical method that permits us differentiate the behavior of expansors for lead-acid batteries is described in this research. This method is the result of two combined electrochemical techniques applied to the negative electrode. The analysis♦ of the voltammetric and charge transient results, allows for the description of the influence of this additives on electrode operation under high discharge conditions and as consequence to select the best additive for battery operation. Keywords: lead-acid battery, expanders, cyclic voltammetry, chronocoulometry. El inestimable valor comercial de las baterías de plomo-ácido ha hecho necesaria la búsqueda de un método rápido y confiable para la evaluación de los aditivos que forman parte de las formulaciones de las pastas que conforman las placas negativas de estas baterías. cristales de esta sal1 y la porosidad y área superficial del material de la placa negativa de la batería.5,6 En correspondencia con lo planteado en7,8 la presencia de los expansores favorece el crecimiento de los cristalitos más pequeños del material activo de plomo poroso e *incrementa, en consecuencia, el área superficial activa del electrodo. Estos cristalitos se consumen durante la descarga y se reconstruyen bajo el régimen de recarga.9 El incremento de la estructura porosa de la placa por la adsorción del expansor disminuye la polarización del electrodo en la descarga y mejora el comportamiento de la placa negativa particularmente en descargas con altas densidades de corriente, a bajas temperaturas y con altas concentraciones de ácido. Otro efecto de estos aditivos es el incremento del sobrepotencial de hidrógeno con la consecuente inhibición de su descarga.10 Los aditivos de referencia se denominan expansores y su mecanismo de acción ha sido estudiado profundamente por Pavlov1 quien ha adquirido una vasta experiencia en un largo período de tiempo.2 De acuerdo con los resultados de estas investigaciones, los expansores del tipo lignosulfonato se adsorben fuertemente sobre la superficie del plomo y dificultan la migración de los iones Pb2+ a través de esta capa adsorbida. Esta adsorción del expansor sobre el electrodo negativo afecta la oxidación anódica del Pb,3 la reducción catódica del sulfato de plomo,4 la morfología de los Montaje Experimental * ♦ Artículo publicado en la revista Ciencia UANL, Vol. II, No. 3. 46 Facultad de Ciencias Químicas, DES, UANL. ** Enertec de México S. de R.L. de C.V., Mty., N.L. Méx. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Leonor María Blanco, Ricardo Flores Lira Mahato11 aplica la técnica de voltamperometría cíclica para evaluar la influencia del expansor en el comportamiento del electrodo negativo y para expresar el efecto de éste, después de un número de ciclos, en términos de relación de capacidades inicial y de descarga del electrodo. En la referencia12 se reporta el empleo de una técnica electroquímica que les permite examinar y concluir acerca de la influencia de un expansor en la respuesta potenciodinámica de la placa negativa de la batería de plomo-ácido. Por su parte, Saakes y Van Duin13 describen un método para la selección de expansores e inhibidores basado en mediciones de técnicas de barrido de potencial y de impedancia galvanostática. De acuerdo con los autores, las mediciones de la impedancia a corriente constante, mejora de manera significativa la comprensión de los procesos físicos que tienen lugar durante la descarga en la placa negativa y permite efectuar una adecuada selección del mejor aditivo. Hall y colaboradores14 han aplicado técnicas de paso de potencial para estudiar la formación de PbSO4 en H2SO4 al 35% a –18ºC en ausencia y presencia de expansores. Los resultados les permitieron proponer un mecanismo de acción del expansor en el proceso de transferencia de carga. En las referencias15-17 se publicaron los resultados de la aplicación de las técnicas de barrido de potencial para dilucidar la influencia de diferentes expansores sobre la capacidad de descarga de la placa negativa de este tipo de batería. El escalamiento de los resultados obtenidos por estas técnicas no siempre es posible garantizarlo, ya que no se tienen en cuenta los efectos de sinergia entre los componentes de la fórmula del expansor, ni el efecto del referido escalamiento. Es conocido, por otra parte, que el comportamiento de un Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 pequeño electrodo se puede modificar si se efectúa el escalado a la placa negativa de la batería. De acuerdo con lo reportado hasta la fecha en la literatura, no existe una metodología que permita efectuar la preselección de los posibles aditivos que tome en consideración todos los efectos del expansor y permita un escalamiento a nivel de producción de adecuada confiabilidad. En este trabajo se presenta un método electroquímico nuevo y sencillo que combina las técnicas de voltamperometría cíclica y de cronocoulometrías de simple y doble paso de potencial, para la selección rápida del expansor de mejor influencia en la respuesta de la placa negativa de la batería de plomo-ácido. La obtención de información en términos electroquímicos de los estados transitorios de carga, tanto de descarga como de recarga, permite efectuar la selección del mejor aditivo comercial para el desempeño de la batería. Por otra parte, el diseño experimental seleccionado debe proporcionar una mejor correspondencia entre los resultados de laboratorio y producción. PARTE EXPERIMENTAL La fórmula empleada para la preparación de la pasta fue la siguiente: Óxido de Plomo Agua 100 g Ácido sulfúrico 1.4 GE 14.3 g Fibra 12.3 g Expansor según Fórmula 0.1 g Para el proceso de formación del electrodo se utilizó una solución de ácido sulfúrico de 1.180 GE (3.15 mol.L-1) con una densidad de corriente de 5.5 47 �Método electroquímico de evaluación de aditivos para baterías de plomo-ácido mA.cm-2. Los experimentos se efectuaron en H2SO4 1.265 GE (4.7 mol.L-1) El proceso de recarga a corriente constante se aplicó a 5.5 mA.cm-2 hasta 130% de la cantidad de energía descargada de la placa en la solución de ácido de 1.265 GE. El electrodo poroso de Pb obtenido fue de 7.3 cm2 de área con un espesor de 1.3 a 1.5 mm y con aproximadamente 2.5 g de material activo. Como electrodo auxiliar se utilizaron dos placas de Pb/PbO2 (s), cada una de 174 cm2 de área y como referencia un electrodo de Hg/HgSO4(s),SO42-. Las fórmulas utilizadas para cada uno de los dos expansores de estudio se reportan en la Tabla I. 2. Barrido de potencial de 2mV.s-1 para diferentes ciclos de descarga y recarga y monitoreo de los estados transitorios de carga correspondientes. La aplicación de las técnicas electroquímicas de referencia, se efectuó con un potesciostato PAR modelo 273A acoplado a través de una Interfase M273A Power Bodster de PAR a un Bipolar Operational Power Supply BOP-20M de Kepco. figura 1. El número total de ciclos aplicado varió en función de la velocidad de barrido y el último ciclo correspondió a aquél en el que se produjo una afectación visible de la placa. Tabla I. Composición de los expansores Proporción del Componente Expansor A Expansor B Sulfato de Bario 1.5 1.5 Carbón 1 1 Lignina A 1  Lignina B  1 Kg E / 1000 Kg óxido De 5 a 8 En todos los ensayos se utilizó la misma fórmula de pasta y sólo se modificó por la cantidad del expansor adicionada en cada aplicación. Todos los electrodos se construyeron siguiendo la misma metodología de curación y formación. El método electroquímico propuesto consiste en la aplicación al electrodo negativo de la batería de la siguiente combinación de técnicas de paso y barrido de potencial en presencia de los expansores: 1. Paso de potencial de +0.470 V de amplitud (con relación al potencial a circuito abierto) con registro de los estados transitorios de descarga y 48 Fig. 1. Equipo experimental para la aplicación del método electroquímico propuesto. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Leonor María Blanco, Ricardo Flores Lira A partir del análisis por cronocoulometría, tanto de simple como de doble paso de potencial, se pudieron obtener los valores correspondientes a los porcentajes de utilización del material activo negativo (MAN) y de recarga de la placa negativa y finalmente del porcentaje de recuperación de la placa. Los resultados obtenidos del estudio electroquímico, condujeron a la discriminación en el comportamiento de los aditivos. velocidad de barrido aplicada. Lo anterior se traduce en afectaciones en los valores de los potenciales de pico y en el tipo de control de la transferencia de carga en la interfase. (El aumento de la velocidad de barrido provoca un corrimiento hacia valores de potencial más positivos). • La velocidad de barrido más adecuada (control por difusión y picos bien definidos) es la de 2 mV.s-1 para cada tipo de expansor. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Voltamperometría cíclica 15 En las figuras 2 y 3 se presentan las curvas corriente-potencial correspondientes a cada expansor obtenidos a las tres velocidades de barrido aplicadas. 10 5 I, A 15 2 mV/s 20 mV/s 2000 mV/s 10 I, A 0 -5 -10 -1.5 5 Ultimo ciclo -1.0 E, V -0.5 0.0 Fig. 3. Influencia de la velocidad de barrido en el comportamiento del expansor B 0 -5 • Los procesos redox son de naturaleza irreversible dado que las diferencias entre los picos anódico y catódico no se corresponde con la de un proceso reversible (la reducción del Pb2+ controlada por la difusión sólo se presenta a 2 mV.s-1). • El comportamiento de los expansores con la velocidad de barrido es similar en cuanto a velocidad del proceso electródico, tipo de control y posición de los picos. Hay, sin embargo, diferencias en las corrientes de pico, siendo el expansor B el que mayor corriente de descarga entrega a cada potencial de pico. (Ultimo Ciclo) -10 -1.5 -1.0 E, V -0.5 0.0 Fig. 2. Influencia de la velocidad de barrido en el comportamiento del expansor A. El análisis de las mismas revela los siguientes aspectos: • 2 mV/s 20 mV/s 2000 mV/s Los procesos de descarga y recarga en presencia de los dos expansores (oxidación de Pb a PbSO4(s) y viceversa, dependen de la Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 49 �Método electroquímico de evaluación de aditivos para baterías de plomo-ácido Como era de esperar, el incremento en la velocidad de barrido aumenta las corrientes de descarga y recarga a cada valor de potencial aplicado. De acuerdo con estos resultados, la velocidad de barrido seleccionada es la de 2 mV.s-1 y en la figura 4 se muestra la voltamperometría cíclica de los dos expansores para el primer y último ciclo a esta velocidad. 7.5 5.0 I, A 2.5 Exp an so r A , 237.94 C Exp an so r B, 292.88 C 200 100 P aso d e P o ten cial = 0.470 V 0 A, Ciclo 1 A, Ciclo 15 B, Ciclo 1 B, Ciclo 15 0.0 -2.5 -5.0 -1.50 300 Q, C • -1.25 -0.75 -0.50 -1.00 E, V Fig. 4. Voltamperometría cíclica de los expansores A y B, 2 mV/s 0 10 t, s 20 Cronocoulometría de doble paso de potencial En la figura 6 se reportan los estados transitorios de descarga y recarga correspondientes a la placa negativa en presencia de cada expansor. El análisis de ésta permite establecer que, si bien ambos expansores presentan poca diferencia en la descarga, el expansor B se descarga más y, por tanto, admite un por ciento de recarga menor. 750 Exp an so r A Exp an so r B Cronocoulometría de simple paso de potencial La observación de esta figura evidencia las diferencias de comportamiento de la placa negativa motivada por la presencia de los diferentes expansores. En particular, el expansor B entrega una carga mayor en el mismo tiempo que el expansor A ante una demanda de corriente instantánea. 50 500 Q, C En la figura 5 se presentan los estados transitorios de descarga obtenidos en presencia de cada expansor correspondientes al paso de potencial instantáneo aplicado a la placa totalmente cargada. 30 Fig. 5. Cronocoulometría de simple paso de potencial 250 0 0 250 500 t, s 750 1000 Fig. 6. Cronocoulometría de doble paso de potencial, 2mV/s Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Leonor María Blanco, Ricardo Flores Lira El análisis de las tablas II-IV permite formular conclusiones acerca de las siguientes diferencias de comportamiento de la placa negativa en presencia de uno u otro tipo de expansor: Tabla II. Por ciento de utilización del material activo Velocidad de Expansor A Barrido, mV/s Expansor B 2000 22.27 19.01 20 34.51 41.24 2 41.80 42.40 Tabla III. Por ciento de recarga de la placa negativa Velocidad de Expansor A Barrido, mV/s Expansor B 2000 22.36 12.82 20 25.45 19.97 2 21.27 21.41 Tabla IV. Por ciento de recuperación de la placa negativa Velocidad de Expansor A Barrido, mV/s Expansor B 2000 100.04 67.44 20 73.74 48.42 2 50.88 50.49 A velocidades de barrido muy elevadas (2000 mV.s-1, o demandas de corrientes muy rápidas), el expansor A tiene un mejor comportamiento al involucrar mayor cantidad de material activo; ésto se traduce en un porcentaje de recarga mayor y, por tanto, en un mayor porcentaje de recuperación. A altas velocidades (20 mV.s-1, o demandas de corriente en mayor tiempo que el caso anterior), el expansor A provoca una disminución en el por Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 ciento de utilización del MAN, lo cual indica que para estas exigencias se seleccione el expansor B. Finalmente, y como revelan las tres tablas, no hay afectaciones en el comportamiento de la placa negativa por la presencia de ambos expansores siempre que la exigencia de demanda de corriente tenga lugar a velocidades moderadas. Estos diferentes comportamientos de la placa negativa en presencia de los dos expansores indica la selección de uno u otro expansor en dependencia del parámetro que desee optimizar el fabricante. CONCLUSIONES El análisis de los resultados permite establecer las siguientes conclusiones: 1. El método electroquímico seleccionado, el cual consiste en la aplicación de técnicas combinadas de barrido y paso de potencial, permite discriminar adecuadamente la influencia de la presencia de cada expansor en el comportamiento electroquímico de la placa negativa de la batería. 2. La información cuantitativa obtenida a partir de los estados transitorios de carga de simple y doble paso de potencial, evidencia que las dos ligninas conducen a diferentes comportamientos de la placa negativa a muy altas y a altas demandas de corriente. Así, el expansor A se recomienda para demandas muy altas de densidad de corriente mientras que el B se sugiere para el caso de altas demandas. 3. Las diferentes ligninas no influyen en el comportamiento de la placa cuando las demandas de corriente son pequeñas. 4. La selección de uno u otro tipo de lignina depende del parámetro a optimizar por el fabricante. 51 �Método electroquímico de evaluación de aditivos para baterías de plomo-ácido 5. Con el fin de evaluar la estabilidad química de cada lignina, se debe efectuar el estudio electroquímico de referencia a temperaturas de 40, 75, 0 y –180C. REFERENCIAS 1. Pavlov D. en B.D. Nicol y Rand D.A.J. (eds.), Power Sources for Electric Vehicles, Elsevier, Amsterdam, 1984, p.11. 8. 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Mitchel P.J. y Hampson N.A., J. Power Sources, 8 (1982) 197. 7. Mahato B.K., J. Electrochem. Soc., 124 (1977) 1663. 17. Kosai M. y col., G.S. News Tech. Rep., 1992, 51 (2) 6. 52 Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Fractales: fundamentos y aplicaciones Parte I: Concepción geométrica en la ciencia e ingeniería Virgilio A. González G.*, Carlos Guerrero* Abstract This is the first part of two articles were we described, in a simple form the: concepts, mathematics, applications and research progress at FIME, of the relatively new and fast growing area of the fractal geometry. The first part include the bases of the fractal geometry and a scope of the principal applications, the second part include some more detailed examples of its applications, and the progress and success of the research in this area at FIME. INTRODUCCIÓN La investigación y desarrollo tecnológico en una gran diversidad de áreas, está adoptando los conceptos de una nueva geometría, la geometría de fractales, como alternativa en la resolución de problemas de índole tan diversa como diferentes son las propiedades mecánicas y reológicas de los materiales con relación a la música sintética. Este escrito es el primero de dos partes en los que se pretende mostrar, en la forma más sencilla posible, los conceptos fundamentales de esta área de las matemáticas, describir esquemáticamente, o al menos enlistar algunas de sus aplicaciones y comunicar a la comunidad de FIME los trabajos que en este sentido se desarrollan en nuestra facultad, así como sus principales logros. Es indudable la importancia de la geometría en la comprensión de la naturaleza (ciencia), su aprovechamiento (ingeniería) y hasta en la creatividad de la comunicación artística. Sin embargo con el bagaje convencional de conocimientos adquiridos por cualquier persona ya sea con un mínimo de preparación (quizás preprimaria), hasta doctos especialistas en las diversas áreas del quehacer humano, solo nos es posible identificar formas geométricas comprendidas en un Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 intervalo discreto de dimensionalidad espacial, así un objeto solo puede tener una, dos o tres dimensiones según sea lineal, planar o volumétrico respectivamente. Además, las formas geométricas reconocibles y susceptibles de ser descritas matemáticamente con cierta facilidad (línea recta o curva, circunferencia, triángulo, esfera, etc.), no se encuentran comúnmente en la naturaleza, (Ejemplo cristales de cuarzo y de sal). La geometría de fractales ha permitido describir formas geométricas que antes no era posible hacerlo y, con esto explicar fenómenos naturales y relaciones como morfología y propiedades. GEOMETRÍA FRACTALES EUCLIDIANA Y DE La geometría *como la conocemos fue planteada por primera vez en los años 300 A.C. por Euclides y ha tenido relativamente pocos cambios desde entonces. En 1975 Benoît B. Mandelbrot, establece las bases de una nueva geometría conocida como geometría de fractales, la cual está teniendo cada vez más aplicaciones en todos los campos del conocimiento. Fig. 1. Euclides, 360-300 A.C, Alejandría, Egipto. Padre de la geometría euclidiana, 360 – 300 A.C. * DIMAT-FIME-UANL 53 �Fractales: fundamentos y aplicaciones. Parte I: Concepción geométrica en la ciencia e ingeniería Fig. 3. Esquema para la comparación simplificada entre dimensión euclidiana (De) y dimensión fractal (Df). Fig. 2. B.B. Mandelbrot, Varsovia, Polonia (1924 - ----), Fundamentos de la geometría de fractales La geometría de fractales está permitiendo describir matemáticamente y en forma más o menos sencilla, objetos y fenómenos que se habían considerado muy complejos como las geometrías de algunos helechos y de superficies de materiales, o simplemente caóticos como el movimiento browniano, auxiliando además a escalar geometrías y propiedades tanto desde niveles atómicos ó de dimensiones espaciales hasta las escalas macroscópicas en que nuestros sentidos son capaces de captar. DIMENSIÓN FRACTAL. EL CONCEPTO El concepto principal de esta nueva geometría es la dimensión fractal (Df), que es una propiedad del objeto la cual nos indica qué tanto ocupa el espacio que lo contiene, y que puede adquirir valores continuos en el espacio de los números reales, entre 0 y 3. Una explicación simplificada de este concepto se puede hacer utilizando la figura 3 54 En esta figura, en la parte superior se representan 4 objetos considerados por la geometría euclidiana en alguna de las tres dimensiones (dimensiones euclidianas “De”), o bien cero (el punto). Si estos cuerpos fueran continuos en el espacio, (Ejem. Cubo sólido), su dimensión fractal coincidiría con la dimensión euclidiana (Df = De), sin embargo al ir amplificando el cubo o las representaciones de la línea y el plano, en determinada escala de amplificación nos encontraremos que estos objetos tienen espacios vacíos, están llenos de “poros”, (parte inferior de figura 3), por lo que de acuerdo a la geometría fractal, la línea tiene una dimensión fraccional o fractal mayor que 0 pero menor que 1, dependiendo que tantos “poros” tiene, el plano 1 < Df < 2 y el cubo 2 < Df < 3. LOS FRACTALES Otro concepto fundamental es el de las geometrías fractales, o simplemente de los fractales (del latín fractus, irregular). Por ser esta un área del conocimiento nueva y por lo tanto actualmente en Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Virgilio A. González G., Carlos Guerrero desarrollo, la definición de fractales aún es cambiante, la primera definición establecida por Mandelbrot en 1975 es: Fractales es el conjunto de formas generadas normalmente por procesos matemáticos repetitivos y que se caracterizan por: 1) tener el mismo aspecto a cualquier escala de observación, 2) tener longitud infinita, 3) no ser diferenciables y 4) tener dimensión fraccional o fractal. Actualmente, aún y que se mantienen las cuatro características mencionadas su acepción es: Formas geométricas que pueden ser separadas en partes, cada una de las cuales es una versión reducida del todo. DEFINICIÓN MATEMÁTICA DE LA DF Una definición matemática de Df es la que se conoce como la dimensión de HausdorffBesicovith, por haber sido planteada primero por estos investigadores. Este planteamiento consiste en lo siguiente: Para medir una línea curva de longitud Lo, se cubre esta con N(δ) segmentos (reglas) de longitud δ, entonces: N (δ ) = Lo δ 1 (1) podemos definir L como la suma de todas las reglas quedando como: L = ∑ δ 1 = N (δ ) (δ 1 ) (2) substituyendo [1] en el término de la derecha de (2), resulta la Ec. 3 y su límite cuando δ tiende a cero (regla infinitamente pequeña), da como resultado la longitud que queremos medir (Ec. 3). →0 L = L0δ 0 δ → L0 (3) De la misma forma, para una superficie de dimensión Ao y ésta se mide con N(δ) segmentos de área de dimensión δ 2 entonces: N (δ ) = Ao δ 2 (4) y definiendo A como: Fig. 4. Fractal matemático que simula la geometría de un helecho, mostrando su propiedad de escalamiento La figura 4 muestra la representación de un helecho resultado de modelación matemática utilizando geometría de fractales. Se aprecia que al aumentar la amplificación el aspecto de la figura resultante no cambia. Esta amplificación se puede llevar tan lejos como la precisión de los cálculos lo permita. La función que genera este fractal no es diferenciable y tiene una dimensión fractal de Df = 1.6. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 →0 A = ∑ δ 2 = N (δ ) (δ 2 ) = A0δ 0 δ → A0 (5) En el caso de un volumen queda como: N (δ ) = Vo δ 3 →0 V = ∑ δ 3 = N (δ ) (δ 3 ) = V0δ 0 δ →V0 (6) (7) Si para medir la línea curva, tomamos como regla un objeto de dimensión 2, entonces las Ecs. 1 a 3 quedarían como: 55 �Fractales: fundamentos y aplicaciones. Parte I: Concepción geométrica en la ciencia e ingeniería N (δ ) = Lo δ 2 (8) ( ) →0 → ∞ L = ∑ δ 2 = N (δ ) δ 2 = V0 δ −1 δ (9) Encontrando así que: si queremos medir un objeto de determinada dimensionalidad (1 en este caso) con una regla de dimensionalidad mayor (2), lo encontraríamos de magnitud infinita. Por otra parte, si para medir el volumen usamos una regla bidimensional (de menor dimensionalidad que el objeto a medir), el resultado sería: N (δ ) = Vo δ 2 →0 → 0 V = ∑ δ 2 = N (δ ) (δ 2 ) = V0δ 1 δ (10) (11) Fig. 5. Gráfica de la ecuación 12 mostrando el cambio en la magnitud Md en el punto donde d coincide con D Es decir, cuando queremos utilizar una regla de menor dimensionalidad que la de nuestro objeto a medir, el resultado será cero. Por lo tanto solamente podemos usar la regla de la misma dimensionalidad que el objeto para obtener el resultado esperado. La dimensión fractal o de Hausdorff-Besicovith (D), es el valor de d en el punto en que Md pasa de infinito a cero. (D = d) Para generalizar estas observaciones, definimos un objeto que tiene una magnitud MD de dimensionalidad D y que medimos con la unidad de medida δ de dimensionalidad d, entonces: M D = ∑ γ D δ d = N (δ )γ d δ d (12) donde γd es un factor geométrico relacionado a la forma de la unidad de medida (Ejem. Línea γd=1, disco γd=π/4 o esfera γd=π/6). Así, al calcular MD para diferentes valores de d, (figura 5), encontraremos que: M D → ∞; ⇔ d > D (13) MD → MD;⇔ d = D (14) M D → 0; ⇔ d < D (15) 56 AUTO-SIMILITUD, ESCALAMIENTO AUTO-AFINIDAD Y El helecho fractal mostrado previamente reproduce su aspecto geométrico al cambiar la amplificación global de la imagen, tomando un pequeño rectángulo y amplificándolo proporcionalmente en ambas direcciones, si el objeto estuviese en tres dimensiones, la amplificación sería la de un pequeño paralelepípedo y la amplificación se haría proporcional en las tres dimensiones, esta característica se conoce como auto-similaridad, ejemplos de un fractal autosimilar naturales son la coliflor y el brócoli de Bruselas (figura 6) Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Virgilio A. González G., Carlos Guerrero Koch (figura 7), donde se parte de una recta (parte inferior de la figura), la cual se divide en tres segmentos iguales, el de en medio se substituye por un triángulo equilátero y resulta así una figura con cuatro segmentos de rectas, si cada uno de estos segmentos se les hace la misma operación que a la primera recta, obtenemos una figura con 16 segmentos, este procedimiento, se sigue repitiendo hasta el infinito obteniendo así un perfil que a mayor amplificación presenta un aspecto invariante. Fig. 6. Brócoli de Bruselas (a) mostrando la característica auto-similar al repetirse el aspecto de la planta original, (b) al ser amplificada una sección de la misma. La generación de fractales auto-similares se puede lograr mediante experimentos sencillos como lo es el calidoscopio, donde la imagen de uno o varios objetos se reflejan repetidas veces en espejos acomodados paralelamente entre sí, o bien matemáticamente mediante procedimientos repetitivos conocidos como transformaciones autoafines. Como ejemplo tenemos la curva de Von Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Fig. 7. Construcción de la curva de V. Koch. Por su característica de escalamiento igual en todas direcciones, podemos decir que estos fractales son isotrópicos auto-similares. Otros objetos naturales o matemáticos, tales como las superficies de los objetos (figura 8) y los perfiles generados por el movimiento browniano (figura 9), sólo mantienen su aspecto durante el escalamiento si éste se hace diferente en al menos una de las direcciones, es 57 �Fractales: fundamentos y aplicaciones. Parte I: Concepción geométrica en la ciencia e ingeniería decir son fractales anisotrópicos los cuales se conocen como objetos o fractales auto-afines. Fig. 9. Movimiento browniano esquematizado como (a) la posición X,Y en función del tiempo y (b) la distancia al origen en función del tiempo. APLICACIONES: Fig. 8. Superficie auto-afín generada mediante computadora, simulando la rugosidad de superficies de fractura más comunes Algunas de las muchas aplicaciones de la geometría de fractales son: • Movimiento de las finanzas o de la moneda • Esta propiedad de auto-afinidad, obedece a transformaciones o escalamientos como las que se describen en la siguiente ecuación: Codificación de señales de audio, de video o digitales • Caracterización geométrica y escalamianto en minerales (X , Y , Z ) → (λx X , λ yY , λζz Z ) • Medición de fronteras y costas • Caracterización de agregados (Ejem: negro de humo) • Análisis estructural polímeros • Análisis espectroscópico (17) • Escalamiento de propiedades En la figura 9 se muestra esquemáticamente el movimiento browniano calificado generalmente como caótico (figura 9 arriba), que sin embargo representándolo como la distancia al origen (d) en función del tiempo resulta en un fractal auto-afín de dimensión fractal Df=1.5 y de acuerdo a [17] por ser una línea De = 1, entonces ζ = 0.5. • Análisis de señales (Ejem: Espectroscopia y ruido) • Análisis y predicción de condiciones ambientales, terremotos y volcanes • Análisis de fenómenos considerados como caóticos como el movimiento browniano y la formación de nebulosas siderales (16) donde λ x = λ y ≠ λζz El exponente ζ se conoce como exponente de auto-afinidad y tiene una relación con la dimensión fractal como lo muestra la Ec. 17. D f = De + 1 − ζ 58 y morfológico en Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Virgilio A. González G., Carlos Guerrero En el Doctorado de Ingeniería de Materiales de la FIME, un grupo de investigadores nos hemos abocado a implementar y evaluar métodos de análisis en geometría de fractales y su aplicación a la morfología y fractura de materiales metálicos, cerámicos y poliméricos. En la segunda parte de esta publicación se hará la descripción de estos trabajos y sus logros. 7. J. Shcmittbuhl, J-P. Vilotte and S. Roux, Phys. Rev. E, 51, 131, (1995) LITERATURA RECOMENDADA 11. A. Majumdar, B. Bhushan. J. of Tribology, 112, 112, (1990). 8. E. Reyes, et al., Proc. of the 58 ANTEC conference, 2, 2051, (2000) 9. A.S. Balankin, Eng. Frac. Mech., 57, 2/3, 135, (1997), and references therein. 10. M. Hinojosa, E. Bouchaud and B. Ngiem, MRS Symp. Proc. 539, 203, (1999) 1. B. B. Mandelbrot, D.E. Passoja and A. J. Paullay, Nature, 308, 721, (1984) 2. H-O Peitgen, H. Jürgens and D. Saupe, “Chaos and Fractals. New Frontiers of Science”, (Springer-Verlag, New York 1992) 3. J. Feder, “Fractals”, (Plenum Press, New York 1988) 4. M.F. Barnsley, R.L. Devaney, B.B. Mandelbrot, H. O. Peitgen, D. Saupe and R. Voss., “The Science of Fractal Images”,( Springer-Verlag, New York 1988) 5. J. C. Russ., “Fractal Surfaces”, (Plenum Press, New York 1994) 6. E. Bouchaud, J. Phys.: Condens Matter, 9, 4319, (1997). Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 REFERENCIAS 1. Carta tecnológica. Boletín de difusión del CEDIMI, Año 1, Núm. 1. 2. Safime, VII edición, p. 20. 3. Safime, VII edición, p. 20-21. 4. El Diario de Monterrey, 21 de octubre de 1987, p. 3B. 5. Carta tecnológica. Boletín de difusión del CEDIMI, Año 1, Núm. 1. 6. Periódico El Nacional. 7. Carta tecnológica. 59 �Conmemoración del 53 aniversario de la FIME Rogelio G. Garza Rivera* José Luis Arredondo Díaz* Hugo E. Rivas Lozano* invitados de honor asistieron el Ing. José Antonio González Treviño, Secretario Académico de la Universidad Autónoma de Nuevo León en representación del entonces Rector Dr. Reyes S. Tamez Guerra, y Ex-Directores de la Facultad, así como ex-alumnos de la 1ª, 2ª, 3ª, 4ª, 5ª y 6ª generación. Al inicio del almuerzo el Ing. Cástulo E. Vela Villarreal, Director de la Facultad, en su mensaje invitó a todos los presentes a continuar estrechando los lazos de fraternidad con todos sus compañeros, a la vez que no dejaran de visitar su Facultad, ya que ellos forman parte fundamental de lo que hoy es la F.I.M.E. Con un Simposium sobre Educación, Ciencia y Tecnología, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, celebró su Quincuagésimo Tercer Aniversario del 24 al 27 de octubre del 2000. Las actividades conmemorativas incluyeron conferencias, paneles, talleres, exposiciones industriales, eventos culturales, deportivos y sociales, con la participación de Ex-alumnos, maestros, alumnos y personalidades del sector productivo. ALMUERZO DE LA FRATERNIDAD El sábado 21 de octubre se llevó a cabo el tradicional Almuerzo de la Fraternidad en el Restaurante Regio Gonzalitos, en donde hubo una convivencia entre los ex-alumnos que hicieron remembranzas de sus días de estudiantes. Como 60 Desayuno de ex a FIME INAUGURACIÓN En estos tiempos de globalización, en donde la tecnología avanza a pasos agigantados, en donde todos los procesos se aceleran en su transformación, el día 24 de octubre se inició el Simposium sobre Educación,* Ciencia y Tecnología con la participación de ex-alumnos que se han desarrollado en el sector productivo de una manera muy exitosa, así como de personalidades de los * Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Rogelio G. Rivera Garza , José Luis Arredondo Díaz, Hugo E. Rivas Lozano diferentes sectores gubernamentales, sociales y educativos. La Inauguración estuvo a cargo del Dr. Luis Galán Wong, Secretario General de nuestra Universidad, el cual estuvo acompañado por el Director de la Facultad Ing. Cástulo E. Vela Villarreal y el Subdirector Ing. Rogelio G. Garza Rivera. El Dr. Reyes S. Tamez Guerra, entonces Rector de la U.A.N.L., dio inicio al Simposium con la Conferencia Magistral “La Educación Superior en el Siglo XXI”, la cual se llevó a cabo en el Auditorio Dr. Raúl G. Quintero Flores de la misma Facultad. Dentro de la Celebración del 53 Aniversario, la Administración de la Facultad, reconoció el esfuerzo a los alumnos más sobresalientes en el aspecto Académico, (Grupo de los 100 y al mérito Académico y Mención Honorífica) en donde sus Padres, orgullosos, estuvieron presentes en la entrega de los Reconocimientos. El Ing. Cástulo E. Vela Villarreal dirigiendo un mensaje en la inauguración del simposium. En el presidium: Ing. Rogelio G. Garza Rivera, subdirector de la FIME, Dr. Luis Galán Wong, Secretario General de la UANL, Ing. Roberto Villarreal Garza, subdirector de postgrado de la FIME. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 CONVENIOS El Ing. Cástulo E. Vela Villarreal firmó dos convenios que fortalecen los vínculos con otras instituciones y serán de gran beneficio para los alumnos que cursan las diferentes carreras que ofrece la Institución. El día 24 de octubre se firmó el convenio con el Canal 22 México, el cual fue representado por el Lic. Ernesto Velázquez Treviño, Director General de Política Cultural de dicho Canal. Convinieron en unir esfuerzos y capacidades para establecer los mecanismos de colaboración a través de los cuales se llevarán a cabo programas culturales, asesoría técnica e intercambio de materiales a fin de impulsar, divulgar y promover la ciencia, la tecnología, la educación y la cultura universal, dentro de sus respectivas esferas, en beneficio de la sociedad. Posteriormente se firmó el otro convenio con la Empresa Progress de México, la cual estuvo representada por el Lic. Alberto Pascal Carbal y Jesús Salido Araiza. En la firma de convenio de FIME-PROGRESS software, flanquean al Ing. Cástulo Vela y al Lic. Jesús Salido Araiza, el Ing. Rogelio G. Garza Rivera y el Lic. Alberto Pascal Carbal. 61 �Conmemoración del 53 aniversario de la FIME Canta, en donde se buscan nuevos valores artísticos con canciones inéditas y creadas por ellos mismos, participaron 18 alumnos, en donde el triunfador fue Omar José Mendoza Ramos de la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista quien cursa el 3er semestre. Firma del convenio FIME - Canal 22 México. De izquierda a derecha aparecen el Ing. Cástulo E. Vela Villarreal, el Ing. Artemio Ábrego Treviño y el entonces Rector, Dr. Reyes S. Tamez Guerra. PANELES Y TALLERES También se realizaron paneles con la participación de personalidades del sector productivo, así como alumnos que se encuentran laborando actualmente, compartiendo sus experiencias con los mismos compañeros alumnos. Se realizaron talleres, para que el alumno desarrollara su creatividad e ingenio y fortalecer sus conocimientos dentro de su formación académica. CULTURAL En la conmemoración del Aniversario 53 de la Facultad se realizaron actividades culturales y deportivas como fue el 5º Certamen Anual de Oratoria con la participación de 8 alumnos, siendo el ganador el joven Roberto Clemente Leal López de la carrera Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones que cursa el 5º semestre, también como es tradicional se llevó a cabo el evento FIME- 62 Participantes de FIME-CANTA En el transcurso de la semana del Aniversario se realizó una colecta de alimentos, recaudando entre arroz, fríjol, maseca, azúcar y otros productos, la cantidad de 1500 kg. los cuales fueron entregados a Cáritas de Monterrey, los integrantes del grupo 3203 de la hora M2 lograron recolectar la cantidad de 90 Kg., motivo por el cual recibieron un reconocimiento por su esfuerzo. DEPORTES En el aspecto deportivo, se realizaron encuentros de competencia y convivencia, como el partido de fútbol soccer entre los maestros y alumnos, torneos de vencidas, básquetbol, entre otras disciplinas y la tradicional Carrera del “Oso” 5 K., siendo la salida y meta la entrada al estacionamiento de los Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Rogelio G. Rivera Garza , José Luis Arredondo Díaz, Hugo E. Rivas Lozano maestros de la FIME, participaron maestros y alumnos siendo los ganadores: Jessica A. Peralta en la categoría femenil: en la varonil: Ángel Eduardo Rodríguez Ríos y en patines Jorge Alberto Gómez. Grupo de maestros y alumnos que participaron en la carrera del Oso 5K CLAUSURA En la Clausura de la Conmemoración del Aniversario se llevó a cabo la Conferencia Magistral “Formación de Ingenieros al año 2020” dictada por el M. C. Gerardo Ferrando Bravo, Presidente de la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería y Director de la Escuela de Ingeniería de la UNAM. El M.C. Gerardo Ferrando Bravo, presidente de la ANFEI, en la conferencia “La formación de ingenieros al año 2020. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Al Concluir la Conferencia el Ing. Cástulo E. Vela Villarreal, Director de FIME, hizo entrega de Reconocimientos a Ex-alumnos distinguidos que han destacado en diferentes áreas, los homenajeados fueron Ing. Regino Bueno Rivas, Ing. José Elías Cazares Leal, Ing. Amando de Jesús García López, Ing. Francisco García Díaz, Ing. Abelardo Gutiérrez Zertuche, Ing. Enrique Magallanes Mauricio, Ing. Pedro Moreno Muñoz, Ing. Juan Genaro Pacheco Rabago, Ing. Pedro Treviño Elizondo, Ing. Rubén Eliud Villarreal Gutiérrez, Ing. Alfonso Gerardo Vargas Bueno, Ing. Luis Lauro González Alanís, Ing. Francisco Javier Salinas García, Ing. Malaquías Aguirre López, Ing. Pedro R. Garza Garza El Ing. Cástulo E. Vela Villarreal, Director de la FIME, clausuró los festejos del 53 Aniversario, agradeciendo a todos los presentes su apoyo y entrega en estas actividades que permiten que la Facultad continúe siendo vanguardia de las Escuelas de Ingeniería. Grupo de ex-alumnos en su homenaje por su destacada trayectoria en sus respectivas áreas. 63 �Reconocimientos Luis Manuel Martínez Villarreal* Fernando Javier Elizondo Garza* I. MÉRITO ACADÉMICO FEB-JUL ´2000 Luis Gerardo Rodríguez Leal IMA 95.309 Héctor Sánchez Torres IMA 94.862 En ceremonia realizada el 26 de octubre del 2000 se entregaron Reconocimientos al Mérito Académico a los alumnos que a continuación se listan. Se indica también la carrera y su calificación promedio. Olga Laura Martínez Ruvalcaba IMA 94.596 José Arnoldo García Garza IMA 93.968 IME 94.490 IME 92.875 Diana Cobos Zaleta * Neftali Conrado Rodríguez Verde IAS 97.697 José Fernando Gutiérrez Aguirre Luis Rosas Cobos ICC 96.86 Abraham Pérez Reyna IME 90.635 Leonel López de León Ponce IEC 92.622 Oscar Arturo Fragoso Ramírez IME 90.587 Diana Miroslava García Quevedo IMA 97.691 Raúl Antonio García Garza IME 90.298 Erwin Lisardo Sánchez Perales IME 95.798 Ingrid Velázquez Irigoyen IAS 92.197 III. DISTINCIONES EX FIME 2000 II. MENCIONES HONORÍFICAS FEB-JUL ´2000 Por su desempeño académico, también el 26 de octubre del 2000, recibieron una Mención Honorífica los siguientes alumnos. Dentro de los festejos del 53 aniversario de nuestra facultad, se otorgó Reconocimiento como EX FIME DISTINGUIDO a: Ing. Alfonso Gerardo Vargas Bueno Roberto Coronado Elías IAS 91.013 Ing. Luis Lauro González Alanís Juan Ignacio Sánchez González ICC 92.095 Ing. Francisco Javier Salinas García Noel Jesau López Cepeda IEC 92.159 Ing. Malaquías Aguirre López Martha A. Escudero Odriozola IEC 90.646 Ing. Pedro R. Garza Garza Jesús García Guillen IEC 90.598 Jesús Jacobo Benze de León IMA 96.085 64 * Facultad de Ingeniería Mecánica, UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Luis Manuel Martínez Villarreal, Fernando Javier Elizondo Garza IV. RECONOCIMIENTO ESPECIAL El Dr. Rafael Colás Ortíz del Doctorado en materiales de nuestra Facultad fue aceptado, el pasado 22 de Septiembre de 2000, como Miembro Regular de la prestigiada Academia Mexicana de Ciencias. V. MÉRITO AL DESARROLLO TECNOLÓGICO “TECNOS ‘2000” El 22 de noviembre del 2000 en CINTERMEX se llevó a cabo la entrega del Reconocimiento al Mérito al Desarrollo Tecnológico en un evento presidido por el C. Gobernador Constitucional del Estado de Nuevo León, Lic. Fernando Canales Clariond. Este galardón es ofrecido anualmente por el Gobierno del Estado de Nuevo León a personas e instituciones que contribuyen y participan activamente en el desarrollo tecnológico de la región y del país. La FIME ha recibido este premio en repetidas ocasiones y en este año fueron galardonados: en la categoría de Proyecto Tecnológico (vinculación) Empresa Grande e Institución, el Ing. Alberto Ross Scheede, el Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, el Ing. Tushar Kanti Das Roy, y el Dr. Ing. Karls Jurgen Leers, por su trabajo “Optimización del Proceso de fusión de Magnesia (MgO) por horno de arco eléctrico mediante la validación de un modelo matemático”, realizado en colaboración con la empresa Servicios Industriales Peñoles y la Universidad Técnica de Alemania; en la categoría de Publicación Tecnológica (vinculación) Empresa Mediana e Institución, Andrés Rodríguez, Rafael Colás, Gastón Olvera y Peter Fodor, por su trabajo “Strain distribution analysis of hot forged seamless pipe fittings”, en colaboración con la empresa RIGA; y en la categoría de Publicación Tecnológica (vinculación) Empresa Grande e Institución, el Dr. Ubaldo Ortíz Méndez, Juan Antonio Aguilar Garib, Jorge Berrún Castallón, y el Ing. Ricardo Viramontes B. por su trabajo “Development of iron layers on the internal wall of reduction reactors”, en colaboración con HYLSA, S.A. de C.V. También el Ing. Edgar Ivan Morales Balboa recibió una mención honorífica por su Tesis de Licenciatura “Oxidación y descarburización en aceros al carbono”. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 65 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Mayo–Octubre 2000 Roberto Villarreal Garza* M.C. Arturo Jáuregui Sánchez, Administración, especialidad en Finanzas, “Análisis y diseño de un sistema de distribución para pequeña empresa”, 22 de Mayo del 2000. Rebeca Leal González, M.C. Administración, especialidad en Finanzas, “Importancia en la interpretación de los estados financieros”, 31 de mayo del 2000. M.C. Jorge Armando Solís Dávila, Administración, especialidad en Finanzas, “Operaciones de crédito industriales”, 31 de Mayo del 2000. Carlos Tulio Villarreal Robles, M.C. Administración, especialidad en Relaciones Industriales, “Alta gerencia”, 1 de Junio del 2000. Juan Manuel Efraín García Guerra, M.C. Administración, especialidad en Sistemas, “Nivel de aceptación de la tecnología de la información por el personal docente del I.T.N.L.”, 5 de Junio del 2000. Arturo Jáuregui Alanis, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Gerencia basada en el liderazgo”, 6 de Junio del 2000. Claudia Alina Madrigal Barragán, M.C. Ciencias de la Ingeniería especialidad en Control, “Análisis de técnicas para secuencias lógicas”, 12 de Junio del 2000. M.C. Francisco Javier Villa Cruz, Administración, especialidad en Relaciones Industriales, “Influencia de la comunicación en el proceso enseñanza aprendizaje”, 14 de Junio del 2000. Juana María Gómez Urrutia, M.C. Administración, especialidad en Relaciones Industriales, “Factores que influyen en el alto índice de reprobación en las materias de ciencias básicas de la facultad de ingeniería mecánica y eléctrica”, 15 de junio del 2000. Roberto *Javier Villarreal Cárdenas, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Gerencia basada en liderazgo”, 19 de Junio del 2000. María Susana Garza Solís, M.C. Administración, especialidad en Investigación de Operaciones, “Aplicación de modelos de producción para el programa curso de sistemas de producción a nivel licenciatura”, 19 de Junio del 2000. Leonel Durán Jáuregui, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Análisis y valuación de proyectos”, 19 de Junio del 2000. Diego Monsivais Garza, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Implementación de las herramientas básicas de calidad de acuerdo al criterio de qs-9000, 3ra. edición en kemet d méxico, planta 1”, 20 de Junio del 2000. Jesús Leos Pérez, M.C. Administración, especialidad en Relaciones Industriales, “Reingeniería de procesos, coadyuvante de la administración escolar en universidades públicas”, 22 de Junio del 2000. Rogelio Guzmán Hernández, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Mantenimiento al sistema de calidad de una empresa manufactura”, 26 de Junio del 2000. Alfonso Cárdenas Garza, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Implementación de la norma ISO-9000 en el departamento de compras de una industria siderúrgica”, 27 de Junio del 2000. * 66 Sub-Director de Postgrado de la FIME-UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 �Roberto Villarreal Garza Niza Jiménez Villarreal, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Seis Sigma en la industria manufactura”, 28 de Junio del 2000. Fernando Flores Escobedo, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Métodos estadísticos aplicados en el análisis del carbón”, 30 de Junio del 2000. José Roberto Cantú González, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Certificación ISO-9000 en una empresa manufacturera evidencia de clase mundial en Monterrey-México”, 28 de Junio del 2000. Samuel Chacón de la Rosa, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Modelo para la aplicación de reingeniería”, 5 de Julio del 2000. M.C. Martha Maritza García González, Administración, especialidad en Relaciones Industriales, “Formación de equipos de trabajo”, 5 de Julio del 2000. M.C. Enrique Fernández Monsivais, Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Diseño de mecanismos para la sustitución de importación”, 29 de Junio del 2000. Edmundo Montelongo Rodríguez, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Implementación en ingeniería industrial en la explotación del carbón”, 29 de Junio del 2000. Raúl García Vázquez, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Reingeniería de inventario por lote de muelles en la empresa Rassini del grupo San Luis”, 30 de Junio del 2000. Héctor Torres Mireles, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Mejora continua de la educación superior en Universidad Autónoma”, 30 de Junio del 2000. Valentín Zavala Bernal, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Productividad de la energía en minas de carbón”, 30 de Junio del 2000. M.C. Arturo Bueno Tokunaga, Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Creación de nuevas estadísticas paralelas a la fisheriana basadas en los momentos absolutos”, 30 de Junio del 2000. Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 Jesús Manuel Álvarez García, M.C. Administración, especialidad en Finanzas, “El nuevo papel de la administración financiera”, 6 de Julio del 2000. Yolanda Hernández Delgado, M.C. Administración, especialidad en Relaciones Industriales, “Como construir su propia empresa y sobrevivir”, 7 de Julio del 2000. Irma Rosario Valadez Guzmán, M.C. Ingeniería Eléctrica especialidad en Control, “Algoritmos de filtrado y control óptimo en sistemas tipo volterra con incertidumbres determinísticas”, 7 de Julio del 2000. Noé Ponce Meraz, M.C. Ingeniería Eléctrica especialidad en Electrónica, “Una fuente alterna de energía y sus aplicaciones”, 13 de Julio del 2000. Isai Moreno de la Rosa, M.C. Administración, especialidad en Finanzas, “Formación y control de una pequeña empresa que produce sus propios productos”, 24 de Julio del 2000. Juanita Pérez Sánchez, M.C. Administración, especialidad en Relaciones Industriales, “Capacitación a docentes de nuevo ingreso al nivel medio superior de la U.A.N.L.”, 31 de Julio del 2000. Miguel Ángel Romero Zaleta, M.C. Administración, especialidad en Finanzas, “Estrategias para la toma de decisiones gerenciales con la utilización de sistemas de información”, 31 de Julio del 2000. 67 �Titulados a nivel Maestría en la FIME; Mayo-Octubre 2000 Ana Cristina Rodríguez Lozano, M.C. Administración, especialidad en Relaciones Industriales, “Proyecto de reforma curricular para la carrera de ingeniero administrador de sistemas de la FIME-UANL (una propuesta para el nuevo milenio)”, 3 de Agosto del 2000. Emilio González Elizondo, M.C. Ingeniería Eléctrica especialidad en Potencia, “Sistemas de recuperación de energía en motores de inducción de motor devanado con regulación de velocidad”, 3 de Agosto del 2000. Oscar Francisco Huerta Guevara, M.C. Ingeniería Eléctrica especialidad en Control, “Observadores no lineales para generadores sincronos”, 8 de Agosto del 2000. M.C. María Leticia Campos Villarreal, Administración, especialidad en Relaciones Industriales, “Estructuración de trabajo en equipo”, 18 de Septiembre del 2000. M.C. Josué Francisco Esparza Carrillo, Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Rediseño de un programa de mercadotecnia en un supermercado”, 29 de Septiembre del 2000. Anibal Garza Peña, M.C. Ingeniería Eléctrica especialidad en Electrónica, “Tecnologías digitales y computacionales en sistemas de radar y radioayudas para el control de tránsito aéreo”, 29 de Septiembre del 2000. Javier Aguirre Contreras, M.C. Ingeniería Eléctrica especialidad en Control, “Invasores su uso y aplicación”, 18 de Agosto del 2000. Azael Elicerio Morales, M.C. Ingeniería Eléctrica especialidad en Eléctronica, “Tecnologías digitales y computacionales en sistemas de radar y radioayudas para el control de tránsito aéreo”, 29 de Septiembre del 2000. M.C. Ingeniería Noe Torres Garza, especialidad en Telecomunicaciones, “El futuro de la telefonía sobre las redes de datos”, 22 de Agosto del 2000. José Marcos Ávila Saucedo, M.C. Administración, especialidad en Producción y Calidad, “Desarrollo exitoso con personal calificado”, 3 de Octubre del 2000. Francisco Pérez Treviño, M.C. 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Ingenierías, Enero-Marzo 2001, Vol. IV, No.10 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2001 Volumen Volumen de la revista 4 Número Número de la revista 10 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2001, Vol 4, No 10, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Méndez Cavazos, Julio César, Editor Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2001 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020773 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Baterías de plomo-ácido FIME Fractales Hojuelas de grafito Materiales plásticos Modelos basados en mallas