https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20755/Ingenierias_2006_Vol_9_No_32_Julio-Septiembre.pdf 370e5a24aed4d787d20f0c7bcf6b2753 PDF Text Text �Contenido Julio-Septiembre de 2006, Vol. IX, No. 32 32 2 Directorio 3 Editorial e-books Fernando J. Elizondo Garza 8 Pirólisis de llantas usadas: Estudio cinético Rosa del Carmen Miranda Guardiola, Ciro César Segovia Martínez, César Alberto Sosa Blanco 17 LNIG: Nueva estación sísmica digital en el noreste de México Juan Carlos Montalvo Arrieta, Héctor de León Gómez, Carlos Valdés González 25 La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna J. Rubén Morones Ibarra 38 Mecanismos de dispersión de partículas reforzantes para PP en un extrusor de doble-husillo Tomás Lozano Ramírez, Julio César Barrientos Cisneros, Demetrio Nieves Mendoza, Ángel Rodríguez Gómez 44 Modificación de superficie activa de electrodos con complejo de base de Schiff Perla Elizondo Martínez, Blanca Nájera Martínez, Cecilia Rodríguez de Barbarín, Leonor María Blanco Jerez 52 La integración de los conceptos de gestión en las PYMES Miguel A. Palomo González 59 Medición de impedancia compleja en sistemas de microondas con un circuito integrado “bluetooth” Georges Roussy, Bernard Dichtel, Haykel Chaabane 65 Analytical method for the optimization of the Roebel bars composed of full elementary conductors Toma Dordea, Valentín Müller, Ileana Torac, Gheorghe Madescu, Marţían Moţ, Lucian Ocolişan 73 Eventos y reconocimientos 76 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 77 Acuse de Recibo 78 Colaboradores 81 Información para Colaboradores Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 1 �Editorial: e-books Fernando J. Elizondo Garza Director de la revista Ingenierías, FIME-UANL fjelizon@mail.uanl.mx Los libros electrónicos son un concepto ya viejo que no termina de llegar. Las ideas básicas sobre libros electrónicos portátiles se remontan a finales de los años 60´s cuando Alan Kay siendo estudiante de postgrado en Utah introduce el concepto del Dynabook, una computadora portátil interactiva personal con pantalla plana y comunicación inalámbrica. Esas ideas fueron madurando mientras Kay trabajaba en Xerox en Palo Alto en lo que sería la “computadora personal” y las interfases gráficas GUI.1 Por supuesto que el invento del e-book se le adjudica a diferentes personas, por ejemplo el término electronic book se afirma que lo introdujo Andres Van Dam, de Brown University,2 mientras que otros afirman que el inventor del e-book es Michael S. Hart al tipografiar en 1971 la declaración de Independencia de los Estados Unidos de América en una de las computadoras de la época, dando inicio al Proyecto Gutenberg2,3 el cual ofrece actualmente miles de textos en Internet, en busca de cumplir con su misión de luchar contra la ignorancia creando y distribuyendo gratuitamente libros electrónicos. Si bien ya han pasado años desde la introducción del concepto, y gran cantidad de información se ha transferido o creado directamente en formatos electrónicos, el libro electrónico no termina de satisfacer aún al público en general. Los factores son varios y algunos de ellos tardarán en llegar a las condiciones requeridas por los usuarios masivos. EL LIBRO Los libros son la culminación de una evolución tecnológica que una vez que maduró, antes de nuestra era, sólo tuvo mejoras relativas en cuanto al papel y las tecnologías de impresión y encuadernación. El libro vino a solucionar algunos de los problemas de las opciones anteriores de registro histórico: hojas sueltas, rollos, tablillas, etc., generando un objeto que en primera instancia cumplió los requisitos para ser en esa época una buena memoria extracorpórea: ser relativamente compacto, transportable, almacenable y consultable rápidamente al poder avanzarse rápidamente las hojas en una búsqueda o revisión preliminar, lo cual es muy importante en los procesos educativos. Como todos sabemos, la escritura y los registros de textos son muy antiguos, pero eran objetos manuscritos para grupos educados y por lo tanto minoritarios. El libro, después de que Gutenberg concibe la idea de los tipos móviles en 1452, se pudo reproducir fácil y rápidamente, con lo que el libro se abarató, Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 3 �Editorial: e-books / Fernando J. Elizondo Garza volviéndose accesible con el tiempo a más y más personas hasta volverse un objeto de distribución masiva y global, revolucionándose la difusión de la cultura y la educación. Otro importante factor, quizás el principal desde el punto de vista comercial, es que el libro permitió facilitarles a las personas la obtención de placer a través de la lectura. Los libros nos acompañan, vivimos y viajamos con ellos, los podemos leer a cualquier hora, en cualquier lugar y en muchas posiciones… Por supuesto, y como toda tecnología, presenta algunos problemas; y es por eso que se ha buscado en el concepto del e-book el mejorarlo. En la tabla I se listan las principales ventajas y desventajas del libro.4 Tabla I. Ventajas y desventajas del libro. Ventajas Desventajas Menor esfuerzo ocular sobre periodos largos Según el usuario de lectura. Puede asignársele un valor que inhibe la disponibilidad. Portátil. Utilizable en condiciones ambientales Según el autor adversas. No se pueden corregir las erratas. Robusto y durable. Puede ser un formato difícil para Legible aunque esté dañado. manejar referencias y referencias No requiere fuente de energía, ni un cruzadas. dispositivo para su lectura. Un formato muy caro para trabajos que No se puede alterar el texto. requieren color, dado que utiliza varios Puede tener más valor como objeto de pasos del papel por la prensa. coleccionismo (primeras ediciones). Las editoriales sólidamente establecidas, Según el usuario y el autor Puede agotarse la edición y se hace algunas internacionales, pueden dar gran inaccesible para los lectores. promoción al titulo y autor. EL LIBRO ELECTRÓNICO Un libro electrónico o e-book, eBook ó ebook es un término usado en forma ambigua y principalmente se entiende como un libro en formato digital y como un aparato para leer libros en formato digital. Otro aspecto confuso es el denominar a un archivo de texto electrónico, e-text, como e-book sólo porque el texto corresponde a un libro, o sea que libros formateados en archivo de texto para ser leído en una computadora normal, en una obvia estrategia comercial, también son vendidos como un libro electrónico. Cada cambio de tecnología implica mejoras, adaptaciones e incluso desventajas puntuales, esto es, puede perderse alguna ventaja en la transición pero para los usuarios en general una nueva tecnología deberá ofrecer suficientes ventajas e innovaciones para que se decida abandonar definitivamente la tecnología anterior. Así en el campo del registro de textos, el paso del grabado en piedra, al barro, al papiro, al papel suelto, al libro representaron mejoras sustanciales. En este sentido es importante tener claro que el triunfo del libro electrónico sobre el libro en papel, no se dará hasta que se ofrezcan las suficientes ventajas al usuario para que este decida abandonar los libros o al menos dejarlos para las bibliotecas. Como en toda tecnología emergente, con potencialidad comercial, el número de personas o empresas que deciden buscar una oferta viable crece en la etapa inicial, buscando cada uno desarrollar y patentar la oferta tecnológica más atractiva 4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Editorial: e-books / Fernando J. Elizondo Garza comercialmente y eso en el caso del e-book ha generado una variedad de equipos y sus respectivos formatos para archivar la información y más están por llegar. Entre las empresas que han desarrollado lectores de e-books se encuentran: RCA, Sony, Nuvomedia, Toshiba, Franklin, Bookeen, etc.5 A la par del aumento de modelos de lectores, el número de formatos creció caóticamente, algunos introducidos por compañías de software para cómputo, otros propuestos por empresas del medio audiovisual y claro que por los fabricantes de equipos. Algunos tipos de formatos, entre los muchos propuestos son: PRC (Mobipocket), PDB (palm) , HTML, TXT and RTF, PDF, Embiid, Gemstar ebook, hiehbook, microsoft reader, etc.6,7 Una vez que el mercado de libros electrónicos creció significativamente, y dado la variedad de formatos incompatibles entre sí desarrollados, en 1998 el National Institute for Standars and Technology (NIST) de los estados Unidos de America formó el Comité Abierto de Normas sobre e-books (OEBSC) al cual pertenecen la Association of American Publisher (AAP), Microsoft, Random House, diferentes vendedores de lectores de e-books (Nuvomedia, Suftbook Press, etc) y editoriales tradicionales.8 De este grupo salió la Open e-book Initiative, que trabaja en la consolidación de un formato que permita terminar de consolidar el e-book comercialmente. La única parte de la industria del libro electrónico, que ha solidificado es la de la distribución. Realmente el comercio electrónico se ha desarrollado a niveles totalmente funcionales en los últimos 5 años y el sector de venta de archivos electrónicos, ya sea en CD o por descarga directa a nuestra computadora se ha consolidado. De este mercado indudablemente sobresalen el audio y el video, siguiéndole el software, pero esto ha permitido que se pueda ver con naturalidad y que todo esté listo para la venta de e-books, siendo los libros actuales para ser leídos en las computadoras, más e-text que e-book, un mercado emergente importante. Para tener una idea de la escala actual, una organización de editores digitales en su reporte de 2005 indicó que se vendieron un total de 1;692,964 unidades implicando $11;875,783 dólares y que se publicaron 5,242 títulos para e-book. Esta información se integró en base a los datos de 18 editoriales entre las que se incluyen: DigitalPulp Publishing, E-Reads; John Wiley & Sons, McGrawHill, Pearson Education, Random House, RosettaBooks, Simon & Schuster, Stonehouse Press y Time Warner Book Group.9 Actualmente el problema principal de la industria de los e-books está en los equipos para poder disfrutar del libro electrónico. Aunque hay ya varios modelos en el mercado aún no satisfacen cabalmente a los lectores. Para muestra algunos comentarios que acompañan la oferta de e-books en Amazon:10 “…the main complaints about the first few generations of electronic book readers is their cost--who wants to pay several hundred dollars for the equivalent of a few $3 paperbacks?” “…the unit seems heavy after holding it for a few minutes--much heavier than a normal paperback. The unit’s arrow keys let you page forward and backward, but not as rapidly as you can “thumb” through dozens of pages in a paperback. Also, you have to “pan” to see graphic images that are too large to fit on the LCD screen. Overall, the Rocket eBook’s reading experience is not as pleasant as we’ve come to expect from reading an ordinary paperback.” Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 5 �Editorial: e-books / Fernando J. Elizondo Garza “It’s heavy. I sometimes flip pages when I don’t mean to (although that it just because I always keep my thumb on the button). The screen shows fingerprints and it’s really difficult to wipe off, about as hard as getting PAM off a pan. It’s thicker than I expected (and one half is thicker than the other). The text is a little grainy.” Un resumen de las principales ventajas y desventajas actuales de los e-books se presenta en la tabla II.4 Se puede afirmar que la tecnología del libro electrónico para fines de trabajo prácticamente ya llegó, veremos híbridos entre las Palms y las Notebooks dirigidos al mercado del e-book que resolverán un conjunto grande de los usos de los libros en educación y trabajo. Lo que falta es unificar formatos y bajar precios. Los e-books no están lejos del mercado de los profesionistas de alto nivel. Lo que tardará todavía algunas décadas en llegar es el e-book para placer, para lector hedonista que gusta vivir con sus libros y los desea leer en cualquier circunstancia. Los grandes retos en este sentido son pantallas resistentes, legibles, que no cansen la vista y que permitan leer tanto a la luz solar como en lo oscuro; fuentes de energía de bajo peso que posibiliten al menos una semana de independencia y, por supuesto, bajo costo. Pronto veremos propuestas interesantes, pero una competencia real que afecte la tecnología e industria del libro tradicional tardará un tanto más. Tabla II. Ventajas y desventajas del e-book. Ventajas Desventajas Puede efectuarse una búsqueda dentro Según el usuario del texto, excepto cuando está guardado Puede ser incompatible con equipos y como una imagen. programas nuevos o de sustitución. Ocupan muy poco espacio. Cientos o miles Requieren manejo y almacenaje de libros pueden ser cargados en un solo cuidadoso para evitar daños o dispositivo. pérdidas. Pueden leerse en condiciones de baja La lectura puede ser difícil (e incluso iluminación o incluso en la oscuridad total, dañina) para los ojos. con una pantalla con luz posterior. Pérdida de calidad con respecto a un El tipo y tamaño de las fuentes puede ser libro impreso. ajustado. Sin embargo algunos formatos Limitada vida de las baterías en restringen al formato original. dispositivos portátiles. Pueden ser usados en programas de Puede comunicarse con sus creadores conversión de texto a voz. para dar seguimiento a los lectores y Pueden ser reformateados para diferentes sus hábitos. plataformas. Pueden restringir el número de veces Copiado instantáneo. que el documento puede ser leído. Puede distribuirse a bajo costo. Pueden restringirse la impresión. Distribución por la red, permitiendo a los lectores no tener que ir a una librería. Según el autor y la editorial El libro puede ser compartido y utilizado Pueden ser pirateados (hacked) o simultáneamente en la red. diseminado sin la aprobación de los Los errores pueden ser corregidos fácilmente autores y editores. por Internet o personalmente. En general no es un buen formato Un formato muy económico para trabajos para trabajos que tienen muchas que requieren color. ilustraciones o muy grandes como en las Una excelente opción para trabajos que publicaciones históricas, fotográficas, requieren búsquedas y capacidad de cartográficas, etc. referencias cruzadas, como en diccionarios, y algunos libros de texto. 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Editorial: e-books / Fernando J. Elizondo Garza ¿PARA QUÉ SÓLO UN LIBRO ELECTRÓNICO? En realidad a ninguna compañía tecnológica seria le interesan los e-books como meta. Son sólo parte de una estrategia, sólo un objeto para el mercado de los que compran cualquier tontería tecnológica por el simple hecho de ser novedad, sólo una manera de ir pagando los costos de lo que realmente es importante, pero que llevará aún muchos años. Para qué conformarnos con una Notebook, con una Palm, con un libro electrónico, si es claro que tendrá más éxito de mercado un objeto que haga todo eso y algo más. Por qué no le sumamos el teléfono, el cine… más lo que se nos vaya ocurriendo. Por supuesto que el libro es un objeto entrampado en su tecnología, hay que dejarlo atrás, pero algunas de sus bondades no podemos aún ofrecerlas satisfactoriamente en el mercado electrónico, pero es claro que los desarrollos en computadoras, Palms, y e-book ya nos ofrecen un libro que es algo mas que un libro… y falta más por venir. Realmente el libro deberá pasar a ser un objeto de coleccionistas y excéntricos, no habrá razón alguna, además de las antes mencionadas, para aferrarse a sus limitaciones y si no lo hemos hecho es porque aún no se ofrece lo que todos esperamos: un objeto que sea nuestra interfase con los sistemas de comunicación, memoria extracorpórea y lo más importante un objeto de placer. REFERENCIAS 1. Stephanie Ardito, Electronic Books: To “E” or not to “E”; that is the question, Searcher, Vol.8, No. 4, April 2000. http://www.infotoday.com/searcher/apr00/ ardito.htm Consultado junio 2006. 2. Steve Hamm, Making e- books easier on the eyes. BusinessWeek, sección Bits & Bytes, 14 diciembre 1998 3. Project Gutenberg, Inventor of the ebook speaks in bay area dec 10-11. http://www.gutenberg.org/newsletter/news/index.php?article=2003_12_ 10.html Consultado en junio de 2006 4. Wikipedia, E-book, http://en.wikipedia.org/wiki/Ebook Consultado en junio de 2006 5. ebook88: eBook Resources. Compare eBook reading devices. http://www.ebook88.com/devices.html. Consultado junio 2006. 6. eBook Mall, eBook formats. http://www.ebookmall.com/ebook-formats.htm Consultado en junio de 2006 7. ePublication Marketing Associates, eBook formats compared. http://www. epmassoc.com/compare.php Consultado en junio de 2006 8. Victor Votsch, Hand-held E-books: The Reality Behind the Hype. The Seybold Report on Internet Publishing, January 1999. http://seyboldreports. com/SRIP/subs/0305/html/ebooks.htm Consultado en junio de 2006. 9. IDPF, Industry ebook sales statistics 2005. International Digital publishing Forum. http://www.idpf.org/doc_library/statistics/2005.htm Consultado en junio de 2006. 10. Amazon. Búsquedas sobre ebooks realizadas en junio de 2006 en el sitio http://www.amazon.com Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 7 �Pirólisis de llantas usadas: Estudio cinético Rosa del Carmen Miranda Guardiola, Ciro César Segovia Martínez, César Alberto Sosa Blanco Facultad de Ciencias Químicas, UANL rmiranda@fcq.uanl.mx RESUMEN La cinética de pirólisis de llantas usadas de automóviles ha sido investigada mediante termogravimetría bajo condiciones dinámicas y cuasi-isotérmicas usando diferente rapidez de calentamiento, en un amplio rango de temperatura y en atmósfera inerte. Se utilizaron dos modelos de simulación, el modelo en serie y el modelo en paralelo. Se demostró un efecto significativo de la rapidez de calentamiento sobre el proceso de pirólisis. También se encontró un efecto importante del tamaño de partícula y el peso de muestra sobre la cinética de degradación térmica de llantas. PALABRAS CLAVE Pirólisis de llantas, análisis termogravimétrico, cinética de descomposición, degradación. ABSTRACT The kinetics of pyrolysis of used tires for cars has been investigated by means of thermogravimetry under dynamic and stepwise conditions using different heating rates, in a wide temperature range in inert environment. Two simulation models, serial and parallel, were used. It was demonstrated that the heating rate has an important effect over the pyrolysis process. It was also found an important effect by the particle size and sample size on the pyrolysis kinetics. KEYWORDS Tire pyrolysis, thermogravimetric analysis, decomposition kinetics, degradation. INTRODUCCIÓN Uno de los principales problemas de nuestra sociedad es la generación y disposición de residuos sólidos. Debido al incremento en el uso vehicular miles de toneladas de llantas usadas son generadas en todo el mundo. Lee & Kim 1 reportan que en países desarrollados se desecha una llanta por persona anualmente. La disposición final de las llantas usadas es el confinamiento en rellenos sanitarios a modo de pilas al aire libre, generando así problemas de salud y riesgo de incendio.2, 3 Las llantas son una buena alternativa para obtener energía, debido a que están compuestas de caucho en la forma de CxHy con un valor calorífico de 33 MJ/kg.4 8 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Pirólisis de llantas usadas: Estudio cinético / Rosa C. Miranda, et al Se han presentado diferentes opciones para el tratamiento de llantas: Incineración, gasificación y pirólisis.5 La incineración permite obtener energía fácilmente, sin embargo las emisiones producidas como dioxinas y furanos no favorecen este proceso, desde el punto de vista ambiental. Una alternativa para la conversión de materiales que no son fácilmente reprocesados es la pirólisis. El proceso de pirólisis consiste en la descomposición térmica de macromoléculas en ausencia de oxígeno para la obtención de productos de menor peso molecular (líquidos, gases y carbón residual). Estos productos pueden ser útiles como combustibles o materias primas para otros procesos.6, 7, 8 El estudio cinético de la pirólisis de llantas usadas es de gran importancia debido a que constituye la etapa inicial para el desarrollo de los procesos de gasificación, incineración y pirólisis. La cinética de degradación de materiales puede ser estudiada mediante termogravimetría (TGA).2, 9, 10 , 11 La técnica de termogravimetría mide la pérdida de peso de una muestra en función del tiempo y la temperatura. Bajo condiciones controladas las limitaciones de transferencia de calor y masa entre la muestra, la charola porta-muestra y el gas acarreador pueden ser consideradas despreciables, para seguir únicamente la cinética química y no otros procesos.12, 13 La pirólisis de llantas ha sido reportada por varios investigadores a nivel laboratorio y a escala industrial.14, 15, 16, 17 Boukadir et al.18 encontraron que el mecanismo de degradación del caucho presenta dos etapas de reacción en condiciones isotérmicas, reportan un orden de reacción para la primera etapa de 1-1.5 y de 3 para la segunda, pero no reportan un buen ajuste del modelo a las curvas experimentales. Bouvier et al.19 reportaron una sola etapa de degradación y propusieron una reacción de primer orden. Los autores obtuvieron una energía de activación aparente de 125.5 kJ/mol y un factor de frecuencia de 1.08 x 109 min-1 usando TGA. Sin embargo, Kim et al.20 propusieron que los 3 componentes de la llanta degradan de manera independiente y sin interacción, siguiendo una reacción irreversible y de primer orden. Yang et al.9 identificaron y cuantificaron los componentes principales de la llanta (NR: Caucho Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 natural, BR: Poli-butadieno y SBR: EstirenoButadieno), aditivos y plastificantes (PLZ), utilizando la simulación de las curvas DTG. Teng et al.6 usaron un modelo de tres etapas para evaluar la evolución de volátiles durante la pirólisis de llantas. Leung & Wang2 investigaron el comportamiento cinético de los procesos de pirólisis y combustión de llantas usadas, mediante TGA. Los autores simularon y determinaron los parámetros cinéticos usando el modelo de tres componentes y el modelo de tres elastómeros. El objetivo del presente trabajo es el modelamiento matemático de la cinética de pirólisis de llantas usadas. Además de estudiar la influencia de las principales variables de operación sobre la cinética de degradación de polvo de llantas mediante el uso de la técnica de termogravimetría. Con el uso del método de termogravimetría dinámica se puede identificar la presencia de plastificantes, caucho natural y caucho sintético (SR), pero no se logra diferenciar entre las señales de caucho de poli-butadieno (BR) y caucho de estireno-butadieno (SBR). Una de las principales contribuciones del presente trabajo es la identificación y cuantificación de los componentes BR y SBR mediante el uso del método de cuasi-isotermas. EXPERIMENTACIÓN Materiales Las llantas usadas fueron proporcionadas por el relleno sanitario de Cd. Sabinas Hidalgo en Nuevo León, México. El contenido de humedad al recibir la muestra fue de 2 % en peso. La muestra fue obtenida cortando la llanta con utensilios de acero inoxidable, para después ser pulverizada con un molino de aspas 9 �Pirólisis de llantas usadas: Estudio cinético / Rosa C. Miranda, et al y nitrógeno líquido. El polvo de llanta se clasificó por el tamaño de la partícula utilizando diferentes tamices (0.250 a 0.895 mm), después fue secado en un horno convencional a 105°C por 24 horas. La muestra pulverizada y clasificada se mantuvo en desecador a temperatura ambiente para evitar la contaminación de la muestra y minimizar la humedad. Termogravimetría Los experimentos de análisis térmico fueron desarrollados con un microprocesador controlador de termogravimetría TGA Modelo TA Q500. El equipo de termogravimetría registra la pérdida de peso con respecto a la temperatura (TG, % en peso) y su primera derivada (DTG, %/min). El DTG es la rapidez de degradación puntual. Se utilizaron 5 mg de muestra con un tamaño de partícula medio menor a 0.250 mm. La muestra fue calentada de temperatura ambiente hasta 1000°C a presión atmosférica y los volátiles fueron extraídos durante todo el proceso mediante el uso de un flujo de gas acarreador (60 mL/min). Para la determinación de la cinética de reacción la rapidez de calentamiento se evaluó en el intervalo de 1 a 40°C/min, en modo dinámico. Las curvas de pérdida de peso y rapidez de pérdida de peso fueron obtenidas en función del tiempo y la temperatura. La cuantificación de cenizas se realizó en ambiente oxidante (O2, puro). Se identificó la presencia del NR, SBR y BR mediante el uso de estándares de cada uno de los materiales y su posterior simulación. Cuasi-Isotermas Con el propósito de identificar y cuantificar los diferentes componentes de la llanta se utilizó el método cuasi-isotérmico. Este método consiste en la combinación de rampas de calentamiento e isotermas. Cada isoterma corresponde a una reacción de descomposición. El algoritmo utilizado fue el siguiente: 1) Rampa de calentamiento de 20°C/min hasta que la rapidez de degradación sea mayor al 0.1 % en peso/min. 2) Isoterma hasta que la velocidad de degradación sea menor a 0.025 % en peso/min. 3) Vuelve al paso 1 hasta alcanzar 1000°C. 10 Variables de operación Para el estudio de las variables de operación se establecieron el límite mínimo y máximo para cada una de las variables que pueden afectar al proceso: Tamaño de partícula (polvo y trozo), flujo de gas acarreador (80 y 200mL/min) y peso de muestra inicial (1 y 20 mg). Las pruebas se realizaron fijando dos variables, con el fin de observar el efecto de la tercera variable. Como condiciones iniciales se utilizaron: 5mg, 0.250mm y 60mL/min. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Termogravimetría: Modo dinámico La figura 1 presenta la curva TG vs temperatura a diferentes rapideces de calentamiento, en ella se puede observar que a mayor rapidez de calentamiento mayor desplazamiento de las curvas hacia mayores temperaturas, lo cual indica un efecto de los procesos de transferencia de calor intraparticular sobre el proceso de degradación global. Las temperaturas iniciales (TI) y finales (TF), así como las temperaturas de máxima rapidez de descomposición (temperatura pico, TPi) para diferentes rapideces de calentamiento (HR) y el % en peso del residuo sólido (WR) obtenido al final de la reacción, se muestran en la tabla I. La temperatura inicial se encuentra en el rango de 120 a 152°C y la temperatura final entre 455 y Fig. 1. Curvas TG vs Temperatura de la pirólisis de llantas usadas a diferentes rapideces de calentamiento: 1, 5, 10, 20 y 40ºC/min (de izquierda a derecha) usando 60 ml/min de N2. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Pirólisis de llantas usadas: Estudio cinético / Rosa C. Miranda, et al Tabla I. Resultados de TGA de la descomposición de llantas a diferentes rapideces de calentamiento. HR TP1 TP2 TP3 WR TI TF 1 205 339 425 33 120 455 5 235 368 449 33 124 486 10 256 380 460 33 125 495 20 268 392 471 33 150 500 40 288 404 481 33 152 520 H R: Rapidez de calentamiento en ºC/min; T P1, T P2 y TP3: Temperaturas de pico en las etapas 1, 2 y 3 respectivamente, en ºC; TI = Temperatura de inicio del proceso, en ºC; TF = Temperatura de fin del proceso en ºC; WR = Residuo final, % en peso. 520°C, cambiando significativamente con la rapidez de calentamiento. La descomposición de llantas exhibe tres etapas principales de degradación, las cuales se definen por sus picos máximos, sin embargo estos se encuentran sobrepuestos como se observa claramente en la figura 2, que muestra las curvas DTG vs temperatura. La primera etapa se presenta entre 120 y 320°C con un pico máximo a 256°C. La segunda etapa ocurre entre 280 y 440°C con un pico máximo a 380°C. La tercera etapa se encuentra entre 400 y 520°C con un pico a 460°C. Los resultados son similares a los reportados por otros autores.2, 9 La pirólisis de llantas a presión Fig. 2. Curvas DTG de la pirólisis de llantas usadas a diferentes rapideces de calentamiento: 1, 5, 10, 20 y 40ºC/min (de abajo hacia arriba) en ambiente N2, flujo de gas 100 mL/min, peso 5.5 mg. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Fig. 3. Curvas TG y DTG de la pirólisis de llantas usadas por el método de cuasi-isotermas, usando 60 ml/min de N2. atmosférica da como resultado la formación de 67% en peso de volátiles y 33% en peso de sólido residual. Termogravimetría: Modo cuasi-isotérmico Los resultados obtenidos por el método cuasiisotérmico se presentan en la figura 3. Los datos experimentales muestran 7 etapas de degradación, las primeras 2 muestran una pérdida del 11% en peso y pueden ser asignadas a la volatilización de plastificantes.9 El tercer y cuarto pico corresponden al NR y BR, respectivamente con un 9% en peso cada uno. El quinto está asignado a la descomposición de la mezcla NR con SBR (13% en peso), el sexto y séptimo con una contribución del 24% en peso representan al BR. El residuo final de la muestra es del 34% en peso, el cual corresponde a 29% en peso a carbón fijo y un 5% en peso a cenizas. Parámetros cinéticos: Método de Friedman Se utilizó el método de Friedman para la determinación de los parámetros cinéticos.21, 22, 23 La figura 4 presenta las energías de activación obtenidas por el método de Friedman y el software cinético del equipo TGA Q500, basado en el modelo de Flynn.24,25 11 �Pirólisis de llantas usadas: Estudio cinético / Rosa C. Miranda, et al dTP n = − k1TP 1 dt dI1 n n = b(k1TP 1 − k2 I1 2 ) dt dI 2 n n = e(k2 I1 2 − k3 I 2 3 ) dt (1) (2) (3) dR n = g ( k3 I 2 3 ) dt Fig. 4. Energía de activación en función de la conversión. Modelos cinéticos Basados en el trabajo de Leung & Wang2 se utilizaron dos modelos cinéticos de tres etapas modelo de tres reacciones en serie (M3RS) y modelo de tres reacciones en paralelo (M3RP), los cuales consideran que cada etapa de pérdida de peso en la curva TG corresponde a una reacción aparente. Una reacción aparente se refiere a una etapa de pérdida de peso que ocurre en cierto intervalo de temperatura y está constituida por varias reacciones competitivas (paralelo) y/o consecutivas (serie). Modelo en serie (M3RS) El modelo supone tres reacciones consecutivas y asume que el material de llanta en polvo se degrada formando volátiles e intermediarios y que estos intermediarios se degradan formando más volátiles y residuo. El esquema del modelo se presenta a continuación. K1 → aV1 + bI1 TP ⎯⎯ K2 → cV2 + eI 2 bI1 ⎯⎯ K3 → fV3 + gR eI 2 ⎯⎯ En donde TP es llanta en polvo, Vi es la formación de volátiles, I representa la formación de un intermediario, R indica el residuo y a, b, c, e, f y g son los coeficientes estequiométricos de cada reacción aparente. La nomenclatura permanece sin cambio, sólo se especificarán variables nuevas. Las ecuaciones diferenciales a resolver de manera simultánea se presentan a continuación: 12 (4) La constante de rapidez ki está definida en función de la temperatura, por la expresión de Arrhenius (ecuación 5). ki = Ai exp [− Eai / RT ] (5) Donde: i es el número de la reacción, ki es la constante de rapidez, Ai es el factor pre-exponencial y Eai es la energía de activación. La solución de ecuaciones diferenciales se realizó utilizando el algoritmo de Runge Kutta de cuarto orden y el método de optimización Simplex para minimizar el criterio de mínimos cuadrados definido por la ecuación: ⎡⎛ dTG ⎞ EXP ⎛ dTG ⎞ SIM ⎤ −⎜ error = ∑ ⎢⎜ ⎥ ⎟ ⎝ dt ⎟⎠ i ⎥⎦ i =1 ⎢ ⎣⎝ dt ⎠ i N ⎛ dTG ⎞ EXP ⎛ dTG ⎞ 2 (6) SIM Donde: ⎜⎝ dt ⎟⎠ y ⎜⎝ dt ⎟⎠ son la rapidez de descomposición experimental y simulada para el i-ésimo dato. Las curvas simuladas y experimentales se muestran en la figura 5. Podemos observar los perfiles de rapidez de reacción (DTG). Las curvas hacia abajo (-) indican el consumo de reactivos y las curvas hacia arriba (+) indican la formación de productos. El polvo de llantas se consume, forma intermediarios, estos se consumen y forman residuo. Modelo en paralelo (M3RP) Este modelo considera que cada componente (PLZ, NR y SR) se degrada independientemente y supone no-interacción entre los productos de reacción, debido a que estos son extraídos rápidamente del reactor. Cada reacción presentada en el esquema siguiente forma productos volátiles (Vi) y carbón residual (R). Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Pirólisis de llantas usadas: Estudio cinético / Rosa C. Miranda, et al Fig. 6. Curvas DTG Simulada vs. Experimental. Modelo en paralelo (1ºC/min) y 60 ml/min de N2. Fig. 5. Curvas DTG Simulada vs. Experimental. Modelo en serie (1ºC/min). PLZ → V1 + R NR → V2 + R SR → V3 + R Las ecuaciones cinéticas que representan el mecanismo de reacción en paralelo se listan a continuación: dTP dPLZ dNR dSR (7) = α1 + α2 + α3 dt dt dt dt dPLZ n (8) = − K1 PLZ 1 dt dNR n (9) = − K 2 NR 2 dt dSR n (10) = − K 3 SR 3 dt En donde α representa el coeficiente de participación de cada componente de la llanta. La figura 6 muestra las curvas de rapidez de pérdida de peso debido a la degradación de cada uno de los componentes de la muestra y la volatilización de los productos. La rapidez de degradación global es la suma de las velocidades parciales de degradación. Los parámetros cinéticos obtenidos, son similares a los reportados por Leung & Wang.2 En la tabla II se observa que los parámetros del modelo en serie Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 y el modelo en paralelo son similares. Además, los valores de A y Ea de la primera etapa son pequeños, comparados con los de la segunda y tercera etapa, debido a que los plastificantes no se degradan durante el proceso, sólo se volatilizan y salen del horno sin cambios en su estructura química. El orden de reacción obtenido es igual a la unidad. Varios autores han reportado el orden de reacción igual a uno.2,6,9,18,19,20 Los resultados del presente trabajo difieren con los reportados por Bouvier et al.19 debido a que los parámetros cinéticos (energía de activación aparente de 125.5 kJ/mol y factor de frecuencia de 1.08 x 109 min-1) son obtenidos ajustando los datos experimentales a una sola reacción aparente, sin diferenciar entre los diferentes componentes de la llanta. Tabla II. Parámetros cinéticos (M3RP-M3RS). Etapa de Reacción A, min -1 Ea, kJ/mol n Modelo en serie (3 etapas) 1 460 34 1 2 5 x10 13 172 1 3 5 x1012 178 1 Modelo en paralelo (3 etapas) 1 460 35 1 2 5 x10 13 173 1 3 5 x1012 178 1 13 �Pirólisis de llantas usadas: Estudio cinético / Rosa C. Miranda, et al Leung & Wang2 presentan un modelo de seis reacciones en paralelo, el cual surge de la idea del desprendimiento individual de los aceites plastificantes embebidos en el seno de cada tipo de caucho (NR, SBR y BR). Los investigadores presentan parámetros de energía de activación similares para las tres etapas de volatilización de plastificantes, lo que hace pensar que es inútil la simulación de tres diferentes etapas de volatilización de plastificantes. Los modelos presentados en el trabajo actual muestran buenos resultados y requieren un menor número de etapas. La figura 8 presenta el efecto del tamaño de partícula sobre el comportamiento térmico de las llantas. Como se puede observar existe un efecto significativo del tamaño de partícula sobre el proceso de degradación. La curva DTG de la llanta en trozo se degrada a mayor temperatura, desplazándose a la derecha. Los tres picos de DTG se presentan a mayor temperatura. La rapidez de volatilización del pico 1 disminuye (Plastificantes) y la del pico 2 y 3 aumenta (NR y SR) debido a que el plastificante escapa de la fase sólida hasta que el material de caucho comienza a degradarse, esto ocurre por encima de 350°C. La figura 9 muestra el efecto del flujo de gas acarreador sobre el comportamiento térmico de las llantas. Se puede observar un efecto poco Efectos de transferencia intra e interparticular La figura 7 muestra la influencia del peso de la muestra sobre las curvas TG y DTG. Como se puede observar la curva DTG de la muestra de llanta de 20 mg se desplaza a la derecha respecto a la muestra de 1 mg, debido al impedimento de las capas superiores de caucho al libre flujo de plastificantes hacia el exterior de la fase sólida. Los picos de la muestra de 1 mg son más definidos y se observan las curvas más separadas. El primero y segundo pico en las curvas DTG se presentan ligeramente desplazadas a la derecha (10ºC de diferencia), el tercer pico no muestra diferencia significativa (diferencia de 5 ºC) en los dos experimentos. Los resultados muestran que a mayor peso de muestra la transferencia de calor tiene mayor efecto. Por lo tanto existe un efecto importante el peso inicial de la muestra sobre la rapidez de volatilización. Fig. 8. Efecto del tamaño de partícula sobre las curvas TG/DTG de llantas usando 6 mg de muestra, 20ºC/min y 60 ml/min de N2. Fig. 7. Influencia del Peso de muestra sobre las curvas TG/DTG de llantas a 20ºC/min y 60 ml/min de N2. Fig. 9 Influencia del Flujo de Gas Acarreador sobre las curvas TG/DTG de llantas usando 6 mg de muestra y 20ºC/min. 14 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Pirólisis de llantas usadas: Estudio cinético / Rosa C. Miranda, et al significativo del flujo de gas acarreador, por lo que se puede afirmar que no existe influencia de esta variable sobre el proceso. CONCLUSIONES El proceso de pirólisis de llantas usadas presentó tres etapas de descomposición térmica. El rango de temperatura de la descomposición térmica de llantas se encuentra entre 120 y 520°C. Las etapas corresponden a la volatilización de plastificantes, la degradación del caucho natural y sintético, respectivamente. Los resultados de termogravimetría muestran una pérdida de peso total del 67 % en peso y un peso de sólido residual del 33 % en peso, el cual corresponde a 28 % en peso de carbón fijo y un 5 % en peso de cenizas. La simulación de datos experimentales a los modelos de degradación de 3 reacciones en serie y en paralelo presenta un buen ajuste a los datos experimentales. Sin embargo se encontró mejor ajuste para el modelo en paralelo, en comparación con el modelo en serie. El peso de muestra y el tamaño de partícula influyen significativamente en la cinética de degradación del material, siendo el flujo de gas una variable de menor influencia. Estos resultados son prueba de que los procesos de transferencia de calor y masa afectan la volatilización de plastificantes y la rapidez de degradación global del material. El escalamiento del proceso, involucra el efecto de variables como peso y tamaño de partícula del material, por lo que es necesario el análisis del proceso a una mayor escala. Estudios posteriores en un reactor semi-continuo a escala banco, serán encaminados hacia estos objetivos particulares. REFERENCIAS 1. Lee, J. S. y S. D. Kim, Gasification kinetics of waste tire-char with CO2 in a thermobalance reactor. Energy: 21, 343-352 (1996). 2. Leung, D.Y.C. and C.L. Wang, Kinetic modeling of scrap tire pyrolysis. Energy and Fuels: 13, 421-427 (1999). Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 3. Leung, D.Y.C., X.L. Yin, Z.L. Zhao, B.Y. y Xu, Y. Chen, Pyrolysis of tire powder: influence of operation variables on the composition and yields of gaseous product. Fuel Processing Technology: 79,141-155 (2002). 4. Conesa, J.A., A. Fullana y R. Font, Tire pyrolysis: Evolution of volatile and semivolatile compounds. Energy and Fuels: 14, 409-418 (2000). 5. Jang, J.W., T.S. Yoo y J.H. Oh, I. Iwasaki, Discarded tire recycling practices in the United States, Japan and Korea resources. Conservation and Recycling: 22, 1-14 (1998). 6. Teng, H., M.A. Serio, M.A. Wojtowicz, R. Bassilakis y P.R. Solomon, Reprocessing of used tires into activated carbon and other products. lnd. Eng. Chem. Res., 34, 3102-3111 (1995). 7. Giavarini C., Active carbon from scrap tyres. Fuel: 64, 1331-1332 (1985). 8. Roy, C., B. Labrecque y B. D. Caumia, Recycling of scrap tires to oil and carbon black by vacuum pyrolysis, Resource Conservation & Recycling: 4, 203-213 (1990). 9. Yang, J., Kaliaguine y S. y Roy, C. Improved quantitative determination of elastomers in tire rubber by kinetic simulation of DTG curves. Rubber Chemistry and Technology. 66, 213-229 (1993). 10. Conesa, J.A. y A. Marcilla, Kinetic study of the thermogravimetric behavior of different rubbers. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis: 37, 95-110 (1996). 11. Conesa, J.A., A. Marcilla, J.A. Caballero, R. Font. Comments on the validity and utility of the different methods for kinetic analysis of thermogravimetric data. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis: 58-59, 617-633 (2001). 12. Menis, O., H. L, Rook y Garm, P. D, The Stateof-the-Art of thermal analysis ,U.S. Government Printing Office. Washington, DC, (1980). 13. González, J.F., J.M. Encinar, J.L. Canito y J.J. Rodríguez, Pyrolysis of Automobile Tyre Waste. Influence of operating variables and kinetic study: Journal of Analytical an Applied Pyrolysis, 5859, 667-683. (2001) 14. Conesa J.A., I. Martín-Gullón, R. Font y J. Jauhiainen, Complete study of the pyrolysis and 15 �Pirólisis de llantas usadas: Estudio cinético / Rosa C. Miranda, et al Gasification of Scrap Tires in a Pilot Plant Reactor: Environ. Sci. & Technol.: March (2004). 15. Ganesh K.S., S. Sundarrajan, K. Kishore, K.N. Ninan, B. George y M. Surianarayanan, Primary pyrolysis of hidroxyterminated polibutadiene: Macromolecules: 33,326-330, 33 (2000). 16. Huang H., L. Tang, C.Z. Wu, Characterization of Gaseous and solid product from thermal plasma pyrolysis of waste rubber: Environ. Sci. Technol. 37, 4463-4467 (2003). 17. Roy C., Chaala A., Darmstadt H.; The vacuum pyrolysis of used tire end-uses for oil and carbon lack products; Journal of Analytical and Applied Pyrolysis: 51, 201-221 (1999). 18. Boukadir D., J.C. David, R. Granger, J. Vergnaud. Preparation of a convenient filler for thermoplastics by pyrolysis of rubber powder recovered from tyres: Journal of Analytical and Applied Pyrolysis: 3, 83-89. (1981). 19. Bouvier, J.M., F. Charbel y M. Gelus, Gas-solid pyrolysis of tire wastes kinetics and material balance of batch pyrolysis of used tires. Resource & Conservation: 15, 205-214 (1987). 20. Kim. S. D., J. K. Park y H. D. Chun, Journal of Environmental Engineering: 121, 507–514 (1995). 21. Friedman, H.L. Kinetics of thermal degradation of char-forming plastics from thermogravimetry. Application to a phenolic plastic. Journal of Polymer Science: Part C6: 183-195 (1965). 22. Miranda, R., J. Yang, C. Roy y C. Vasile, Vacuum Pyrolysis of PVC Part I: Kinetic Study, Polym Degrad. Stab.: 64(1) 127-144 (1999). 23.Miranda, R., J. Yang , C. Roy y C. Vasile, Vacuum pyrolysis of commingled plastics containing PVC Part I: Kinetic study,Polym Degrad. Stab.: 72(3) 469-491 (2001). 24.Blaine, R.L. y B.K. Hahn, Obtaining kinetic parameters by modulated thermogravimetry: J.Thermal Analysis 54, 695-704 (1998). 25 Flynn, J.H. y L.A. Wall, A Quick, Direct method for the determination of activation energy from thermogravimetric data: Polym. Lett., 4(1966) 323-328. XI Congreso Latinoamericano de Transferencia de Calor y Materia LATCYM 2006 6 al 8 de septiembre de 2006 México, D.F. Áreas Temáticas 1. Combustión 2. Convección 3. Ingeniería de procesos 4. Optimización y análisis de energía 5. Métodos numéricos en fenómenos de transporte 6. Conducción de calor 7. Transferencia de calor con cambio de fase 8. Instrumentación y técnicas experimentales 9. Transferencia de masa 10. Métodos matemáticos 11. Medios porosos 12. Transferencia simultánea de calor y materia 13. Energía solar 14. Radiación térmica 15. Termodinámica 16. Transferencia de calor y/o masa con reacción química 17. Enseñanza en la transferencia de calor y materia 18. Obtención y caracterización de materiales en ingeniería INFORMACIÓN: Teléfono: (+52) 54 83 20 20 Extensiones: 1547, 2198, 2194, 2182 Fax: (+52) 54 83 21 63 E-mail: cltcm06.ccm@servicios.itesm.mx http://dia.ccm.itesm.mx/~rvillaurru/ 16 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �LNIG: Nueva estación sísmica digital en el noreste de México Juan Carlos Montalvo Arrieta, Héctor de León Gómez Facultad de Ciencias de la Tierra, UANL montalvo@fct.uanl.mx , hdeleon@mail.uanl.mx Carlos Valdés González Instituto de Geofísica, UNAM carlosv@ollin.igefcu.unam.mx RESUMEN El 2 de febrero de 2006 se inauguró en la Facultad de Ciencias de la Tierra, la primera estación sismológica digital del noreste de México. La estación Linares (LNIG) representa la primera estación de la nueva generación de observatorios sismológicos que se instalarán en todo el territorio nacional para dar cobertura a la actividad sísmica generada en nuestro país. PALABRAS CLAVE Servicio Sismológico Nacional, riesgo sísmico, sismotectónica, monitoreo sísmico, terremotos intraplaca. ABSTRACT On February 2nd, 2006, at the School of Earth Sciences of the UANL, the first digital seismologic station of northeastern Mexico was officialy opened. The Linares site (LNIG) represents the first station of the new generation of seismologic observatories that are situated in overall Mexico, with the goal of trying to cover all the seismic activity that occurs in our contry. KEYWORDS National Seismological Service, seismic risk, seismotectonics, seismic monitoring, intraplate events. ANTECEDENTES El Servicio Sismológico Nacional (SSN) El objetivo principal del SSN es el proporcionar información oportuna sobre la ocurrencia de sismos en el territorio nacional y determinar sus principales parámetros como son la magnitud y el epicentro. De igual manera, el SSN se encarga de proporcionar la información necesaria para mejorar nuestra capacidad de evaluar y prevenir el riesgo sísmico y volcánico a nivel nacional.1 Historia El primero de abril de 1904 se reunieron en Francia, dieciocho países, entre ellos México, con el fin de crear la Asociación Sismológica Internacional y mejorar la instrumentación sísmica a nivel mundial. Para cumplir con los compromisos adquiridos en esa reunión, el gobierno mexicano decretó la fundación del Servicio Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 17 �LNIG: Nueva estación sísmica digital en el noreste de México / Juan Carlos Montalvo Arrieta, et al Sismológico Nacional (SSN) el 5 de septiembre de 1910. En ese momento el SSN quedó bajo el cargo del Instituto Geológico Nacional dependiente de la Secretaría de Minería y Fomento.1 Entre 1910 y 1923 se instalaron 9 estaciones sismológicas mecánicas autónomas (figura 1). La central fue instalada en Tacubaya, D. F. y las foráneas en las ciudades de Oaxaca, Mérida, Chihuahua, Veracruz, Guadalajara, Monterrey y Zacatecas (figura 1). Se eligieron sismógrafos “Wiechert” de fabricación alemana. Siete de estos todavía operan en la actualidad y constituyen probablemente, el sistema más antiguo de América que ha operado por mayor tiempo en forma continua.1 Fig. 1. Primeras estaciones autónomas de Servicio Sismológico Nacional. La estación sismológica de Monterrey, N.L. se localizó en el Cerro del Obispado (figura 2) y fue inaugurada el 7 de junio de 1913 por el entonces gobernador Don Salomé Botello y el Jefe de Armas General Fernando González. El equipo instalado estuvo compuesto por dos sismógrafos Wiecher (horizontal de 200 kgr de masa, y vertical de 80 kgr de masa, figura 3). La información Monterrey N. L. Mérida, Yucatán. Fig. 2. Sedes de algunas de las primeras estaciones sismológicas en la década de 1910. 18 Fig. 3. Sismógrafo mecánico tipo Wiecher componente vertical. generada por la estación no se ha podido rescatar, por lo que, hoy día no se cuenta con el registro histórico analógico de la sismicidad en el noreste de nuestro país. En la actualidad la información sísmica disponible se debe a recopilaciones realizadas en catálogos sísmicos nacionales, internacionales, libros, artículos, periódicos y crónicas. Esta recopilación, se ha llevado acabo recientemente por profesoresinvestigadores y estudiantes de la Facultad de Ciencias de la Tierra de la UANL.2 El SSN pasó a ser parte de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1929 y desde 1948 quedó adscrito al Instituto de Geofísica de la UNAM. En sus inicios, el SSN contó con los instrumentos más modernos de la época, sin embargo, es hasta los años sesenta que se comienza la instalación de sismógrafos electromagnéticos, llegando a tener aproximadamente 20 instrumentos autónomos, con grabación de las señales sísmicas en papel ahumado y fotográfico.1 La instalación de la Red Sísmica de Apertura Continental (RESMARC) se inició en la UNAM a mediados de los años setenta, con el fin de contar con estaciones telemétricas digitales en todo el territorio nacional. En esta red, la transmisión de las señales se realizaba por medio de enlaces de microondas proporcionados por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (ahora TELECOM). Las operaciones de detección y captura de eventos sísmicos se utilizaba una computadora PDP11-40.1 En agosto de 1986, RESMARC pasó a formar parte del SSN. Así, se integraron las dos redes de Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �LNIG: Nueva estación sísmica digital en el noreste de México / Juan Carlos Montalvo Arrieta, et al cobertura nacional. Esto mejoró el monitoreo sísmico en el país, y por primera vez, permitió al SSN contar con registros en tiempo real desde diferentes puntos de la República Mexicana. Sin embargo, la cobertura nacional aún era insuficiente.1 En 1988 se amplió la Red Telemétrica del SSN, recibiendo apoyo de Petróleos Mexicanos (PEMEX), que facilitó canales de su red de microondas para la transmisión de los datos. A inicios de los años 90’s el Departamento de Instrumentación del Instituto de Geofísica, comenzó a desarrollar un sistema de adquisición y procesamiento automático de datos y a instrumentar estaciones telemétricas digitales.1 A partir de 1992, con apoyo presupuestal de la Secretaría de Gobernación y de la UNAM, se inició la modernización de la Red Sismológica Nacional con la instalación de equipos de nueva tecnología. Así, nació la red de Observatorios Sismológicos de Banda Ancha. Hoy el SSN cuenta con 26 observatorios sísmicos en todo el país y tiene planeado aumentar la red a 33 (figura 4). Fig. 4. Red Sísmica Nacional de banda ancha1. Red de Banda Ancha La Red Sismológica de Banda Ancha está configurada para monitorear la sismicidad en las regiones de mayor potencial sísmico dentro de la República Mexicana. Las estaciones se localizan, en su mayoría, a lo largo de las costas del Océano Pacífico y de Veracruz, así como en el Cinturón Volcánico Mexicano (figura 4). Las características instrumentales de las estaciones que componen la red de banda ancha son las siguientes: Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 • Un Sismómetro STS-2. Estos sensores triaxiales permiten registrar ondas sísmicas en una amplia banda de frecuencias, con respuesta plana a la velocidad del suelo entre 0.01 a 30 Hz, y capacidad de registrar sismos en una amplia gama de magnitudes, desde sismos locales pequeños hasta sismos lejanos, sin problemas de saturación.1 • Un acelerómetro FBA-23. Estos sensores triaxiales permiten registrar las aceleraciones del suelo dentro de un amplio espectro de frecuencias sin saturación de la señal para sismos locales y regionales de gran magnitud. Estas características de los sensores, permiten estimar con gran precisión la magnitud de sismos grandes que puedan ocurrir en el territorio nacional.1 • Un registrador Quanterra con digitalizador de 24 bits. Las señales del sensor de velocidad y aceleración son muestreadas en forma continua a 20, 1 y 0.1 muestras por segundo (mps), son convertidas a un formato digital y almacenadas en el disco duro del registrador Quanterra. Debido al proceso de modernización de las estaciones de banda ancha, en la actualidad sólo 16 observatorios cuentan con la tecnología de punta para transmitir la información sísmica recabada en tiempo real a la Estación Central. Además de tres estaciones que transmiten en forma satelital desde la Isla Socorro. En el caso de temblores de moderados a grandes de magnitud > 4.5, las señales de velocidad y aceleración se muestrean a 80 mps. Los datos almacenados se transmiten a la Estación Central mediante un programa de comunicación y extracción automática a través de Satélite, Internet o por Teléfono.1 Todas las estaciones cuentan además con un reloj GPS que permite obtener una referencia de tiempo de alta precisión, el cual es almacenado junto con la información sísmica. Los equipos se encuentran alojados en casetas especialmente construidas para minimizar el ruido y mantener una temperatura controlada. Las instalaciones cuentan con doble pared y aislamiento de aire para minimizar los cambios de temperatura en el interior. Además los sensores se cubren con material aislante de temperatura y está forrado con papel aluminio para evitar inducciones eléctricas. Para registrar con una buena relación señal a ruido y minimizar los efectos de sitio, se construyó 19 �LNIG: Nueva estación sísmica digital en el noreste de México / Juan Carlos Montalvo Arrieta, et al un pilar el cual se encuentra empotrado sobre el tipo de roca seleccionada, independiente de la estructura de la caseta.1 SISMICIDAD HISTÓRICA EN EL NORESTE DE MÉXICO El Noreste de México se ha considerado como una región asísmica.3 La principal regionalización sísmica de la República Mexicana dice que el noreste de México pertenece a la zona A1 (zona A: en esta región no se tienen registros históricos de sismos, no se han reportado sismos en los últimos 80 años y no se esperan aceleraciones del suelo mayores a un 10% de la aceleración de la gravedad a causa de temblores). Sin embargo, estudios recientes muestran que hay evidencia reciente e histórica de actividad sísmica.2,4,5 Por lo que, esta porción del país se puede definir como una región con baja sismicidad y ausencia de registros de terremotos (figura 5). Los grandes terremotos intraplaca (o al interior de los continentes) en regiones tectónicamente estables son raros comparados con aquellos originados en los límites de placa. Sin embargo, estos sismos ocasionales pueden ser extremadamente devastadores debido a que las ciudades localizadas en estas regiones son construidas sin tomar en cuenta criterios de diseño sísmicos. Ejemplos de estos sismos, expresados en Magnitud de momento sísmico MW, son: Killari (Latur), India (1994, MW = 6.2),6 Bhuj (Gujarat), India (1994, MW = 7.7) y los eventos de 1811-1812 en la zona de Nuevo Madrid (parte central de Estados Unidos de América). En el noreste de México se han reportado un total de 146 eventos,2,5 dentro del periodo 1787- Fig. 5. Regionalización sísmica de la República Mexicana.2 20 2004 (figura 6), de los cuales los sismos de Bavispe, Sonora (MW = 7.4),7 Parral, Chihuahua de 1928 (MW = 6.5),8 Valentine, Texas de 1931 (MW = 6.4)9 y recientemente, el sismo del 14 de abril de 1995, en la región suroeste de Texas (MW 5.7),10,11 representan los mayores sismos ocurridos en la región de estudio. La figura 6 muestra las localizaciones epicentrales de estos eventos y los tres principales rasgos estructurales (lineamientos y fallas corticales con direcciones norte-noroeste que han sido identificadas o postuladas para el noreste de México: 1) La falla La Babia (incluye el lineamiento Sabinas-Boquillas y la falla de Sabinas) la cual cruza el norte de Coahuila. 2) En la parte central de Coahuila, está definida la falla de San Marcos o el lineamiento Sierra Mojada-China (existen dos lineamientos relacionados con esta falla, el lineamiento Caltam y la falla de Monclova). 3) Algunos autores han propuesto la existencia de un gran sistema lateral izquierdo en el norte de México: zona de falla Saltillo-Torreón, la falla Torreón-Monterrey y la mega-falla de la Mojave-Sonora.12,13. Algunos autores13,14,15 han propuesto que estas fallas han presentado varios periodos de activación a través del tiempo, desde el periodo Jurásico hasta el Terciario, incluyendo el Cuaternario. Se ha observado16 que la orientación de los esfuerzos horizontales máximos en esta región es paralela a la dirección de los esfuerzos presentes en el rift, o sea en el hundimiento del terreno debido a la presencia de fallas de desplazamiento normal: del Río Grande y las fallas de edad Cuaternaria localizadas al oeste del estado de Texas, EEUU y noreste de Chihuahua. Por lo que, la dirección del campo de esfuerzo horizontal mínimo actual en la corteza terrestre es en dirección noroeste-sureste (NNW-SSE, las mediciones realizadas en el noreste de México, incluyen datos en las fallas La Babia y San Marcos), favoreciendo la reactivación de estas fallas con una componente de extensión. Se ha mencionado5 que la sismicidad presente en esta región, obtenida a partir de catálogos sísmicos nacionales e internacionales, puede estar relacionada con los sistemas de fallas antes descritos. Recientemente, el 6 de abril de 2004, un sismo de Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �LNIG: Nueva estación sísmica digital en el noreste de México / Juan Carlos Montalvo Arrieta, et al Fig. 6. Sismicidad histórica del noreste de México y sur de Texas (1928-2004) y principales lineamientos y fallas que han sido identificados o postulados en esta región. Los círculos grandes representan los mayores sismos que se han generado en la región. M representa a la magnitud local. Se muestran algunas ciudades (Chi: Chihuahua; Del: Delicias; Dur: Durango; Tor: Torreón; Mon: Monclova; Sal: Saltillo; Mty: Monterrey; Lin: Linares; P. Neg: Piedras Negras; Rey: Reynosa).4 magnitud 3.9 (Servicio Sismológico Nacional) se sintió en las localidades de Montemorelos, General Terán, Allende y China localizadas en parte central del estado de Nuevo León. En Montemorelos fueron reportadas fracturas en casas habitación. Aunque solamente el 5% de la energía sísmica global es liberada en el interior de los continentes,17,18 el impacto que estos sismos pueden causar a la población y construcciones civiles, justifica grandes esfuerzos en entender y estimar el riesgo sísmico en estas regiones aparentemente estables. Es en este sentido, que para estudiar el efecto de grandes terremotos en esta parte del país, es necesario conocer el ambiente sismotectónico y la respuesta de sitio en las zonas urbanas. Lo cual se lleva acabo a través de la instrumentación sísmica. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 LA ESTACIÓN SISMOLÓGICA DE LINARES, N.L., MÉXICO La estación Linares (LNIG, por sus siglas las dos primeras corresponden al sitio LN: Linares, Fig. 7. Estación sismológica Linares (Facultad de Ciencias de la Tierra, UANL). 21 �LNIG: Nueva estación sísmica digital en el noreste de México / Juan Carlos Montalvo Arrieta, et al IG: Instituto de Geofísica, UNAM, nomenclatura estándar de las estaciones del SSN) representa la primera estación (figura 7) de la nueva generación de observatorios sismológicos que se instalarán en todo el territorio para dar cobertura a la actividad sísmica generada en nuestro país, en este esfuerzo participan además de la UNAM, la UANL, la Secretaría de Gobernación quien proporcionó parte del apoyo económico, CENAPRED proporcionó el sensor y el digitizador, la UNAM aportó la caseta, la conexión satelital, toda la parte eléctrica y periférica y la UANL facilitó el sitio (ubicación, seguridad e interés geológico). En la actualidad es la estación más al norte del país. La inauguración de la estación LNIG se llevó a cabo el 2 de febrero de 2006 en la Facultad de Ciencias de la Tierra de la UANL. En este acto estuvieron presentes: el rector de la UANL, José Antonio González Treviño, el director del Instituto de Geofísica de la UNAM, José Valdés Galicia, representante del rector de la UNAM, Juan Ramón de la Fuente, el alcalde de Linares, Fernando Adame Doria y el director de Protección Civil del Estado de Nuevo León, Jorge Camacho. Además del director de la Facultad de Ciencias de la Tierra, Héctor de León Gómez y el Jefe del SSN, Carlos Valdés Gómez. En la parte técnica y de investigación los responsables del manejo de la información sísmica registrada serán Juan Carlos Montalvo Arrieta (FCT-UANL) y Carlos Valdés Gómez (SSN-UNAM). Los datos de la estación LNIG, se sumarán a la información sísmica registrada por los demás observatorios distribuidos en nuestro país. El monitoreo sismológico proporcionará la información oportuna sobre la ocurrencia de los sismos en el territorio nacional, a su vez permitirá determinar su magnitud y localización epicentral. Ambas instituciones (UNAM - UANL) serán las encargadas de procesar y proporcionar la información sísmica necesaria, mejorando nuestra capacidad para la evaluación y prevención del riesgo sísmico. Se ha elegido a la FCT-UANL, como observatorio sismológico considerando su ubicación geográfica en el estado de Nuevo León, al sur de la ciudad de Monterrey y por sus características geológicas, esto es, rocas de edad mesozoicas muy consolidadas las cuales funcionan como sitios con bajos niveles de ruido, generando registros muy claros, los cuales permitirán realizar otro tipo de estudios especializados sobre el interior de la tierra y la constitución de las rocas presentes en esta porción del país, por ejemplo conocer el espesor de la corteza, un dato que hasta la fecha sólo ha sido extrapolado de otros sitios cercanos. La localización estratégica de la estación Linares permitirá dar cobertura de la actividad sísmica de una región con intereses geológicopetroleros (riesgos por deslizamiento, licuefacción del terreno, sismicidad inducida, reactivación de fallas geológicas entre otros fenómenos) capaces de generar algún tipo de sismicidad. El equipo instalado en LNIG (figura 9) se encuentra conformado por un sismómetro de banda Fig. 8. Inauguración de la LNIG, el 2 de febrero de 2006.. Fig. 9. Equipo sismológico instalado y antena de comunicación satelital de la LNIG. 22 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �LNIG: Nueva estación sísmica digital en el noreste de México / Juan Carlos Montalvo Arrieta, et al ancha STS-2 y un acelerógrafo tipo FBA-23, un sismógrafo Quanterra Q330 2004 (el cual almacena la información sísmica registrada por los sensores), equipo de comunicación y periféricos. Por otro lado, la estación Linares manejará la información en tiempo real y vía satélite con la sede del Servicio Sismológico Nacional. Primeros resultados Desde su puesta en marcha (20 de enero de 2006) la estación sismológica Linares ha registrado al menos cinco terremotos importantes que han ocurrido en diversas partes del mundo como el sismo de Tonga del 3 de mayo de 2006 (M = 7.9) el cual fue localizado al norte de Nueva Zelanda. En nuestro estado, se cuenta con el registro del sismo de “Santiago”, el cual representa al primer sismo local registrado de manera digital en la región (Tabla I). Las figuras 10 y 11 muestran la localización epicentral del sismo de Santiago y los registros de Tabla I. Parámetros de localización del sismo de Santiago, N.L., México. Fecha 2006/04/17 Hora local (am) 11:25:10 Latitud ºN Longitud ºW 25.32 -100.38 Prof. (km) 20 Magnitud Local 4.3 Localidad 26 km al suroeste de Santiago, N. L. Fig. 10. Localización epicentral del sismo de Santiago, N.L., y sismicidad del sur del país. Los círculos muestran la localización epicentral de la sismicidad ocurrida del 5 al 17 de abril de 2006. (Servicio Sismológico Nacional). Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Fig. 11. Registros de velocidad de las tres componentes del movimiento del suelo para el sismo de Santiago (M = 4.3). velocidad en las tres componentes del movimiento del suelo. En la página web del SSN se muestra de manera continua la actividad sísmica reciente a través de mapas como la figura 10 y a través de tablas donde se presentan los datos de ubicación geográfica, hora, fecha de ocurrencia, magnitud, profundidad y localidad de los sismos generados en el territorio nacional. COMENTARIOS FINALES La instalación de la estación Linares (LNIG) permitirá monitorear la actividad sísmica que se genere en la región noreste del país y junto con los registros de otras estaciones del Servicio Sismológico Nacional proporcionará información oportuna sobre la ocurrencia de sismos en el territorio nacional y determinar sus principales parámetros como son la magnitud y el epicentro. De igual manera, la información sísmica registrada en la estación LNIG servirá para entender el comportamiento de la actividad tectónica del noreste de México una región que por mucho tiempo se ha considerado “asísmica”. De tal manera que los datos proporcionados por la estación, en conjunto con otro tipo información geológica nos permita mejorar nuestra capacidad de evaluar y prevenir el riesgo sísmico de regiones continentales con intereses geológico-petroleros. 23 �LNIG: Nueva estación sísmica digital en el noreste de México / Juan Carlos Montalvo Arrieta, et al REFERENCIAS 1. Servicio Sismológico Nacional, 2006. Regiones sísmicas de México.http://www.ssn.unam.mx 2. Galván Ramírez, I. N., 2005. Sismicidad histórica y predicción del movimiento del suelo en el NE de México (24-31º N, 97-106º W). Tesis de licenciatura. Facultad de Ciencias de la Tierra, UANL. 94 p. 3. Figueroa, J., 1970. Catálogo de sismos ocurridos en la República Mexicana, Universidad Nacional Autónoma de México, México, 88 pp. 4. Montalvo-Arrieta, J. C., Quintanilla, Y., Tamez, A., Meneses., M., y Ramos, L., 2005. Microzonation of Linares region (northeast México), based on geology and shear-wave velocity ( V s 30 ). Geofísica Internacional, 44, 331-340. 5. Galván-Ramírez, I. N., y Montalvo-Arrieta, J. C., 2006. The historical seismicity and prediction of ground motion in Northeast Mexico (24-31ºN, 97-106ºW). Journal of South American Earth Sciences, en revisión. 6. Gupta, H. K., Rastogi, B. K., Mohan, I., Rao, C. V. R. K., Sarma, S. V. S., y Rao, R. U. M., 1998. An investigation into the Latur earthquake of September 29, 1993 in southern India. Tectonophysics 287, 299-313. 7. Natali, S. G., y Sbar, M. L., 1982. Seismicity in the epicentral region of the 1887 northeastern Sonora earthquake, Mexico. Bulletin of the Seismological Society of America, 72, 181-196. 8. Doser, D. I., 1987. The 16 August 1931 Valentine, Texas, earthquake: evidence for normal faulting in west Texas. Bulletin of the Seismological Society of America 77, 2005-2017. 9. Doser, D. I., y Rodriguez, J., 1993. The seismicity of Chihuahua, Mexico, and the 1928 Parral earthquake. Physics of the Earth and Planetary Interiors 78, 97-104. 24 10. Xie, J., 1998. Spectral inversion of Lg from earthquakes: a modified method with applications to the 1995, Western Texas earthquake sequence. Bulletin of the Seismological Society of America 88, 1525-1537. 11. Harvard Seismology- Centroid Moment Tensor catalog, 1977 to present, http://www.seismology. harvard.edu/CMT search.html (enero de 2006). 12. Anderson, T. H. y Schmidt, V. A., 1983. The evolution of Middle America and the Gulf of Mexico-Carribbean Sea region during Mesozoic time: Geological Society of America Bulletin, 94, 941-966. 13. McKee, J W., Jones, N. W., y Long, L. E., 1990. Stratigraphy and provenance of strata along the San Marcos fault, central Coahuila, Mexico. Geological Society of America Bulletin, 102, 593-614. 14. Muehlberger, W. R., Belcher, R. C., y Goetz, L. K. (1978). Quaternary faulting in Trans-Pecos Texas. Geology, 6, 337-340. 15. McKee, J W., Jones, N. W., y Long, L. E. (1984). History of recurrent activity along a major fault in northeastern Mexico. Geology, 12, 103-107. 16. Suter, M. (1991). State of stress and active deformation in Mexico and western Central America, in Slemmons, D. B., Engdahl, E. R., Zoback, M. D., and Blackwell, D. D., eds., Neotectonics of North America: Boulder, Colorado, Geological Society of America, Decade Map Volume I, 401-421. 17. Talwani, P., 1999. Fault geometry and earthquakes in continental interiors. Tectonophysics 305, 371379. 18. Crone, A. J., De Martini, P. M., Machette, M. N., Okumura, K., y Prescott, J. (2003). Paleoseismicity of two historically quiencent faults in Australia: implications for fault behaviour in stable continental regions. Bulletin of the Seismological Society of America 93, 1913-1934. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna J. Rubén Morones Ibarra Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, UANL rmorones@fcfm.uanl.mx Albert Einstein 1879-1955 RESUMEN La teoría especial de la relatividad es una de las teorías fundamentales de la física moderna. Su hipótesis fundamental de que el movimiento absoluto no existe y solo tiene sentido el movimiento relativo tuvo un impacto profundo en los conceptos de la física, cambiando nuestras ideas sobre el espacio el tiempo y la materia. Por otra parte, la teoría general de la relatividad es la moderna teoría de la gravitación. En ella el campo gravitacional deja de interpretarse a través de la fuerza que ejerce sobre las masas y es considerado desde el punto de vista de la deformación que produce en la estructura del espacio-tiempo. PALABRAS CLAVE Relatividad especial, Relatividad general, transformaciones de Lorentz. ABSTRACT The special theory of relativity is one of the fundamental theories of the modern physics. The basic assumption of special relativity is that only the relative motion has physical meaning; this assumption had deep consequences in our concepts of space, time and matter. On the other hand, the general theory of relativity is the modern theory of gravity. The gravitational field is not considered as a source of a force in this theory, but as something that deforms the space-time continum. KEYWORDS Special relativity, General relativity, Lorentz transformations. INTRODUCCIÓN Lo que actualmente se conoce como Teoría de la Relatividad de Einstein, es realmente una teoría dividida en dos partes. Una de ellas es la Teoría Especial de la Relatividad (TER) y la otra es la Teoría General de la Relatividad. La TER fue dada a conocer en el año de 1905 en la publicación científica sobre temas de física más importante de Alemania en esa época, la revista Annalen der Physik. La TER se originó del conflicto que se presentaba entre las dos teorías fundamentales de esa época: la mecánica y el electromagnetismo. El conflicto lo vino a resolver Einstein con la relatividad especial introduciendo conceptos nuevos, lo que condujo al derrocamiento de muchos otros supuestos que los físicos de la época no se atrevían a poner en duda. El impacto de la TER estremeció las bases de la física Newtoniana, modificando los conceptos de espacio, tiempo, materia y energía establecidos Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 25 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra en la teoría de Newton. El concepto de tiempo para Newton es algo absoluto, que fluye permanentemente sin cambio y sin relación alguna con ninguna otra cosa. Similarmente, el espacio Newtoniano es un ente absoluto que permanece inmutable sin relación a nada externo. En la TER el espacio y el tiempo dejaron de ser absolutos y pasaron a ser cantidades físicas variables que dependen del marco de referencia utilizado para medirlas; se convirtieron, en este sentido, en cantidades relativas. Además el espacio y el tiempo pierden en la teoría de la relatividad su identidad individual para formar juntos una unidad conceptual: el espacio-tiempo. Las propiedades del espacio-tiempo están descritas por una nueva geometría, donde la regla para medir distancias no es la de Euclides sino la métrica de Minkowski.1 La TER es uno de los pilares de la física moderna. Aún cuando se atribuye a Einstein la formulación de esta teoría, hubo contribuciones importantes de otros científicos, como Galileo, H. Lorentz y Henry Poincaré que establecieron algunos de los conceptos básicos en los que se apoya.2 Galileo e Isaac Newton habían supuesto que las leyes del movimiento deberían satisfacer un principio de relatividad, es decir, que deberían ser las mismas para un observador en reposo y uno en movimiento. Las ideas de Einstein se basan en la hipótesis de que el movimiento absoluto no existe y que solo el movimiento relativo tiene sentido físico. En realidad, esta suposición, que es el fundamento del principio de relatividad, ya estaba implícita en los conceptos de observador en reposo y de observador en movimiento 26 que Galileo y después Newton habían establecido. Einstein generalizó las ideas de Galileo y Newton, incluyendo no solo las leyes del movimiento sino todas las leyes de la física, en un principio de relatividad. Posteriormente Einstein buscó una generalización de su teoría logrando incluir sistemas de referencia no inerciales en un principio general de relatividad. La TER es una teoría restringida que limita o circunscribe el estudio de los fenómenos físicos en marcos de referencia inerciales dejando fuera los marcos no inerciales y el fenómeno de la gravitación. No satisfecho con estas restricciones de su teoría, Einstein trabajó durante los años posteriores a 1905 en una teoría más amplia sobre la relatividad, a la que llamó Teoría General de la Relatividad. Esta teoría fue publicada en el año 1916 y constituye en la actualidad uno de los grandes logros del intelecto humano. En esta teoría general, el espacio-tiempo de la relatividad especial, quedará fundido, en una unidad indisoluble a la materia y la energía, configurando un nuevo ente, el Tejido EspacioTiempo-Materia. Ambas teorías de la relatividad, la especial y la general, serán descritas en sus aspectos más elementales en este artículo. NECESIDAD DE UN MARCO DE REFERENCIA PARA DESCRIBIR LOS FENÓMENOS FÍSICOS Consideremos el movimiento de una pelota que se lanza verticalmente hacia arriba dentro de un tren en movimiento con velocidad constante. Para un observador en el tren, la pelota se mueve sobre la línea vertical, primero hacia arriba y luego hacia abajo, pero sobre la misma línea. Sin embargo la descripción del movimiento de la pelota, dada por un observador en Tierra, que ve que el tren está en movimiento, es que esta sigue una trayectoria parabólica. Ambos observadores tienen razón en sus respectivas descripciones y lo que este experimento ilustra es que es necesario especificar cuál es el marco de referencia que estamos usando para describir un fenómeno. Un marco de referencia inercial es aquel donde se cumplen las leyes de Newton, es decir, aquel en el cual una partícula sobre la que no actúa ninguna fuerza se mueve con velocidad constante. La TER es básicamente una teoría para relacionar las Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra mismo intervalo de tiempo para cualesquiera de los dos sucesos.3 En sus trabajos sobre la mecánica, Newton enunció el principio de relatividad de Galileo de la siguiente forma: Las leyes de la mecánica son las mismas para todos los observadores en marcos de referencia inerciales, quedando las leyes de transformación de las coordenadas determinadas por las relaciones. Isaac Newton 1642-1727 Galileo Galilei 1574-1642 mediciones y observaciones entre dos marcos de referencia inerciales que se mueven con velocidad relativa constante. El problema fundamental de relacionar observaciones entre dos marcos de referencia distintos ya se lo había planteado Galileo respecto a la mecánica. La pregunta que se hizo Galileo fue la siguiente: ¿Qué pasa si desde lo alto del mástil de un barco en movimiento suelto una piedra? ¿Caerá la piedra en la base del mástil o se habrá desplazado respecto a la base?. Galileo realizó el experimento y encontró que la piedra caía verticalmente con respecto al barco, es decir, pegaba en el suelo en la base del mástil. Este resultado llevó a Galileo a establecer el principio de relatividad que lleva su nombre. El principio de relatividad de Galileo establece que las leyes del movimiento son las mismas para dos observadores inerciales que se mueven uno con respecto al otro. Una hipótesis implícita en este principio es que el tiempo es absoluto, lo que significa que todos los observadores medirán el y’ G G G r ' = r − Vt (1) t'= t G G Donde r y r ' son las coordenadas de un mismo punto referidas a los marcos de referencia O y O ' G respectivamente y V la velocidad del marco de referencia primado respecto al no primado, como lo muestra la figura 1. Además hemos supuesto que al tiempo t = 0 los orígenes de ambos sistemas de coordenadas, coinciden, ver figura 1. Las ecuaciones dadas en (1), se conocen como Transformaciones de Galileo. Con estas reglas de transformación ocurre que las ecuaciones de la mecánica, permanecen invariantes de forma al pasar de un marco inercial a otro. Una hipótesis adicional es que la masa de la partícula es también, como el tiempo, un invariante absoluto. La invariancia de las leyes de la mecánica Newtoniana se puede probar de manera directa con la ley fundamental G G de la dinámica para una partícula: F = ma en el marco de referencia sin primar. Por otra parte, de las ecuaciones (1), G G G d 2r ' d 2r G a'= = 2 =a dt '2 dt (2) Puesto que ambas aceleraciones son las mismas, y la masa es invariante, entonces G G ma = ma ' O’ X’ G Vt y O X Fig. 1. Marcos de referencia inerciales en movimiento G relativo. O’ se mueve con velocidad constante V respecto al marco de referencia O. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Lo que significa que la segunda ley de Newton no cambia de forma: F = ma en el sistema no primado y F ' = ma ' en el marco de referencia O ' . La segunda ley de Newton puede entonces aplicarse igualmente a ambos observadores; este es el significado que se le da en física al concepto de invariancia de una ley frente a un tipo particular de transformación. La generalización teórica de estas ideas las realizó Einstein estableciendo que todas las leyes 27 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra de la mecánica tienen la misma forma matemática en los marcos de referencia que se mueven unos con respecto a otros con velocidad constante. Einstein dio el nombre de Principio de Relatividad de Galileo, que ya hemos venido usando, a este postulado. El significado físico de este principio es que no es posible, mediante ningún experimento de mecánica, como dejar caer objetos, usar péndulos o resortes, etc. saber si alguien está en un marco de referencia en movimiento con velocidad constante o no. Otra manera de enunciar este principio es: todos los observadores en movimiento uniforme son equivalentes para la mecánica. Como un ejemplo particular, establecemos que se puede jugar billar dentro de un tren en movimiento con velocidad constante sin percatarnos de que se está moviendo. Posteriormente Einsten generalizó el principio de relatividad a todas las leyes de la física. LOS FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS Si ahora consideramos el caso del electromagnetismo, nos damos cuenta que la situación es diferente a la de la mecánica. Las ecuaciones básicas del electromagnetismo, conocidas como ecuaciones de Maxwell, contienen las constantes físicas μ0 y ε 0 que, combinadas como 1 =c μ0 ε 0 dan la velocidad de la luz c . Esta cantidad debería ser constante, sin embargo, en un marco de referencia distinto, que se mueva con velocidad constante respecto al anterior, donde se mide la velocidad c para la velocidad de la luz, esta cantidad será diferente, como lo podemos ver de las ecuaciones (1). Si derivamos la primera ecuación en (1) respecto al tiempo, obtenemos la relación de relatividad de Galileo se aplica a la mecánica pero no al electromagnetismo. Este hecho indica que un observador en reposo puede ser distinguido de un observador en movimiento con solo medir la velocidad de la luz, lo que equivale a aceptar que existe un sistema de referencia privilegiado donde la velocidad de la luz es c y donde las ecuaciones de Maxwell tienen una forma más simple; este marco de referencia fue llamado el sistema del “éter”. La conclusión de esto es que deberá entonces poder realizarse un experimento que permita detectar el éter. Entre los años 1881-1887 los físicos norteamericanos Michelson y Morley realizaron una serie de experimentos tratando de detectar la velocidad de la Tierra respecto al éter pero sus resultados fueron negativos: parecía que no existía tal éter. La conclusión fue que el principio de relatividad de Galileo no podía ser válido para el electromagnetismo debido a que la velocidad de la luz tiene un valor fijo en las ecuaciones de Maxwell. Esto planteaba una especie de inconsistencia entre las dos teorías, lo cual, desde el punto de vista estético-científico, debería resolverse. Una opción para buscar resolver la controversia entre la mecánica y el electromagnetismo es que aceptemos que el principio de relatividad tiene validez para ambas teorías, la mecánica y el electromagnetismo, pero las ecuaciones de Maxwell requieren ser modificadas. Esta última alternativa es muy drástica, porque el electromagnetismo es G G G v `= v − V (3) que es la ley galileana de suma de velocidades. Si consideramos un marco de referencia que se mueva con velocidad V respecto al “éter” (donde la velocidad de la luz se toma como c ), la velocidad de la luz en este nuevo marco será c ' = c ± V . Esto indica que la forma de las ecuaciones del electromagnetismo cambia al pasar de un marco de referencia a otro. En otros términos, el principio 28 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra una teoría muy bien establecida con resultados satisfactorios para prácticamente todos los fenómenos electromagnéticos observados. El conflicto entre la mecánica Newtoniana y el electromagnetismo (las dos teorías fundamentales a principios del siglo XX), se puede mostrar también al considerar que la mecánica Newtoniana no establece ningún límite para la velocidad de ningún sistema u objeto. Es por lo tanto posible encontrar un marco de referencia donde cualquier objeto puede estar en reposo, incluyendo la luz. Pero las ecuaciones de Maxwell establecen que no es posible “ver” la luz en reposo, o en forma estacionaria. Este conflicto indica que una de las dos teorías es incorrecta. Otra alternativa para resolver la incompatibilidad mencionada era suponer que la mecánica y el electromagnetismo obedecen un principio de relatividad pero que las ecuaciones de la mecánica Newtoniana requieren modificación y por lo tanto las ecuaciones de transformación que conectan los diferentes marcos de referencia en movimiento relativo con velocidad constante, las transformaciones de Galileo, no son correctas. Esta última opción es la que adoptó Einstein, estableciendo como guía para el desarrollo de su teoría los siguientes postulados:4 1.Todas las leyes de la física tienen la misma forma matemática en todos los sistemas de referencia inerciales. 2.La velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los observadores inerciales, independientemente del movimiento de la fuente. Partiendo de estos postulados Einstein desarrolló una teoría cuyo impacto modificó nuestros conceptos de espacio, tiempo y masa. El primer postulado lo podemos llamar principio de relatividad de Einstein. Este nuevo principio de relatividad difiere en su forma matemática del de Galileo, ya que se apoya en un nuevo tipo de transformaciones, las transformaciones de Lorentz, pero ambos son idénticos desde el punto de vista conceptual y filosófico: la física debe ser la misma para todos los observadores inerciales. La expresión matemática de las transformaciones de Lorentz se puede encontrar en la referencia.1 Después de estas ideas introducidas en la ciencia por Einstein, el concepto de invariancia de las leyes de la naturaleza ante ciertas transformaciones ha penetrado Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 en los fundamentos de la física, constituyendo una parte esencial de todos los desarrollos modernos en la física teórica. Todas las teorías físicas buscan apoyarse en los conceptos de simetría, es decir, en relaciones que permanezcan invariantes ante cierto tipo de cambios o transformaciones. Una teoría física que se desarrolle teniendo como principios básicos ciertas simetrías, se dice que es una teoría bella y se considera que posee una base sólida, siendo confiable desde sus orígenes, aunque, por supuesto, el experimento será quien diga la última palabra ya que este es el único criterio en la física para juzgar la validez de una teoría. En las teorías clásicas (no relativistas) el tiempo es, como lo escribió Newton en su obra monumental Principios Matemáticos de la Filosofía Natural, una especie de fluido que corre uniformemente sin conexión con nada externo. Similarmente, el espacio es un ente absoluto que permanece siempre inmutable sin relación a nada externo. La masa, por otra parte, es también un invariante absoluto, una cantidad que tiene el mismo valor para todos los observadores. En la TER, el espacio y el tiempo dejaron de ser absolutos y pasaron a ser cantidades físicas variables que dependen del marco de referencia utilizado para medirlas. El espacio y el tiempo se convierten en cantidades relativas en la teoría de la relatividad. Entre las consecuencias de esta teoría están las siguientes: a) Los relojes en movimiento marchan más lentamente. b) Los objetos en movimiento se contraen en la dirección de la velocidad. Hendrik A. Lorentz 1853-1928. 29 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra c) La masa de un objeto es función de la velocidad, aumentando con ésta. d) La materia se puede transformar en energía y viceversa. e) Ninguna señal puede viajar más rápido que la luz; la velocidad de la luz resulta ser la velocidad límite en el universo. El postulado de la relatividad sobre la covarianza, o invarianza de forma de las leyes de la física (primer postulado) es un principio que impone restricciones sobre cómo deben ser las leyes de la física. Es una especie de meta-ley que nos exige que se respete la objetividad de los fenómenos naturales ya que estos no deben depender del sujeto que los observa. Este principio fundamental guió el pensamiento de Einstein; su firme creencia en el orden del universo, en la validez de la objetividad, la causalidad y el determinismo está reflejada en este principio. Cuando surge la mecánica cuántica, cuya interpretación filosófica conduce a la negación de estas características de las teorías clásicas, Einstein no la aceptó y esta fue una de las razones por las cuales su producción científica no tuvo el formidable desempeño que en su época juvenil. Con los postulados de Einstein mencionados arriba, se encontró que las leyes del electromagnetismo son invariantes ante un nuevo tipo de transformaciones, las cuales llevan el nombre de Transformaciones de Lorentz. La mecánica Newtoniana dejó de tener validez, dando paso a una nueva descripción del movimiento y sus causas: la mecánica relativista, cuya formulación contiene nuevas ecuaciones de movimiento. C O N S E C U E N C I A S D E L A R E L AT I V I D A D ESPECIAL De las leyes de transformaciones de Lorentz pueden obtenerse formalmente los resultados que aparecen en esta sección. Aquí los obtendremos de una forma más intuitiva apoyándonos en el segundo postulado de la TER: la constancia de la velocidad de la luz. Definimos un evento o suceso como un fenómeno cualquiera que ocurre en un lugar del espacio en un tiempo determinado. Un resultado interesante que se puede obtener de manera sencilla de la hipótesis de la constancia de la velocidad de la luz, es la dilatación del 30 Fig. 2. De acuerdo con un observador en el tren la trayectoria seguida por la luz es la que indican las flechas dentro del vagón. El tiempo τ que tarda la luz en hacer el recorrido al techo y reflejarse es τ = 2L c tiempo. Consideremos un observador en un tren en movimiento, como se muestra en la figura 2. Supongamos que de un reloj fijo en el tren sale un rayo de luz verticalmente hacia arriba y se refleja en un espejo en el techo, regresando al punto de partida en el reloj. El intervalo que registra el reloj para estos dos eventos es 2L C donde L es la distancia del reloj al espejo. τ= Para un observador en Tierra la trayectoria del rayo de luz es la que se muestra en la figura 3. El intervalo de tiempo tiempo T para el observador en tierra es de acuerdo con la figura 3: ⎛ T⎞ 2 L + ⎜V ⎟ ⎝ 2⎠ 2 2 T= C de donde se obtiene que 2L τ C T= = V2 V2 1− 2 1− 2 C C Fig. 3. Trayectoria que sigue el rayo de luz en el marco de referencia de un observador en Tierra. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra Este resultado muestra la relatividad del tiempo, obteniéndose que el tiempo T medido por un observador, fijo en la Tierra, para dos eventos que ocurren en diferente lugar (la salida y la llegada del rayo de luz del reloj) es mayor que el intervalo de tiempo τ para estos dos eventos medidos en el mismo reloj (el observador en el tren). Como podemos ver T > τ . El tiempo que se mide en el mismo reloj (en el mismo punto del marco de referencia) se conoce como tiempo propio. Notemos que la salida de la luz del reloj y la llegada de la luz después de reflejarse en el espejo del techo del tren, ocurren en el mismo lugar para el observador en el tren, pero no para el observador en Tierra. Usando estos resultados se puede probar también que la simultaneidad es un concepto relativo. Consideremos dos observadores, O’ y O, uno en Tierra y otro en el tren que se mueve con velocidad V hacia la derecha, como se muestra en la figura 4. Supongamos que se emiten dos señales, una por el observador A y la otra por B, ambos fijos dentro del tren, que llegan simultáneamente a O. De acuerdo con lo que O observa, ambas señales fueron emitidas simultáneamente, pero según O’, la fuente en A emitió la señal primero que B, ya que la velocidad de la luz es constante y el tren, al moverse a la derecha ocasiona que la distancia que recorre la luz de A a O sea mayor que la que recorre de B a O. Esto indica que lo que para el observador en el tren son eventos simultáneos, para el observador en Tierra no lo son. Fig. 4. La relatividad de la simultaneidad. Sea O’ un observador fijo en la Tierra y O un observador en un tren moviéndose con velocidad V como se muestra en la figura. Al observador O le llegan ambas señales al mismo tiempo lo cual le permite concluir que ambas señales se produjeron simultáneamente. De acuerdo con O’ primero se produjo la señal en A y después en B. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Un resultado interesante de la relatividad de la simultaneidad es que los objetos se contraen en la dirección del movimiento, que en realidad se debe a la relatividad del tiempo que ya encontramos. La manera de verlo es considerando una regla en movimiento paralelo a su longitud. Si un observador que ve que la regla se mueve quiere medir su longitud, deberá hacer marcas simultáneamente en lo extremos de la regla, las cuales quedaran fijas en su marco de referencia. Pero debido a la relatividad de la simultaneidad, un observador fijo en la regla se dará cuenta que el observador que ve que la regla se mueve marcó primero el extremo que está en la dirección del movimiento y después el extremo de atrás, por lo cual medirá una longitud más pequeña que la de la regla en reposo. Esto es lo que se conoce como la relatividad del espacio; todas las mediciones de longitud, área y volumen se verán afectadas por esta contracción, conocida como contracción de Lorentz. Otra de las predicciones de la relatividad especial, es que la masa de una partícula varía con la velocidad de ésta de acuerdo con la fórmula m= m0 1− v2 c2 donde m0 , v, c y m son: la masa en reposo de la partícula, su velocidad, la velocidad de la luz y la masa relativista de la partícula, respectivamente. Todos estos resultados son comprobados diariamente en los laboratorios de partículas elementales, en los aceleradores. Cuando se van a diseñar estos aceleradores tienen que tomarse en cuenta los efectos relativistas. Otra de las consecuencias de la relatividad especial es la fórmula que relaciona la energía y la masa E = MC 2 , la cual es sin duda una de las más famosas fórmulas de la física. Esta fórmula nos dice que si calentamos un cuerpo, este aumenta su masa. De hecho, el trabajo de Einstein, publicado también en 1905, donde obtiene esta fórmula, lo tituló en forma de pregunta: ¿Depende la inercia de un cuerpo de la energía que contiene? La validez de esta ecuación fue confirmada dramáticamente en las explosiones nucleares de Hiroshima y Nagasaki, y desde entonces su comprobación es un asunto cotidiano en las reacciones nucleares y entre partículas elementales. 31 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra LA PARADOJA DE LOS GEMELOS Después de publicados los resultados de la dilatación del tiempo, se planteó el experimento pensado de que dos hermanos gemelos se encontraran después de que uno de ellos viajara por el espacio durante un año a velocidades relativistas, cercanas a la de la luz. Si solo el movimiento relativo tiene sentido y ambos marcos de referencia son equivalentes, ¿cuál de lo gemelos envejecerá más lentamente, el que permanece en Tierra o el que realiza el viaje?. A este problema se le conoció como paradoja de los gemelos y tiene en realidad una solución simple. El viajero de la nave tendría que regresar a la Tierra para hacer la comparación de los tiempos transcurridos para cada uno de ellos. El regreso a Tierra implicaría un cambio en la dirección de la velocidad, lo que significa que el marco de referencia del viajero deja de ser un marco inercial. Esto es precisamente lo que hace la diferencia entre ambos marcos de referencia, el del observador en Tierra y el del viajero, es decir se destruirá la simetría entre ambos sistemas de referencia, que según la relatividad especial, deben ser equivalentes.5 La predicción teórica es que el viajero de la nave será más joven que el que se quedó en Tierra. Es difícil comprobar la dilatación del tiempo recurriendo a cuerpos macroscópicos porque el efecto es muy pequeño a las velocidades a que estamos acostumbrados a observar estos objetos. Sin embargo ya se ha logrado comprobar la dilatación del tiempo llevando relojes en aviones supersónicos y comparando sus mediciones con relojes que se mantuvieron fijos en la Tierra.6 Por otra parte, la relatividad del tiempo se demuestra contundentemente en los fenómenos observados en las partículas subatómicas. Un caso muy común es el de los muones, unas partículas inestables que se producen en las capas superiores de la atmósfera debido a los choques de los rayos cósmicos con los núcleos de nitrógeno y oxigeno del aire. Aún cuando la vida media de estas partículas, medida en un marco de referencia donde estas se encuentran en reposo, es muy corta, alcanzan a llegar a la superficie del mar o de la Tierra debido al fenómeno relativista de la dilatación del tiempo. 32 LA RELATIVIDAD GENERAL La relatividad general es la teoría moderna de la gravitación universal. La teoría de la gravitación se inicia con el descubrimiento de Newton de que todos los cuerpos se atraen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias. Matemáticamente la ley de la gravitación universal se expresa como F =G m1m2 r2 Esta fórmula implica una interacción instantánea, es decir, por más alejados que estén los dos cuerpos, la fuerza entre ellos está dada por esta fórmula y si su posición relativa cambia, la fórmula supone que el otro cuerpo se entera inmediatamente de este cambio, mostrándolo en la fuerza que siente, la cual dependerá de la nueva distancia. Evidentemente este resultado es incompatible con la relatividad especial, la cual establece un límite para la velocidad de propagación de cualquier señal o interacción, siendo este límite la velocidad de la luz. Esta incompatibilidad llevó a Einstein a buscar una teoría de la gravitación que fuera consistente con la relatividad especial desarrollando la relatividad general, que es una teoría de la gravedad. En esta teoría relativista de la gravitación, la gravedad deja de considerarse como una fuerza y pasa a ser una manifestación de la geometría de un espacio de cuatro dimensiones, el espacio-tiempo, manifestándose la gravedad como una curvatura de este espacio-tiempo. En la segunda ley de Newton, que para una partícula se expresa matemáticamente como F = mi a , la masa que interviene en esta fórmula es la masa inercial (lo que se indica con el subíndice i en la masa), mientras que las masas que intervienen en la ley de la gravitación universal se conocen como masas gravitacionales. Experimentalmente se ha encontrado que estas dos masas son iguales.7 Dado que la teoría de la relatividad especial conecta marcos de referencia inerciales, Einstein buscó evitar esta limitación y consideró que lo deseable sería desarrollar una teoría que conectara también marcos de referencia acelerados, o generalizados. Fue aquí donde se le ocurrió la idea fundamental Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra del elevador en caída libre y lo llevó a la hipótesis de identificar marcos de referencia acelerados con campos gravitacionales. Según Einstein la idea más maravillosa de su vida fue la de pensar en un elevador que cae libremente en un campo gravitacional como el de la Tierra. En este experimento mental o pensado, como se les llama, si hubiera personas dentro del elevador estas sentirían que no pesan. Si una de estas personas soltara un objeto vería que este se queda suspendido, pero lo que realmente ocurre es que ambos, la persona y el objeto, caen juntos, como lo describiría un observador externo. Este resultado es consecuencia de que todos los cuerpos caen en el vacío con la misma aceleración, lo que hace que, dentro de un elevador que cae libremente, no sintamos nuestro peso. Si el elevador estuviera cerrado y no pudiéramos ver hacia fuera para notar nuestro movimiento, pensaríamos que ha desaparecido la gravedad. Pensemos ahora en una nave espacial que se encuentra en el espacio con los motores apagados, si estamos dentro de ella nos sentiremos como si no hubiera gravedad. Si la nave enciende los motores y empieza a acelerar, sentiremos los mismos efectos que los de un campo gravitacional dirigido en sentido opuesto al de la aceleración de la nave. Una de las características de una buena teoría o de un buen modelo matemático en física es que además de que explique los hechos conocidos, también sea capaz de hacer nuevas predicciones que puedan ser verificadas por medio del experimento. Una de las predicciones que surgió del principio de equivalencia, en la forma de que un sistema acelerado es equivalente, localmente, a la presencia de un campo gravitacional, fue la de que la luz se desvía al pasar por un campo gravitacional. La idea de que un marco de referencia acelerado es equivalente a la presencia de un campo gravitacional llevó a Einstein a la conclusión de que un rayo de luz se desvía al pasar cerca de una estrella. Consideremos un rayo de luz que se dirige perpendicularmente a la dirección de la aceleración en un elevador como muestra la figura 5c. La trayectoria que seguirá la luz será la de una parábola. Puesto que los observadores en el interior del elevador asocian los efectos de la aceleración con los de un campo gravitacional, concluimos Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Fig. 5. Trayectoria de un rayo de luz en el interior de un elevador, en los casos: a) V=0, b) V=cte y c) acelerando uniformemente. que un campo gravitacional desvía la propagación de un rayo de luz. Este efecto fue confirmado en el año 1919 por una expedición de científicos ingleses en África durante un eclipse total de Sol y desde entonces el experimento ha sido repetido y corroborado múltiples veces.6 La confirmación de esta predicción de la teoría general de la relatividad, convirtió a Einstein en el científico más famoso del mundo. Para entender el principio de equivalencia hagamos la comparación del movimiento de una partícula de masa G m y carga q en un campo eléctrico uniforme E con el movimiento en un campo gravitacional G uniforme g . En el campo eléctrico la aceleración de la partícula está dada por: G G qE a= m como vemos, depende de la masa y de la carga de la partícula. En cambio en el caso de la partícula moviéndose en un campo gravitacional producido por una masa esférica M , como la Tierra, por ejemplo, G G G obtenemos: F = mg g = mi a . La aceleración a de la partícula está dada por G mg G . a= mi g Como las masas gravitacional e inercial son iguales, resulta que la aceleración de la partícula depende solamente del campo gravitacional y no de G G las propiedades de la partícula, a = g . Concluimos entonces que todas las partículas u objetos se mueven con la misma aceleración en un campo gravitacional; su trayectoria no depende de las propiedades de la 33 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra partícula, sino solamente del campo gravitacional.7 Este hecho sorprendente es la base del principio de equivalencia. Una partícula sujeta solo a la influencia de un campo gravitacional dentro del elevador que cae libremente, se comporta como una partícula libre. El principio de equivalencia puede entonces enunciarse de la siguiente manera: En un laboratorio cayendo libremente en un campo gravitacional, siendo este localmente uniforme, y donde el laboratorio no gire, las leyes de la física son las leyes de la relatividad especial. Cualquier objeto que se suelte quedará “flotando” dentro del elevador. Si se lanza un proyectil, este seguirá una trayectoria rectilínea, como si no existiera gravedad, lo mismo que los cuerpos en el interior, que no experimentan ningún peso. Este marco de referencia será un marco inercial (hemos supuesto que el elevador no gira y que localmente el campo gravitacional es uniforme). De una manera equivalente, decimos que las leyes de la física en un G campo gravitacional uniforme g , son las mismas que las obtenidas por un observador en un marco de referencia uniformemente acelerado, con aceleración G − g en ausencia de campos gravitacionales. La gravedad deja entonces de ser considerada como una fuerza y pasa a ser una manifestación de la geometría (curvatura) del espacio-tiempo. Debido a esta curvatura del espacio-tiempo, la relatividad general no puede ser formulada en términos de sistemas de coordenadas rectangulares u ortogonales, como la relatividad especial.8 La relatividad general requiere sistemas de coordenadas más generales para poder manejar la curvatura del espacio-tiempo. CURVATURA DEL ESPACIO Decimos que un espacio es curvo cuando en ese espacio no vale la geometría euclidiana. Por ejemplo, es fácil ver que el espacio definido por la superficie de una esfera no es euclidiano, como se muestra en la figura 6. La suma de los ángulos internos de un triángulo es mayor que 180°. Consideremos un sistema acelerado, como el de una plataforma en rotación que se muestra en la figura 7. Tracemos una circunferencia sobre la plataforma con centro en el eje de rotación. Al medir la circunferencia con una regla, encontramos que esta se contrae ya que está en movimiento en la 34 Fig. 6. Triángulo esférico. La suma de sus ángulos se relacionan como; 90º + 90º + α > 180º. dirección longitudinal. Por otra parte la longitud en la dirección radial no cambia, así que la relación de la geometría euclidiana C = 2π r no se cumple en esta plataforma giratoria; el resultado que obtendremos es que C > 2π r . En esta misma plataforma, si tratamos de encontrar la curva de menor longitud que une dos puntos como A y B en la figura 6, encontraremos que esta línea es la que se muestra en la figura, lo que prueba que el espacio es curvo. Por otra parte, debido a que los puntos sobre la plataforma a diferentes distancias del eje de giro se moverán con diferentes velocidades, los relojes marcharán de forma diferente según el lugar donde se coloquen en la plataforma, dependiendo de la distancia a la que se encuentren del eje de rotación. Esta última conclusión indica que el tiempo se “deforma”, que el tic tac del reloj depende de la posición de este. El espacio y el tiempo se distorsionan, este es el significado de la expresión espacio-tiempo curvo.9 No es posible construir un sistema de coordenadas cartesiano, una cuadrícula, sobre la superficie de una plataforma giratoria ya que no podremos formar cuadrados con una regla debido a que esta cambia de longitud en los diferentes lugares. Decimos entonces que la rotación deforma el espacio, o que el espacio es curvo. De una manera parecida los intervalos de tiempo medidos por un reloj atómico, por ejemplo, serán distintos en los diferentes puntos. Este significa que la rotación distorsiona el tiempo. La combinación de ambos resultados se expresa en el concepto de espacio-tiempo curvo. Debido al principio de equivalencia, llegamos a la conclusión Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra de que un campo gravitacional distorsiona el espacio-tiempo. Se habla entonces de la curvatura del espacio-tiempo ocasionada por la presencia de un campo gravitacional. La gravitación en la teoría de Einstein resulta ser una deformación del espaciotiempo y puede explicarse como una propiedad del espacio-tiempo donde los cuerpos en movimiento siguen las trayectorias de menor longitud, es decir las líneas geodésicas. Decimos entonces que la gravedad queda geometrizada. En la teoría de Einstein los planetas se mueven siguiendo las geodésicas del espacio-tiempo, mientras que en la teoría de Newton se mueven de acuerdo con la fuerza que actúa sobre ellos. Parafraseando a Hermann weyl, un físico alemán, decimos que la materia produce la curvatura del espacio-tiempo y esta curvatura determina la trayectoria de los planetas.10 Un ejemplo de una línea geodésica en un espacio curvo se puede construir fácilmente sobre un marco de referencia no inercial. Consideremos nuevamente la plataforma giratoria de la figura 7. Tomemos dos puntos sobre la circunferencia con centro en el eje de rotación y midamos la longitud de la recta que une estos puntos; encontraremos que esta longitud es mayor que para el caso en que midamos la longitud entre ellos cuando la plataforma no está girando. La razón es que, debido al efecto relativista de la contracción de la longitud en la dirección del movimiento, la regla se contrae y obtendremos que Fig. 7. La línea de menor longitud que une los puntos A y B sobre la plataforma giratoria no es una recta, sino una curva que tiene la forma que se indica en la figura. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 esta regla “cabe” un número mayor de veces en el segmento rectilíneo que une A y B. De hecho, la línea de menor longitud que conecta ambos puntos, es una línea curva que tiene el aspecto que se muestra en la figura 7. La geodésica, la línea de longitud más corta que une los puntos A y B, no será la línea recta, sino una curva , ya que la regla debe orientarse con alguna componente radial pues esta no se contrae en la dirección perpendicular al movimiento, en este caso, una dirección radial. Una de las características de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general es la gran dificultad para resolverlas. La primera solución de estas ecuaciones las obtuvo el físico alemán Karl Schwarzschild para el caso de una masa esférica sin rotación. Calculando las trayectorias geodésicas para el espacio-tiempo de Schwarzschild se obtienen las órbitas planetarias. Las predicciones más importantes de las soluciones de Schwarzschild son: El avance del perihelio del planeta Mercurio, la desviación de la luz al pasar por una estrella y el corrimiento hacia el rojo de la luz emitida por una estrella. Todos estos resultados han sido confirmados experimentalmente.11 El movimiento del perihelio de una órbita planetaria se observa en la rotación del eje de la elipse sobre su mismo plano. Este efecto es muy pequeño y con la precisión de los instrumentos actuales, en nuestro sistema solar se puede medir solamente para el caso del planeta Mercurio, pues Karl Schwarzschild 1873-1916. 35 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra este es el más cercano al Sol y es el que siente el campo gravitacional más intenso. Existe una singularidad en las ecuaciones de Einstein para un cierto valor de la variable radial r , que define una superficie esférica en la solución de Schwarzschild. En esta superficie, conocida como horizonte de eventos o superficie Schwarzschild, el intervalo de tiempo entre dos eventos cualesquiera se vuelve infinito para un observador exterior. Si se cruza el horizonte de eventos, ya no se puede salir de él, lo que hace que cualquier suceso que pueda ocurrir dentro del volumen limitado por la superficie de Schwarzschild no tenga influencia sobre el exterior y solo se percibe los efectos de la presencia de la masa. Un observador externo al horizonte de eventos no puede detectar nada de lo que ocurra dentro de este; esto es lo que sucede con los hoyos negros. L A R E L AT I V I D A D G E N E R A L Y L A COSMOLOGÍA El legado de Einstein tiene actualmente una profunda influencia sobre el conocimiento que tenemos de nuestro universo. La cosmología, que es el estudio del universo como un todo, tiene entre sus principales objetivos proponer modelos sobre la estructura del universo y su evolución. Estos modelos se obtienen de las soluciones de las ecuaciones de Einstein del campo gravitacional, sobre las que se imponen algunas restricciones, como la hipótesis del principio cosmológico que establece que el universo es espacialmente homogéneo e isótropo a gran escala.11 Al aplicar las ecuaciones de Einstein al universo en conjunto, y obtener las soluciones sujetas a que satisfagan el principio cosmológico, se obtienen solamente tres posibles modelos del universo que corresponden a tres diferentes geometrías12. Dependiendo de la densidad de materia en el universo, obtendremos que la geometría del espacio puede ser: a) La geometría euclidiana, con un espacio abierto, infinito que se seguirá expandiendo eternamente. b) Un espacio con geometría esférica, finito en volumen pero ilimitado, es decir, no hay bordes o fronteras, como cuando nos movemos sobre una esfera. c) La geometría del universo es hiperbólica correspondiendo a un universo abierto y que continuará expandiéndose indefinidamente. 36 El caso b) ocurre cuando la densidad de masa en el universo supera cierto valor, conocido como densidad crítica. En este universo se detendrá la expansión actual e iniciará un proceso de contracción que terminará en un Gran Colapso para reiniciar nuevamente un Gran Estallido (Big Bang). Este modelo de universo no solamente es espacialmente cerrado sino que lo es también temporalmente, esto es, tiene una vida finita para cada ciclo, y se conoce, por obvias razones, reflejadas en su comportamiento evolutivo, como universo cíclico. COMENTARIOS FINALES La relatividad especial es en la actualidad la guía para construir nuevas teorías donde no tiene relevancia la gravitación, estableciéndose su primer postulado como un requisito que toda teoría física debe satisfacer. Por otra parte, las características de la fuerza de gravedad han impedido que esta interacción forme parte de una teoría unificada, que abarque a todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Lograr una teoría de la gravedad que sea compatible con la mecánica cuántica, es uno de los mayores retos de la física teórica contemporánea. Actualmente la física vive una situación parecida a la de los inicios del siglo XX, cuando las observaciones experimentales eran tales que las teorías vigentes en ese tiempo no podían explicarlas. Por otra parte, se presentaban también conflictos conceptuales entre las teorías. Estas fueron las condiciones que dieron origen a la mecánica cuántica y a la relatividad especial. El momento actual de la física presenta una situación semejante: la teoría de la gravitación de Einstein y la mecánica cuántica, por una parte, presentan algunas incompatibilidades. Por otra parte, existen otros problemas como el de la existencia de un nuevo tipo de materia, conocido como materia oscura, cuya naturaleza se desconoce completamente, pero que se revela como un hecho experimental para explicar la dinámica de las galaxias, o como el del mecanismo mediante el cual las partículas adquieren masa, el cual supone la existencia de una partícula no detectada hasta ahora. La existencia de esta partícula, conocida como bosón de Higgs, es algo que permea todo el universo, un campo, algo así como un mar en el que se mueven las partículas adquiriendo su masa de la interacción Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �La teoría de la relatividad y su impacto en la ciencia moderna / J. Rubén Morones Ibarra BIBLIOGRAFÍA Bosón de Higgs con este campo. La suposición sobre la existencia de este campo se parece a la hipótesis del éter, nadie lo ha detectado, pero se supone que está ahí. De las soluciones a estos problemas se espera que surja una nueva revolución científica, que, como las anteriores, traerá nuevos e interesantes desarrollos para la física y el conocimiento del universo. Puede ser que estemos en los albores de un nuevo año milagroso o de varios años milagrosos y que entre nosotros se encuentre algún joven que participará en la solución de estos problemas. El reto para las nuevas generaciones de físicos es tan grande como apasionante. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 1. Wolfang Rindler, Introduction to Special Relativity, Clarendon Press, 1982. 2. W. S. C. Williams, Introducing Special Relativity, Ed. Taylor and Francis, 2002. 3. Domenico Giulini, Special Relativity, 100 Years Since Einstein, Oxford University Press, 2005. 4. Mohammad Saleem and Muhammad Rafique, Special Relativity, Ed. Ellis Horwood, 1992. 5. Patricia M. Schwartz and John H. Schwartz, Special Relativity, From Einstein to Strings, Cambridge University Press, 2004. 6. E. G. Peter Rowe, Geometrical Physics in Minkowski Spacetime, Springer, 2000. 7. Clifford M. Will, Was Einstein Right?, BasicBook, Harper Collins Publishers, 1993. 8. W. D. McComb, Dynamics and Relativity, Oxford University Press, 1999. 9. A. A. Logunov, The Theory of Gravity, Moskow Nauka, 2001. 10. Herman Weyl, Space-Time-Matter, Dover, 1952. 11. J. Foster and J. D. Nightingale, General Relativity, Springer-Verlag, 1998. 12. Richard A. Mould, Basic Relativity, SpringerVerlag, 2002. 37 �Mecanismos de dispersión de partículas reforzantes para PP en un extrusor de doble-husillo Tomás Lozano Ramírez, Julio César Barrientos Cisneros, Demetrio Nieves Mendoza, Ángel Rodríguez Gómez Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Tamaulipas. tomas.lozano@polymtl.ca , tomaslozano@hotmail.com RESUMEN Es común reforzar los plásticos mezclándoles partículas de materiales sólidos. Una parte muy importante en el diseño de máquinas de extrusión es el estudio de la dispersión de las partículas de refuerzo durante el procesado del plástico. En este trabajo se preparó una mezcla de polipropileno (PP) reforzado con carbonato de calcio y se colocó en un extrusor de doble husillo para estudiar tal fenómeno. La evolución de la dispersión fue evaluada utilizando análisis de imagen de micrografías tomadas con luz reflejada, encontrándose que las partículas de refuerzo se aglomeraban aún en la matriz fundida y que los elementos de amasado de la máquina son muy eficientes en el rompimiento de los aglomerados. PALABRAS CLAVE Refuerzo, polipropileno, aglomerados, dispersión, extrusión. ABSTRACT It is common to reinforce plastics by mixing particles of solid materials. A very important issue in the design of extrusion machines is the study of the dispersion of the reinforcing particles during plastics processing. A mixture of polypropylene (PP) reinforced with calcium carbonate was prepared in this work. The mixture was placed into a twin-screw extruder for studying such phenomenon. Evolution of the dispersion was evaluated by image analysis of reflected light micrographs, finding that the reinforcing particles became agglomerates even in the molten matrix, and that the reverse kneading blocks were very efficient in breaking the agglomerates. KEYWORD Reinforcement, polypropylene, agglomerate, dispersion, extrusion. INTRODUCCIÓN Los refuerzos particulados se usan en polímeros para reducir costos, mejorar el procesado, controlar la densidad, modificar las propiedades eléctricas, retardar la flama y para mejorar las propiedades mecánicas.1 Cada tipo de refuerzo mineral tiene diversas características influenciadas por su tamaño, forma, y composición química de la superficie.2 El carbonato de calcio es uno de los refuerzos más comúnmente usados en termoplásticos. Es también el mejor refuerzo para incrementar el módulo de flexión del polipropileno con efectos limitados sobre 38 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Mecanismos de dispersión de partículas reforzantes para PP... / Tomás Lozano Ramírez, et al sus propiedades de impacto. Desafortunadamente, partículas del refuerzo tienden a unirse unas a otras, resultando en agregados y aglomerados. El objetivo de la dispersión es reducir esos agregados y aglomerados a un tamaño aceptable y a un costo razonable. Por esta razón, la dispersión del refuerzo es un parámetro importante para obtener un producto terminado homogéneo y con mejores propiedades. Los extrusores son las máquinas de procesado más usadas para preparar polímeros reforzados. En extrusores de doble-husillo corrotativos (TSE), el mezclado toma lugar en su mayor parte en la sección de bloques de amasado o mezclado como resultado del corte y elongación. El extrusor corrotativo es una máquina versátil que puede proveer un rango de mezclado desde dispersivo (intensivo) hasta distributivo dependiendo de la configuración de los husillos. Las configuraciones de los extrusores afectan el estado de dispersión y ésta las propiedades de los polímeros reforzados. El objetivo de este trabajo de investigación es comprender detalladamente los mecanismos de dispersión de refuerzos minerales a lo largo de un extrusor doble-husillo corrotativo para posteriores optimizaciones. Cuantificación del estado de dispersión Para cuantificar la dispersión, las muestras fueron pulidas cuidadosamente de acuerdo a la técnica de preparación desarrollada por Ess. 3 Adicionalmente, para lograr un acabado más fino, se utilizó agua fría y papel abrasivo más fino (de carburo de silicio, hasta número 2,400). Diversos bloques pulidos (conteniendo el polímero reforzado en discos de 25 mm de diámetro y 1.5 mm de espesor) fueron preparados para cada muestra. Diez micrografías a bajas magnificaciones fueron tomadas aleatoriamente para cada bloque de pulido y analizadas. Más de 1,000 partículas fueron detectadas en las 10 micrografías para cada muestra, conduciendo a un análisis representativo del estado de dispersión. La distribución de tamaño de aglomerados y el índice de dispersión desarrollado por Suetsugu,4 fueron usados en este trabajo para evaluar el estado de dispersión de las partículas. El índice de dispersión desarrollado por Suetsugu está definido por: π di2 ni ∑ 4 AΦ Donde A es el área de observación, Φ es la fracción volumen del refuerzo y di y ni son el diámetro y el Índice de Dispersión = 1 − PARTE EXPERIMENTAL Materiales El polímero usado en este estudio fue una resina de PP de alta viscosidad proporcionada por Montell (SM 6100), con un peso molecular promedio de 264 000 g/mol. Se utilizó carbonato de calcio (CaCO3) proporcionado por Omya con una densidad relativa de 2.7 y área superficial de 12 m2/g, evaluada mediante adsorción de nitrógeno. Muestras de polímeros con resinas PP empleadas en el estudio. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Extrusor de doble husillo corrotativo empleado en las pruebas. 39 �Mecanismos de dispersión de partículas reforzantes para PP... / Tomás Lozano Ramírez, et al número de aglomerados respectivamente. El índice de dispersión varía desde 0 (donde todo el refuerzo permanece en la forma de aglomerados) hasta 1 (donde no se detecta ningún aglomerado). El índice de dispersión de Suetsugu mostró una buena correlación con las propiedades de impacto. Procesado del polímero reforzado El polímero y el refuerzo fueron procesados en un extrusor de doble husillo corrotativo Leistritz (LSM 30-34). En todos los experimentos, el perfil de temperaturas fue desde 190°C (tolva del extrusor) hasta 210°C a la salida (dado del extrusor). El flujo másico en el extrusor fue de 20 kg/h. Se utilizaron concentraciones de carbonato de calcio de 20% y 50% en peso. El PP y refuerzo fueron introducidos en la tolva del extrusor. Diversas configuraciones de husillo fueron empleadas para estudiar el mecanismo de dispersión del refuerzo a lo largo del extrusor. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Mecanismos de dispersión en el extrusor Macro-aglomeración de partículas del refuerzo antes de la fusión completa del polímero Una vez removidos los husillos del extrusor se observó una gran compactación de partículas de refuerzo en la zona de fusión cuando el refuerzo fue introducido simultáneamente con el polímero en la tolva del extrusor. Estos resultados coinciden con los de Mack,5,6 Andersen7 y Ess.3 El mecanismo puede ser explicado como sigue: las partículas de refuerzo parcialmente incorporadas en la matriz (la zona de transporte de sólidos fue muy corta para plastificar completamente el polímero) fueron compactadas debido a la gran presión en la zona de fusión (primera zona de amasado del extrusor). La compactación fue facilitada debido a que se utilizó una concentración alta de refuerzo y un flujo másico elevado. Se puede concluir que normalmente hay una aglomeración previa a la fusión del polímero (aglomerados del refuerzo están parcialmente mojados por el polímero), las partículas altamente cohesivas interactúan ya sea en los elementos de transporte o zona de fusión y conducen a una aglomeración. 40 Introducción del refuerzo al centro del extrusor Se observó que el estado de dispersión fue adecuado cuando el refuerzo fue introducido al centro del extrusor y utilizando una zona de fusión moderada (sin muchos elementos de amasado). Observaciones similares fueron reportadas por Wu y Bories.8,9 Para zonas de fusión muy severas (consistiendo en muchos elementos de amasado) la dispersión fue inadecuada. Esta aglomeración fue probablemente debida a una floculación del refuerzo por la viscosidad muy baja en el centro del extrusor, también es importante señalar que el nivel de esfuerzos de corte transferidos a las partículas del relleno disminuye con una viscosidad poco baja. La introducción del mineral en el centro del extrusor presenta algunas ventajas, menos desgaste del barril y tornillo, eliminación de una aglomeración secundaria del refuerzo durante el transporte de sólidos y una facilidad para incrementar el gasto másico o volumétrico de alimentación. Macro-aglomeración de partículas cuando el refuerzo está incorporado en el polímero fundido La aglomeración llega a ser muy difícil cuando la viscosidad del polímero es muy alta. Sin embargo, se observó una aglomeración de partículas de refuerzo en las secciones altamente presurizadas del extrusor doble husillo, cuando un dado capilar fue colocado a la salida del extrusor. El diámetro pequeño (1.85 mm) y la longitud importante del dado capilar (60 mm) condujeron a una elevada presión a la salida del extrusor. Al retirar los husillos se detectó una compactación importante de carbonato de calcio en la última sección de estos (sección cercana al dado) 7 para presiones de extrusión alrededor 1.38X10 Pa. La configuración del extrusor de doble tornillo usado para procesar el polímero reforzado se muestra en la figura 1. El flujo volumétrico del extrusor fue mantenido constante. Una válvula “by-pass” localizada antes del dado capilar permitió controlar el caudal de la entrada a éste y tomar las muestras para el análisis de tamaños de partícula. Diversos caudales a la entrada del dado capilar fueron utilizados y éstos generaron diversas presiones a la salida del extrusor. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Mecanismos de dispersión de partículas reforzantes para PP... / Tomás Lozano Ramírez, et al Fig. 1. Configuración del extrusor de doble husillo utilizado para extruir muestras de PP/CaCO3 a través del dado capilar. La distribución de tamaño de los aglomerados de las muestras colectadas antes del dado capilar para dos presiones diferentes se muestra en la figura 2. En la figura 2a (histograma), hay menos aglomerados grandes y más aglomerados pequeños comparados al histograma 2b. En los histogramas se observa claramente que hay más partículas en el rango de (30-50) μm y de (50- 70) μm para una presión de extrusión más baja. Esto indica la aglomeración para presiones elevadas. A bajas presiones se están desintegrando más los aglomerados. Es bien conocido,10 que para el fenómeno de ruptura hay un aumento de aglomerados (daughter fragments). Los resultados muestran que una presión muy alta 7 a la salida del extrusor (1.38X10 Pa), conduce a la compactación del carbonato de calcio altamente cohesivo. En ambos casos, el estado de dispersión fue muy similar en la zona número 4 del extrusor (presión más baja), lo cual significa que la aglomeración fue facilitada en las zonas altamente presurizadas del extrusor. A veces se utilizan válvulas especiales para aumentar el tiempo de residencia en los extrusores de doble husillo, sin embargo se debe tener cuidado para evitar la compactación del refuerzo. En este trabajo se utilizó un refuerzo sin tratamiento superficial, el cual probablemente facilitó la aglomeración. Desintegración de aglomerados en secciones de mezclado Ess3 estudió el efecto de los elementos dispersivos (discos segmentados) en la sección de mezclado de un TSE para la dispersión de aglomerados de CaCO3 en PP. Sin embargo, él no observó ninguna reducción significativa en el tamaño de las partículas Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Fig. 2. Distribución de tamaño de aglomerados de las muestras extrudidas, a) 2.21X106 Pa y b) 1.38X107 Pa generados a la salida del extrusor. En ambos casos el contenido de CaCO3 fue de 20% en peso. del refuerzo. Probablemente, los discos segmentados no generaron suficientes esfuerzos de corte para romper los aglomerados. En el presente trabajo, se utilizaron bloques de amasado para estudiar su efecto sobre la dispersión del refuerzo (CaCO3) en la zona de mezclado del extrusor doble-husillo. También se analizaron el ancho y ángulo de defasamiento de los elementos de amasado en la zona de mezclado del extrusor. Las configuraciones de tornillos utilizadas se muestran en la figura 3. La única diferencia en estas configuraciones es la sección de mezclado (segunda sección de los bloques de amasado). En todos estos experimentos la concentración del refuerzo fue de 50% en peso y la velocidad de rotación de los tornillos fue fijada a 350 RPM. 41 �Mecanismos de dispersión de partículas reforzantes para PP... / Tomás Lozano Ramírez, et al Fig. 4. Evolución del índice de dispersión para las diferentes secciones de mezclado del TSE. rompimiento de partículas que las configuraciones 3a y 3b respectivamente). El tiempo de residencia es mayor cuando se utilizan discos más anchos. Franzheim y Stephan11 encontraron que la dispersión de Poliamida 6 en PP fue mejorada con aumento de la anchura de los elementos de amasado en la zona de mezclado de un extrusor de doble tornillo. Fig. 3. Configuración de la zona de mezclado del TSE, a) sin bloques de amasado; b) cuatro elementos de amasado directos, longitud total = 30 mm (30o); c) cuatro elementos de amasado directos, longitud total = 60 mm (30o); d) cuatro elementos de amasado inversos, longitud total = 60mm (-30o). GFA xx yy representa elementos de transporte: xx es el paso de los elementos en mm, yy es longitud total en mm. KB xx/y/zz representa elementos de amasado, xx es el ángulo de desfasamiento, y el número de elementos y zz es la longitud total en mm. Efecto del ancho de los elementos de amasado sobre la dispersión del refuerzo Las configuraciones 3b y 3c fueron usadas para estudiar el ancho del elemento de amasado. La dispersión obtenida con la configuración 3c fue la mejor. La configuración 3b con solo 4 elementos de amasado (con una longitud total de 30 mm) no fue perceptiblemente diferente de la configuración del extrusor sin ningún elemento de amasado en la zona de mezclado (figura 4). Los índices de dispersión obtenidos con las configuraciones 3a y 3b fueron muy similares en la salida del extrusor. La mejora en la dispersión con la configuración 3c fue debido probablemente a que el tiempo de residencia fue mayor en la zona de mezclado (mayor duración de los esfuerzos de corte para facilitar el 42 Efecto del ángulo de desfasamiento de los elementos de amasado sobre la dispersión del refuerzo Las configuraciones 3c y 3d fueron utilizadas para estudiar el efecto del ángulo de desfasamiento de los elementos de amasado sobre la dispersión. En la configuración 3c se usaron bloques de amasado directos, mientras que en la configuración 3d se usaron elementos inversos. La configuración 3d, con los bloques inversos, dio una dispersión mucho mejor que con las directos (configuración 3c). Los elementos inversos son muy restrictivos; estos elementos empujan el material hacia atrás, aumentando el tiempo de residencia (tiempo de la dispersión) perceptiblemente. En términos generales, los elementos inversos dieron el mejor resultado en términos de la reducción de tamaño de los aglomerados (ver valores del índice de dispersión, figura 4). Esto se debe probablemente a una mayor duración de los esfuerzos de corte. Sin embargo, un amperaje más alto y una temperatura más alta del barril en la sección de mezclado fueron observados con esta clase de arreglo de elementos de mezclado. Aquí, solamente 4 elementos fueron empleados para prevenir la degradación de la matriz. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Mecanismos de dispersión de partículas reforzantes para PP... / Tomás Lozano Ramírez, et al CONCLUSIONES Para obtener un buen procesamiento de materiales poliméricos reforzados en un extrusor de doble tornillo, es preferible agregar el refuerzo al polímero fundido, pero la viscosidad debe ser suficientemente alta para evitar una floculación (aglomeración) de partículas del refuerzo. Este procedimiento reduce el desgaste de los tornillos así como también el consumo de energía eléctrica. Las presiones muy altas de extrusión pueden conducir a la compactación del refuerzo. Los elementos de amasado inversos son muy eficaces para la dispersión de partículas del refuerzo. Sin embargo, se debe tener cuidado con la degradación térmica del polímero. Se observó en esta investigación un aumento importante de la temperatura en la zona de mezclado usando este tipo de arreglo de elementos. RECONOCIMIENTOS Los autores desean agradecer al programa de mejoramiento al profesorado (PROMEP) por el apoyo financiero, No. de Proyecto: PROMEP/103.5/05/1951. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 REFERENCIAS 1. J. Kotek, I. Kelnar, J. Baldrian, M. Raab, European Polym. J., 40, 679 (2004). 2. R. Zitzumbo, S. Alonso, F. Avalos, J.C. Ortiz, M.A. Lopez, M. Arroyo, J. Nanoscience and Nanotechnology, 6, 1 (2006). 3. J.W Ess, PhD Thesis, Brunel University, United Kingdom (1989). 4. Y. Suetsugu, Int. Polym. Process., 5, 184 (1990). 5.M. H. Mack, Plast. Eng., 8, 31 (1990). 6. H. Mack, Plast. Eng., 53, 33 (1997). 7. P.G. Andersen., in Mixing and compounding of polymers, Edited by Manas-Zloczower and Z. Tadmor, New York, Hanser:680-705 (1994). 8. M. Wu, M.Sc. Thesis, École Polytechnique de Montréal, Canada (1999). 9.M. Bories, M.Sc. Thesis, École Polytechnique de Montréal, Canada (1998). 10. T. Lozano, PhD Thesis, École Polytechnique de Montréal, Canada (2003). 11. O.Franzheim, M. Stephan, SPE ANTEC Tech. Papers, 2591 (1997). 43 �Modificación de superficie activa de electrodos con complejo de base de Schiff Perla Elizondo Martínez, Blanca Nájera Martínez, Cecilia Rodríguez de Barbarín, Leonor María Blanco Jerez Facultad de Ciencias Químicas, UANL perlaelizondomx@hotmail.com RESUMEN En este trabajo se presenta la síntesis, caracterización y estudios de selectividad del ligando macroacíclico de base de Schiff N-N´-bis(2-nitrobencil) etilendiimino (L). El estudio de selectividad del ligando con el ion Ni(II) se llevó a cabo determinando la concentración del ión metálico unida al ligando, por Absorción Atómica. También se determinó la constante de formación del complejo formado. El complejo de sulfato de N-N´-bis(2-nitrobencil)etilendiiminoníquel(II) fue utilizado para modificar la superficie de electrodos de carbón vítreo (CV) y óxido de estaño e indio (ITO) utilizando la técnica de voltamperometría cíclica. A un pH de 10 se observa que el electrodo de CV modificado (CVM) tiene la capacidad para detectar el derivado fenólico 2,4-diclorofenol y electrocatalizar la degradación anódica de este compuesto. PALABRAS CLAVE Complejos de níquel base de Schiff, modificador de electrodos, voltamperometría. ABSTRACT This work presents the synthesis, characterization, and selectivity studies of the macroacyclic ligand of Schiff base N-N´-bis(2-nitrobenzyl)ethylenediimine (L). The preliminary results of the ligand with the ion Ni(II) were carried out by determining the concentration of the coordinated metal ion using atomic absorption. The formation constant of Ni(II)-L complex were also determined. The complex was used to modify the surface of carbon vitreo electrodes and tin oxide and indium (ITO) using the cyclic voltammetry technique. At pH 10 the CVM is able to detect and degradate the 2,4-dichlorophenol. KEYWORDS Schiff base níquel complexes, electrodes modifers, voltammetry. INTRODUCCIÓN En años recientes se ha puesto un gran esfuerzo en la preparación y caracterización de complejos metálicos formados con macroligandos de base de Schiff.1-6 La característica principal de estos macroligandos, sintetizados a partir de la reacción de dialdehídos y aminocompuestos, es formar complejos 44 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Modificación de superficie activa de electrodos con complejo de base de Schiff / Perla Elizondo Martìnez, et al estables, ofreciendo la oportunidad de diseñar nuevos sistemas que sean selectivos para determinados iones metálicos, que pudieran tener aplicaciones específicas en áreas como: electroquímica, bioinorgánica, catálisis, desactivadores metálicos, procesos de separación y química ambiental entre otros.7-11 Se han estado sintetizando nuevos macroligandos de base de Schiff, 10-13,14 con la finalidad de realizar estudios de complejamiento y selectividad frente a diversos iones metálicos y por otro lado utilizarlos como precursores para la formación de otros ligandos tanto cíclicos como acíclicos. Algunos de los intermediarios para la preparación de estos precursores (y los mismos precursores) previamente sintetizados,13 presentan semejanzas estructurales a las ftalocianinas7,13-16 (N4-macrociclos) y otros compuestos relacionados,17-22 cuyos complejos metálicos están siendo utilizados como modificadores de la superficie activa de electrodos, con la finalidad de mejorar su actividad catalítica en la detección selectiva de contaminantes orgánicos y en el atrapamiento de metales.7,13,14,18-24 En este contexto surge el interés primero: de realizar estudios de selectividad y de la capacidad de complejamiento del N,N´-bis(2nitrobencil) etilendiimina (L), con el Ni(II) y luego estudiar la potencialidad de este complejo en el desarrollo de electrodos químicamente modificados y posteriormente aplicarse en la detección de contaminantes. Actualmente el complejo [Ni(II)L]SO 4 se está estudiando como posible modificador de la superficie activa de electrodos. Bajo ciertas condiciones se ha logrado polimerizar este compuesto electroquímicamente sobre la superficie de un electrodo de carbono vítreo (CV) y sobre una superficie de vidrio recubierto con óxido de estaño e indio (ITO) respectivamente. Estos electrodos químicamente modificados se están probando en la detección y degradación de contaminantes organoclorados. EQUIPOS: • Espectrómetro de IR Nicolet 5PC. • Espectrómetro de RMN de protón, Bruker ACF250-250 MHz. • Medidor de punto de fusión Electrothermal 9100. • Analizador Orgánico Elemental CHNS/O, Perkin Elmer Instruments Series II 2400. • Analizador Térmico, TA-Instruments Model SDT-2960. • Conductímetro Orion Modelo 162. • CV (potenciostato CV-50W (BAS). • Galvanostato LG-50 (BAS). • Diractómetro de Rayos X de Monocristal, Siemes modelo P4. Obtención del N,N´-bis(2-nitrobencil)etilen diimina (L) El ligando L se obtuvo por una condensación de base de Schiff a partir del 2-nitrobenzaldehído y etilendiamina con un rendimiento del 83%. La naturaleza de L fue comprobada caracterizándolo por las técnicas espectroscópicas de IR y RMN, por punto de fusión y por Rayos X de monocristal. Reacción de formación del complejo La reacción de complejamiento entre el N,N´bis(2-nitrobenzaldehído)etilendiimina (L) con el ion Ni(II), ver figura 1, se llevó a cabo por reacción O2N NO2 Ni2+ + N N CHCN L NO2 O2N Ni2+ PARTE EXPERIMENTAL Todos los reactivos utilizados fueron grado analítico de la marca Aldrich Chemical Co. sin posterior purificación. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 N Fig. 1. Reacción de formación. N Ni(II)-L 45 �Modificación de superficie activa de electrodos con complejo de base de Schiff / Perla Elizondo Martìnez, et al directa, a reflujo durante dos horas y con agitación. Se mezclaron, 0.1 mol de L en 50 mL de acetonitrilo con 0.1 mol de la sal de NiSO4.6H2O, aislándose un compuesto azul que se caracterizó como [Ni(II)L]SO4. Determinación de la constante de formación Se determinó la constante de formación con base en concentraciones del complejo de Ni(II) por conductimetría utilizando un conductímetro marca Orion modelo 162. Se midieron las conductancias específicas (σ) en el conductímetro, previamente calibrado con una disolución de conductividad conocida, de una serie de disoluciones del complejo [Ni(II)-L], utilizando una celda de conductividad de 1cm2 de área (A) y de 1cm de longitud (l). Preparación de electrodos químicamente modificados Se utilizaron como conductores electrónicos el Carbón Vítreo (CV) y el dióxido de estaño e indio (ITO) y como agente modificante el complejo [Ni(II)-L]SO4. Antes de iniciar la experimentación, se dio un tratamiento de limpieza a los electrodos de CV e ITO. Las celdas electroquímicas utilizadas consistieron en un sistema de tres electrodos: electrodo de referencia Ag/AgCl(s), KCl, electrodo de trabajo los cuales eran CV e ITO y como electrodo auxiliar un alambre de platino. Modificación de los electrodos Con objeto de encontrar las mejores condiciones para la modificación de los electrodos, se realizaron estudios de pH, velocidad de barrido, números de ciclos, concentración de agente modificante e intervalo de potencial. Cada una de las pruebas realizadas se llevó a cabo a temperatura ambiente en la celda electroquímica conectada al potenciostato. En la celda se colocó la disolución de agente modificante, en la cual se sumergió el sistema de los tres electrodos: el de trabajo (CV o ITO), el de referencia (Ag/AgCls) y auxiliar (Pt) que se conectaron al potenciostato para realizar las medidas. 46 RESULTADOS Y DISCUSIÓN El ligando L se obtuvo como un sólido cristalino con un rendimiento del 83% logrando aumentarlo con respecto al obtenido en la bibliografía.13 La naturaleza del ligando fue comprobada por espectroscopía IR y RMN así como por análisis de difracción de rayos X de monocristal. Los resultados del análisis por infrarrojo verifican que la reacción de condensación de base de Schiff fue exitosa, debido a la presencia de bandas correspondientes al grupo imino a 1637 y nitro a 1335 y 1516 cm-1, así como la ausencia de señales características a los grupos carbonilo y amino presentes en el material de partida. Tabla I. Tabla I. Asignación de bandas para L y Ni(II)-L. Compuesto Grupo –NO2 u cm-1 Grupo >C=N u cm-1 Grupos –C=O y –NH2 u cm-1 L 1335 , 1516 (s) 1637 Ausencia [Ni-L]SO4 1350 , 1530 (w) 1657 Ausencia Anión SO4 u cm-1 1100 Con respecto al complejo, [Ni(II)-L]SO 4 el análisis por IR, muestra que el espectro, es consistente con la presencia del grupo imino exhibiendo una banda en 1657 cm-1, con un desplazamiento de 20 unidades de frecuencia con respecto a la del ligando. Se observó, también, un desplazamiento de las bandas del grupo nitro, y una disminución en la intensidad de las mismas, lo que pudiera sugerir la coordinación del metal con los átomos de N. El espectro también muestra una banda intensa a 1100 cm-1 que corresponde al sulfato. La precipitación instantánea de los iones sulfato con una disolución de bario y de plomo (II) sugiere que el sulfato está fuera de la esfera de coordinación. El espectro 1H RMN del ligando diimino L presenta señales en el intervalo de 8.75-8.85 p.p.m correspondiente al CH=N señal que determina la integridad del producto. Los datos de resonancia para el ligando son consistentes con la estructura propuesta. Se obtuvieron cristales para el ligando L determinando su estructura por difracción de rayos Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Modificación de superficie activa de electrodos con complejo de base de Schiff / Perla Elizondo Martìnez, et al X de monocristal. Ésta se muestra en la figura 2 donde se observa que L pertenece a un sistema Monoclínico. Los datos de las reflexiones de los cristales fueron medidos usando la radiación MoKα (λ = 0,71073 Å), y la técnica ω-scan, se corrigieron los efectos de Lorentz y de polarización pero no de absorción, la estructura fue resuelta por métodos directos, que revelaron la posición de todos los átomos distintos de hidrógeno, y se refinó por el procedimiento de b 0 c I a Fig. 2. Estructura de L determinada por difracción de Rayos X de monocristal. mínimos cuadrados de F2 usando parámetros de desplazamiento anisotrópicos para todos los átomos excepto los hidrógenos, que fueron incluidos en sus posiciones calculadas y refinados con un modelo rígido. Los datos cristalográficos para L se aprecian en la tabla II. El complejo [Ni(II)-L]SO 4 se obtuvo como un sólido azul con un 45% de rendimiento. Se caracterizó por Análisis Elemental (AE) mostrando a continuación una comparación con el obtenido y el teórico esperado % experimental (% teórico) C16H14N4O6S, 49.1(49.2)% C, 3.3(3.5)% H, 14.5(14.3)% N. Este resultado concuerda con el teórico de la estructura esperada, siendo una evidencia de la misma. Se realizó un estudio de la interacción del ligando con el ión metálico por absorción atómica, determinándose la concentración de ión metálico que quedó sin reaccionar, obteniéndose un 62% molar del Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Tabla II. Datos cristalográficos para L. Fórmula empírica C6H7N2O2 Color y forma Amarillo prismático Tamaño del cristal 0.36 x 0.20 x 0.12 mm3 Sistema cristalino Monoclínico Grupo espacial P2(1)/c Dimensiones de la celda unitaria a= 7.4290 (10) Å b=15.503(2) Å c=7.083(10)Å α= 90.00º β=108.65(2)º γ=90.00º Volumen 772.93(18) Å3 Peso fórmula 139.2 Densidad (calc.) 1.402g/cm3 Ni(II) unido a L. Este resultado muestra la afinidad del ligando por el ion metálico. Además, se estudió el comportamiento del complejo en disolución por conductimetría, mostrándose los resultados en la tabla III. De acuerdo con los resultados de dicho estudio y Tabla III. Determinación de la constante de formación de [NiL1]SO4 por conductimetría. Concentración Molar [NiL1]SO4 μS/m ∧eq C∧ 1/∧ 5x10-4 1180 2360 1.18 4.24x10-4 2x10-4 930 4650 0.93 2.15x10-4 8x10-5 650 8125 0.65 1.23x10-4 3x10-5 420 14000 0.42 7.14x10-5 2x10-6 350 175000 0.35 5.71x10-6 Kf = 1.25*106 ∧eq (Conductividad equivalente) CΛ 1 1 + = 2 Λ KiΛ0 Λ0 ecuación 1 ∧ Conductividad equivalente ∧o Conductividad equivalente a dilución infinita C Concentración molar del compuesto 47 �Modificación de superficie activa de electrodos con complejo de base de Schiff / Perla Elizondo Martìnez, et al aplicando la ecuación 125, se determinó la constante de disociación del complejo, el inverso del valor conduce a la constante de formación propuesta de Kf = 1.25x106. Teniendo en cuenta este valor se puede decir que la estabilidad termodinámica del complejo se hace evidente. En la medición del punto de fusión del complejo de L con Ni(II), se observó que a la temperatura de 87oC ocurre un cambio de color; dado que esta temperatura es menor a 100oC, se puede pensar que dicho cambio se debe a la eliminación de agua no esencial del tipo higroscópica o de hidratación. Al seguir aumentando la temperatura, el compuesto permanece estable hasta más allá de los 300oC en donde se da la descomposición del compuesto. En el análisis de los termogramas (figura 3) obtenidos del estudio térmico realizado al complejo, se observa, en el caso de termogravimetría, señales debidas a la pérdida en peso del compuesto a la temperatura de aproximadamente 90oC y un pico endotérmico para el caso del termograma diferencial. Como es bien sabido, los compuestos a esa temperatura pierden agua no esencial, probablemente del tipo higroscópico y/o de hidratación, tal es el caso del complejo de níquel(II), por lo que la posibilidad de que el agua se encuentre coordinada al elemento central es poco probable.26 Se realizaron estudios electroquímicos sobre el complejo [Ni(II)L]SO4, éste logró polimerizarse en la superficie de electrodos de CV (carbono vítreo) e ITO (óxido de indio y estaño) comprobándose la modificación química en la superficie de los mismos Fig. 3. Termogramas realizados al complejo [Ni(II)L]SO4. 48 por la presencia de picos de oxidación y reducción característicos del par redox19,20 Ni2+/Ni3+ al aplicar la técnica de voltamperometría cíclica en barridos de 30 ciclos. Se probaron diferentes condiciones en cuanto a las velocidades de barrido y pH para modificar químicamente ambos electrodos. De acuerdo a los voltamperogramas obtenidos, las mejores condiciones se encontraron a pH 10 y velocidad de barrido de 250 mV/s, como se muestra en las figuras 4 y 5. La modificación del CV (CVM) y del ITO (ITOM) se comprobó sumergiendo cada electrodo modificado en una disolución libre de complejo, con sulfato de sodio 0.1 M como electrolito soporte, a pH 10. Los experimentos se llevaron a cabo a una velocidad de barrido de 250mV/s, a 1 ciclo, con un barrido de potencial de 0 a 1000mV. Fig. 4. Modificación de CV, pH 10, velocidad de barrido 250mV/s, 30 ciclos. Disolución 1mM [Ni(II)-L]SO4, 0.1 M Na2SO4, barrido de potencial de 0 a 1000mV. Fig. 5. Modificación de ITO, pH 10, velocidad de barrido 250mV/s, 30 ciclos. Solución 1mM [Ni(II)-L]SO4, 0.1 M Na2SO4, barrido de potencial de 0 a 1000mV. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Modificación de superficie activa de electrodos con complejo de base de Schiff / Perla Elizondo Martìnez, et al En los voltamperogramas obtenidos (figuras 6 y 7) se muestran los picos de oxidación y reducción del par Ni(II)/Ni(III), lo que pone en evidencia la presencia de este metal en la superficie del electrodo, por lo que se puede sugerir que la modificación de los electrodos se llevó a cabo con éxito. Para la realización de la prueba de CV modificado como sensor del 2,4-diclorofenol (2,4-DCF), se llevaron a cabo los experimentos a pH 10 considerando que fueron los mejores resultados para la modificación del electrodo. Primeramente se realizó el experimento en ausencia del 2,4-DCF utilizando solamente el electrolito soporte con el CVM, no observándose ninguna señal importante. Posteriormente se llevó a cabo el experimento en presencia del 2,4-DCF, encontrándose un pico de oxidación y uno de reducción que se atribuyen al compuesto clorado (figura 8). En la figura 8 se puede apreciar, un pico de oxidación después del pico de oxidación del 2,4DCF, el cual se cree que pertenece a la oxidación del níquel, aunque desplazado a potenciales más positivos. Igualmente se observa otro pico de reducción antes del pico de reducción del 2,4-DCF, que probablemente pertenece a la reducción del níquel pero al igual que el pico de oxidación, desplazado a potenciales más positivos. Esto sugiere que a pH 10 el electrodo CVM es sensible al compuesto 2,4–DCF pero la película del complejo se destruye o se pasiva, esto sienta las bases para un estudio más profundo sobre la potencialidad del complejo de níquel como modificador de electrodos. Fig. 6. Comprobación de la modificación del electrodo de CV. Disolución, 0.1 M de Na2SO4 , pH 10, velocidad de barrido 250mV/s, 1 ciclo, barrido de potencial de 0 a 1000mV. Fig. 8. Prueba del CVM como sensor del 2,4-DCF. Disolución, 3mM de 2,4-DCF, 0.1 M de Na2SO4 pH 10, velocidad de barrido 250mV/s, 1 ciclo, barrido de potencial de -500 a 1500mV. Fig. 7. Comprobación de la modificación del electrodo de ITO. Disolución, 0.1 M de Na2SO4 , pH 10, velocidad de barrido 250mV/s, 1 ciclo, barrido de potencial de 0 a 1000mV. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 CONCLUSIONES De acuerdo a los resultados obtenidos, la condensación de base de Schiff es adecuada para la síntesis del ligando L. Del estudio de la interacción del macroligando N,N’-bis(2nitrobencil) etilendiimina con el Ni(II) llevado a cabo por Absorción Atómica, se puede deducir la afinidad que presenta dicho ligando hacia el ion metálico, lo que se corrobora con los resultados obtenidos de la caracterización del producto que indican la formación del complejo metálico correspondiente. El estudio por conductimetría para 49 �Modificación de superficie activa de electrodos con complejo de base de Schiff / Perla Elizondo Martìnez, et al la determinación de la constante de formación del complejo, (Kf = 1.25 x 106) indica su estabilidad termodinámica. El complejo [Ni(II)L]SO 4 se polimeriza electroquímicamente modificando la superficie activa de electrodos de carbono vítreo y de ITO, los resultados de los análisis muestran que la modificación se ve más favorecida en el conductor de CV que en el de ITO. De acuerdo a los resultados preliminares el electrodo de CV modificado tiene la capacidad para detectar el derivado fenólico 2,4-diclorofenol y electrocatalizar la degradación anódica de este compuesto, sin embargo es necesario encontrar las condiciones bajo las cuales no se destruya o inhiba al electrodo de su actividad electroquímica por interacción con el 2,4-DCF. AGRADECIMIENTOS Agradecemos a la Universidad Autónoma de Nuevo León por el apoyo con el proyecto PAICYT. A la administración de la Facultad de Ciencias Químicas por el apoyo brindado en la realización de este proyecto. Por último muy especialmente a las estudiantes de la Carrera de Licenciado en Química Industrial, Perla Martínez Cedillo por la realización de algunos de los experimentos y a Olga Inira Espinosa Saldaña por la realización de los estudios de Voltamperometría Cíclica. REFERENCIAS 1. Adams, H. and Nájera, B. A.; “The Interaction of AgI, ZnII and PbII with a pyridinyl-derived N5-macrocycle.” J. Coord. Chem.;.56, 14 (2003) 1215-1222. 2. Nájera, B.Schiff base Macrocycle Ligands and their Complexes, University of Sheffield, thesis for the Degree of the Doctor oh Philosophy, U.K. (1999). 3. Adams, H.; Bailey, N. A.; Fenton, D. E.; Kitchen, S. J.; and Nájera, B. A.; “The interaction of CuII and NiII with a pyridinylderived N5-macrocycle.” Anales de Química; 93 (1997) 3-6. 50 4. Fenton, E.D. & Nájera, B.; A new Expanded Schiff-Base Cryptand. J. Coordination Chemistry, 54, 3-4, (2001) 239-246. 5. Atria, A.M. Moreno, Y. Spodine, E Garland, T.. Baggio, R “A Discrete Dinuclear Cu(II)Gd(II) Complex Derived from a Schiff Base Ligand, [CuGd(ems)(NO3)3H2O]Cu(ems)(ems: N,N´-ethylene-bis-5-methoxy salicylaldiimine), Inorganic Chimica Acta, 335 (2002) 1-6. 6. Y. Sunatsuki, Y. Motoda, and N. Matsumoto, “Copper(II) cComplexes with multidentate Schiff base ligands containing imidazole groups: ligandcomplex or self-complementary molecule”, Coordination Chemical Reviews, 226, 1-2 (2002) 199-209. 7. F. Bedioui and G. Gutierrez, and C.B. Charreton “Metalloporphyrin, metallophtalocyanine and related macrocycle complex-base film modified electrodes: Review of selected significant designs and applications to the electrochemical detection of pollutants”, Recent Res Devel. Electrochemical, Reviews París. 2 (1999) 91-108. 8. S Trevin, F. Bedioui and M. G. Gómez, and C.B. Charreton, Electroplymerized Nickel Macrocyclic Complex-Bases Films Design and Electrocatalytic Application, J. Mater . Chem, 7, 6 (1997) 923-928. 9. Raman, N. Ravichandran, S. Thangaraja, C. “Copper(II), Cobalt(II), Nickel(II), Zinc(II) Complexes of Schiff base derived from benzil2,4-dinitrophrnylhidrazone with aniline”. J.Chem. Sci.,; 4 (2004) 215-219. 10. Adams, H. Nájera, B.A. “The Interaction of Ag(I), Zn(II) and Pb(II) with a Pyridinyl-Derived N5-Macrocycle”, J. Coord.Chem, 56,14 (2003) 1215-1222. 11. Raman, N. Muthuraj, Y. Ravichandran, S, Kuilandaisamay, A. Synthesis, Characterisation and Electrochemical Behaviour of “Copper(II), Cobalt(II), Nickel(II), Zinc(II) Complexes Acetylacetone and p-anisidine”. Proc. Indian. Acad.Sci.(Chem. Sci9. 115 (2003) 161-167. 12. Reza, M. Emami, M. Niasart, M. S. “Novel Copper(II)-Selective Sensor Based on a New Hexadentates Schiff´s Base” Bull. Korean Chem. Soc,: 23, 10 (2002) 1394-1398. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Modificación de superficie activa de electrodos con complejo de base de Schiff / Perla Elizondo Martìnez, et al 13. Obregón Solís, E.; Rodríguez de Barbarín, C.; Elizondo de Cota, P.; y Nájera Martínez, B.; “Estudio cristalográfico de los intermediarios del N,N’-bis(2-aminobencil)-1,2-diaminoetano.” Ciencia UANL; 4, 4 (2001) 435-440. 14. E.Trollund, P.Ardiles, M. J. Aguirre, S. Biaggio, and R.C. Rocha, “Spectroelectrochemical and Electrical Characterization of Poli(cobalttetraaminophthalocyanine)-modified Electrodes: Electrocatalytical Oxidation of Hidrazine”, Polyhedron, 19, 22-23 (2000) 2303-2312. 15. N.R Armstrong, “Porphyrins and Phthalocyanines as Materials” J. of Porphyrins and Phthalocyanines. ; 4, 4 ( 2000) 414-417. 16. M. Ebadi, A.B.P. Lever, “Electroreduction of Nitrite Catalyzed by a Dinuclear Ruthenium Phthalocyanine Modified Graphite Electrode”, J. of Porphyrins and Phthalocyanines. ; 7, 8 ( 2003) 529-533. 17. J. Losada, I. Del Peso and L .Beyer, “Electrochemical and spectroelectrochemical Properties of Copper(II) Schiff Base Complexes” Inorganic Chimica Acta,; 321, 1-2 (2001) 107-115. 18. A. Alatorre, J. Manriquez, F.J. Acevedo, S. Gutiérrez, F. Bedioui. “Electrocatalysis of the Reduction of Organic Halide Derivatives at Modified Electrodes Coated by Cobalt and Iron Macrocyclic Complex-Based Films: Aplication to the Electrochemical Determination of Pollutants”, Analusis,; 28 (2000) 228-244. 19. J. Manriquez, J.L. Bravo, S. Gutierrez, S. Succar, B.C. Charreton, F. Alatorre Abedioui, Electrocatalysis of the oxidation of alcohol and phenol derivative pollutants at vitreous carbon electrode coated by nickel macrocyclic complex-based films Analytica Chimica Acta, 378 1-3 (1999) 159-168. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 20. Ferrer, S.J. Gutiérrez, S. Bedioui F. Alatorre, A. “Amperometric Detection of Urea in Aqueous Solution by Poly(Ni-cyclam) Film-modified Glassy Carbon Electrode “, Electroanal, 15 (2003) 70-74. 21. M.Shamsipur, M. Yousefi, G.M. Reza, and M, Faal-Rastgar, “Higly Selective Sulfate PVCMembrane Electrode Based on 2,5-diphenyl1,2,4,5-tetraaza-bicyclo[2,2,1]heptaneas a Neutral Carrier” Sensors and Actuoators B: Chemical, 82, 1 (2002) 105-110. A. 22. Silva, A.R. Martins, M. Freitas, M.A. Valente, A. Freire, C.. de Castro, B. Figueiredo, J.L “Immobilisation of Amine-Functionalised Nickel(II) Schiff Base Complexes Onto Activated Carbon Treated With Thionyl chloride”. Microporous and Mesoporous Materials. 55, 3 ( 2002) 275-284. 23. Ortiz, B. Park, S-M. “Electrochemical and Spectroelectrochemical Studies of Cobalt Salen and Salophen as Oxygen Reduction Catalysts” Bull Korean.Chem.Sov. 21, 4 (2000) 405-411. 24. Simon, E. Sablé, E. Handel H. L’Her M. “Electrodes Modified by Conducting Polymers Bearing Redox Sites: Ni- and Co-Cyclam Complexes on Polypyrrole”. Electrochimica Acta.; 45, 6 (1999) 855 – 863. 25. Skoog, D. Holler, J. Nieman, T. Principios de Análisis Instrumental; ed. 5; España; McGrawHill; (2001); ISBN: 8448127757. 26. Cotton, F. A.; Wilkinson, G.; Murillo, C. A.; Bochmann, M.; Advanced Inorganic Chemistry; ed. 6; U.S.A.; Wiley Interscience; (1999); ISBN: 0-471-19957-5. 51 �La integración de los conceptos de gestión en las PYMES Miguel A. Palomo González Facultad de Ciencias Químicas, UANL mpalomo@fcq.uanl.mx RESUMEN La literatura sobre los problemas de las Pequeñas y Medianas Empresas (PYMES) se refieren principalmente a aspectos externos a las empresas, del tipo macroeconómico o de política industrial. Por otro lado, lo que se menciona como “problemas” propios de las PYMES como por ejemplo, la falta de financiamiento o de competitividad, son en realidad opiniones subjetivas. En este artículo se discuten los aspectos internos de las empresas, con el enfoque hacia la integración de los conceptos básicos de gestión lo cual junto con la falta de una visión estratégica de negocios, impacta negativamente en el desarrollo de las PYMES. PALABRAS CLAVE PYMES, empresas medianas, empresas pequeñas, gestión, procesos. ABSTRACT Publications about Small and Medium Size Enterprises (SMSE’s) are refering mainly to company´s external issues, such as macroeconomics or goverment industrial policies. Moreover, “problems” of the SMSE`s labeled as internal, such as financial aid or competitiveness, are indeed subjective opinions. An inner view of the enterprises, focused on the integration of the basic principles and the lack of strategic business vision, which have a negative impact in their growth, is discused in this article. KEYWORDS Arrangement, SMSE, small companies, medium companies, process. INTRODUCCIÓN Aunque la administración científica se menciona en publicaciones recientes, en realidad data de principios de 1900. Los primeros comentarios se refieren a: el sistema administrativo, las funciones de la administración y la administración eficiente de los activos de la empresa; para después enfocarnos en los objetivos de la administración y el crecimiento de negocio. Algo importante es que ya entonces se mencionaba que la administración del negocio debería basarse en los datos o hechos más que en la opinión subjetiva de la gente. Se planteaba la necesidad de medición, su análisis y el posterior plantamiento de las tareas de producción, y la capacitación del personal.1 Sin embargo continúa prevaleciendo la idea de que la administración “es un arte”, basado completamente en la intuición, más que en el análisis de los datos, y por otro lado, los administradores se enfocaron principalmente a administrar la tareas y los procesos operativos, olvidando eficientar los procesos administrativos. 52 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �La integración de los conceptos de gestión en las PYMES / Miguel A. Palomo González Actualmente, temas tales como: administración por objetivos, enfoque de calidad hacia el cliente, re-ingeniería y benchmarking, han venido a integrar los procesos operativos y de administración del negocio. En un artículo anterior sobre las PYMES, publicado en esta misma revista,2 se analizaron diversas publicaciones sobre PYMES y se encontró que no consideraban la gestión de sus procesos y sus problemas inherentes, más bien se vierten opiniones sin un soporte científico, o se refieren a propuestas de políticas macroeconómicas que, en principio, tienen un impacto mínimo en la solución de los “problemas” de las empresas. Retomando las preguntas postuladas en el artículo citado: ¿Cómo es la gestión interna de los procesos de las PYMES? ¿Cuáles son las características de gestión de las PYMES del sector manufacturas en la Zona Metropolitana de Monterrey (ZMM)? se decidió continuar el análisis, ahora con un enfoque interno, considerando los procesos de gestión, con un soporte más cuantitativo que cualitativo. Se parte de la premisa de que los problemas de crecimiento en las PYMES se relacionan con la gestión de sus procesos, y que la naturaleza e impacto de los posibles problemas dependen del grado de integración de los conceptos de gestión. LOS PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA GESTIÓN Desde principios del siglo XX, los conceptos básicos sobre la gestión de negocios, desde diferentes enfoques, han sido abundantes. A nivel de negocio, las empresas son organizadas como un sistema, con funciones de: gestión, ventas, finanzas, producción y recursos humanos, etc.3 Todas las funciones son importantes pero la función de gestión es relevante en el caso de las PYMES, ya que define la razón de ser de las otras funciones, pues se ocupa de: • Pronosticar el mercado y las variables externas a la empresa y planear para el establecimiento de los objetivos deseados. • Organizar de acuerdo a la planeación. • Ejecutar las actividades planeadas. • Supervisar las acciones. • Evaluar y Controlar. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Es importante el enfoque hacia el aspecto de la gestión científica basado en hechos y datos, donde la principal fuente deben ser el Mercado y la Producción, más que la simple opinión y la intuición personal, sin fundamento. Con el nacimiento de la ingeniería industrial viene a formarse un concepto más claro sobre el significado de la administración científica, basada principalmente en el estudio de las tareas, sus tiempos de realización y sus logros.4 Y, con esa información se puede determinar el mejor método para lograr los resultados con el menor esfuerzo y en el tiempo óptimo. De esta manera, los expertos de la planta, que analizan y miden los diferentes métodos para realizar una tarea, aprenden a administrar basados en el conocimiento de los hechos. Los hechos cuantificados vendrán a formar las leyes de trabajo que gobernarán las acciones de gestión; las cuales hasta nuestros días, en la mayoría de los casos, se basan en la opinión de alguien. De igual forma la ingeniería industrial sienta las bases para un sistema de capacitación para los próximos empleados o nuevos puestos de trabajo. En la administración por objetivos la función de gestión y los administradores son el centro del modelo de negocio.5 De acuerdo a este concepto, el propósito del negocio es crear o desarrollar un mercado, y las funciones esenciales son marketing e innovación.6 El marketing es visto como el negocio en sí, desde el punto de vista del consumidor o clientes. La estructura organizacional es el medio para lograr los resultados y eficiencias, y su definición debe ser de tal manera que permita lograr los objetivos del negocio en un periodo definido. El administrador debe ser medido y controlado sólo por el logro de los objetivos, y las funciones de los administradores deben basarse en tareas que ayuden a cumplir con los objetivos de negocio. Las tareas básicas para el administrador son: • Administrar por objetivos. • Tomar riesgos en un periodo de tiempo futuro más largo. • Tener la habilidad de tomar decisiones estratégicas. • Tener la habilidad de integrar un equipo de trabajo, donde cada miembro del equipo es capaz de administrar el logro de sus objetivos con relación al de la empresa. 53 �La integración de los conceptos de gestión en las PYMES / Miguel A. Palomo González • Tener la habilidad de comunicar la información de manera rápida y de forma clara. • Tener la habilidad de ver el negocio y la industria como un sistema y de integrar sus funciones dentro de éste. La calidad es otro de los conceptos básicos del negocio, no son sólo las pruebas al producto, artículos defectuosos y no defectuosos. El concepto amplio es “calidad total” o “la administración de la calidad en toda la empresa”, desde este punto de vista la calidad somos todos y su función principal es ser el medio de diseminación de la calidad en el negocio.7 Dentro del concepto de calidad total, la etapa de la planeación de la calidad es importante y consiste en el desarrollo de los productos y procesos requeridos para cumplir con las necesidades de los consumidores. Más específicamente la planeación de la calidad incluye los siguientes pasos: • Identificar los consumidores. • Determinar sus necesidades. • Traducir esas necesidades al lenguaje de la empresa. • Desarrollar un producto que pueda responder a esas necesidades. • Optimizar las características del producto para que cumpla con nuestras necesidades así como las del consumidor. • Desarrollar un proceso que sea habilitado para producir ese producto. • Optimizar el proceso. • Probar que el proceso puede producir el producto bajo las condiciones de operación. • Transferir el proceso a la parte operativa. El concepto de reingeniería de procesos,8 al igual que la mejora continua, parte de una visión del futuro del negocio, ¿dónde está y hacia dónde va? Los objetivos buscados son logros dramáticos en el costo, la calidad, el servicio y velocidad de respuesta, para esto el negocio debe identificar los procesos clave y hacerlos lo más esbeltos y rentables posible, una simple mejora en algunos procesos actuales no sería suficiente. La idea es iniciar con una hoja en blanco e identificar los procesos con los cuales el negocio debe operar, para continuar con la implantación de los cambios en la realidad. Sin embargo, normalmente la administración se limita a identificar los procesos 54 “fáciles y rápidos de cambiar”, al mismo tiempo que no se cambian los sistemas internos, los estilos y roles de los administradores. Dentro del rediseño se considera la creación de premios en base a las habilidades de la gente que permanece en el negocio. La reingeniería puede confundirse con la reducción continua de personal y crear un ambiente difícil, donde no hay confianza de los empleados hacia el negocio. Otro concepto, no menos importante que los anteriores es el concepto de benchmarking,9 sus fines son asegurar la satisfacción del cliente, incluyendo la calidad, el costo y el tiempo oportuno. Identificados como procesos, no como actividades, estos afectan a los consumidores y, como principales candidatos para el análisis, deben ser: la entrada de pedidos, la entrega, la facturación, la cobranza, el servicio, la resolución de problemas de operación, y el precio. Los procesos críticos del negocio son: el proceso de planeación, el proceso de gestión, el proceso de calidad, y el proceso financiero. Y se identifican como factores críticos de éxito: el nivel de satisfacción del cliente, el servicio en la entrega, costo unitario, y la utilización de los activos. El primer paso en los procesos es identificar el “producto” que debe ser analizado para cada función en particular. La gestión de procesos del negocio es un enfoque que administra los flujos de trabajo en el negocio. 10 Incorpora las responsabilidades esperadas del personal, las tecnologías, el equipo y la infraestructura, e implica definir las políticas, estándares y procedimientos para cada actividad en particular. Se trata de estandarizar el trabajo de tal manera que la gente pueda repetir las prácticas exitosas. Pero, sin bases sólidas de prácticas Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �La integración de los conceptos de gestión en las PYMES / Miguel A. Palomo González repetibles, es de esperar que un negocio no pueda estandarizar o integrar exitosamente sus procesos de gestión del negocio. Finalmente, a nivel de negocio, entre los principales objetivos de un negocio se pueden identificar: la búsqueda de la rentabilidad, la participación del mercado, y el entendimiento del mercado.11 LOS TEMAS DE GESTIÓN Y SU INTEGRACIÓN EN LAS PYMES Existe una relación entre los temas de gestión, y la satisfacción del consumidor. Los conceptos básicos y los sistemas para la gestión de procesos se encuentran implícitamente dentro de los temas generales de la administración de empresas, los cuales son más conocidos por la dirección del negocio como: administración general, administración de las operaciones, administración de la calidad, administración de la productividad, y administración estratégica.12 Estos temas generales servirán de base para tratar de analizar cómo integran estos temas las PYMES, y el nivel de dominio de los sistemas de gestión para contestar la pregunta sobre si existe alguna diferencia entre los PYMES en cuanto a la gestión de sus procesos. Los niveles de dominio de la gestión de procesos se identifican de acuerdo al desarrollo de los siguientes cinco sistemas de gestión, siendo el empirismo el sistema inicial y el proceso de planeación el sistema integrador:12 • El empirismo, donde hay una mínima integración de los temas de gestión. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 • La documentación, donde la intención es obtener los datos de las funciones del negocio, de acuerdo a la administración general y la estandarización de procesos. • El sistema de información, el cual proporciona datos con el fin de repetir las prácticas exitosas, como por ejemplo: el seguimiento a pedidos y órdenes de compra, la integración de los costos, necesidades de personal, fechas de entrega y cambios en características del producto o servicio. • El sistema de decisión, cuya intención es visualizar el desempeño y efectos en el futuro inmediato de las acciones de los administradores, de acuerdo a la administración por objetivos, por ejemplo: efecto de los cambios en prioridades del programa de producción, de los cambios de personal, de los retrasos en las etapas del proceso, de los cambios en la asignación de recursos, de los cambios en las especificaciones del cliente. • El proceso de planeación, en el sentido de la administración general y por objetivos. Para tratar de evaluar aspectos de la gestión en PYMES, se utilizó una muestra disponible de 44 PYMES del sector de manufactura en el área metropolitana de Monterrey, N.L., México. Para cada empresa se registraron alrededor de 50 respuestas, abarcando los temas sobre: administración general, administración de las operaciones, administración de la calidad, administración de la productividad, y administración estratégica. Cada tema de gestión se registró en una escala de 5 puntos para determinar su nivel de integración, en base al valor máximo esperado de las respuestas en el tema; y los niveles de dominio se clasificaron en 5 niveles, en base a las respuestas ponderadas. En total se procesaron aproximadamente 2,200 datos sobre los temas y su integración en la gestión del negocio. Para la clasificación de las PYMES se utilizó la clasificación del Diario Oficial de la Federación vigente hasta finales del 2002, la cual consideraba como empresa pequeña la de 31-100 empleados y mediana la de 101-500 empleados. A partir de 30 de diciembre de 2002 la clasificación considera como empresa pequeña la de 11-50 empleados y mediana la de 51-250 empleados. 55 �Pequeñas y Medinas Empresas ZMM: Sector Manufactura (n=44) Pequeñas y Medianas Empresas ZMM: Sector Manufacturero (n=44) (Promedio Pequeñas= 2.14; Promedio Medianas=2.45) 5 Nivel de Dominio (Máx.=5) Nivel de Integración (Máx.=5) La integración de los conceptos de gestión en las PYMES / Miguel A. Palomo González 4 3 2 1 0 Adm. Gral. Adm. Ops. Control Piso-Cal Adm. Prodvidad 5 4 3 2 1 0 Empirismo Documentación S. Info. S. Decisión Proceso de Planeación Pequeñas 1.77 1.34 1.27 0.45 0.03 Medianas 1.12 1.42 1.53 0.73 0.01 Adm. Estratégica Pequeñas 2.05 2.16 2.28 1.93 2.19 Medianas 2.44 2.48 2.6 2.05 2.54 Fig. 1. Nivel de integración de los temas de gestión. Fig. 3. Nivel de dominio de la gestión de procesos. La figura 1 muestra los niveles de integración de los temas de gestión en las PYMES. En promedio las pequeñas empresas tienen un nivel global de integración de 2.14, mientras que en las medianas es de 2.45, y se observan valores menores para la pequeña con relación a la mediana. Pero, al realizar la prueba de independencia (Chi2 ) para verificar que verdaderamente existe una diferencia en el tipo de empresa y la integración de los temas de gestión se encontró que no existe tal diferencia. Es decir, el tipo de empresa no tiene relación con el nivel de integración de los temas de gestión. Dicho de otra forma, los dos tipos de empresa tienden a tener el mismo nivel promedio de integración, alrededor del 2.3. La figura 2 muestra cómo, en general, las PYMES integran los temas de gestión ligeramente arriba del nivel 2, excepto en el caso del tema de administración de la productividad que se encuentra justo en el 2.0 La figura 3 muestra los niveles de dominio de la gestión de procesos en el negocio. En el caso de la participación del Empirismo, se puede observar una mayor participación en la pequeña empresa, con relación a la mediana; mientras que en el proceso de planeación, ambos tipos de empresas tienen una participación nula. Al analizar si existe independencia (Chi2 ) en los resultados, se encuentra que sí existe tal independencia, es decir, hay una diferencia en la gestión de procesos que favorece de manera global a la mediana empresa. Sin embargo, en ambos casos el nivel de dominio de los sistemas de documentación, información y decisión, apenas se destacan o se acercan al nivel 2, es decir bastante lejos de un nivel de dominio 4 ó 5. Las figuras 4 y 5 muestran con más detalle los niveles de dominio por tipo de empresa, con una aproximación a la distribución normal de los datos, los valores promedio que centran la muestra y el grado de dispersión de los datos. Adm Gral 5 4 3 Adm Estratégica 2 Adm Ops 1 . 2. 0 Adm Prodvidad Control Piso-Cal Fig. 2. PYMES de la ZMM: Sector de manufactura (n=44). Nivel de desarrollo de las áreas del negocio. 56 CONCLUSIONES Las PYMES muestran un nivel inferior al 60% de integración de los temas de gestión, lo cual nos dice que su visión del mercado es limitada y sus acciones son de corto plazo. Es de esperarse que, en la medida de que su visión de negocio tenga un alcance mayor, detonará la capacitación en los temas de gestión con enfoque al mediano y largo plazo. De acuerdo a lo anterior los dos tipos de empresa se administran y limitan su crecimiento de la misma manera. En el caso de las pequeñas empresas, el Empirismo es superior a los otros niveles de gestión de procesos; se registra también una tendencia negativa hacia la estandarización y medición del desempeño, hasta llegar a un dominio nulo del proceso de planeación. Es de esperar que una disminución en la importancia del Empirismo permita una atención mayor hacia Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �La integración de los conceptos de gestión en las PYMES / Miguel A. Palomo González q P -E m pírico P -D ocum enta ción P -S . I nfo 1.2 1 0.0 0.0 0 2 .5 0. 5 P -S . D ecisión 2. 0 1.5 P -D o cu men tac ió n M ean 1.341 S tD ev 0.5476 N 18 2. 5 2 1 .5 2.4 0. 0 3.0 2 .0 3 1. 5 3.6 1. 0 4.5 0. 0 0 .5 1 .0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 P -E mp íric o M ean 1.778 S tD ev 0.8988 N 18 4 4.8 0. 5 6.0 P -P c P la ne ación 16 8 8 0 0. 4 0 P -P c P lan eació n M ean 0.03167 S tD ev 0.09775 N 18 0. 3 4 -1 .0 -0 .5 0. 0 0 .5 1 .0 1. 5 2. 0 2 0. 2 4 P -S . In fo M ean 1.269 S tD ev 0.5725 N 18 P -S . Dec De isió n M ean 0.4511 S tD ev 0.6671 N 18 12 6 -0 .2 -0 .1 0. 0 0. 1 Frecuencias g Norm al 1 .0 g Fig. 4. Pequeñas: Dominio de Procesos de Gestión del Negocio. Norm al M -E m pírico M -S . I nfo 12 1.5 2 3 0.0 0 0 3. 2 M -S . D ecisión e cisión M -P c P laneación 0. 4 0. 3 0 0. 2 0 0. 1 6 0. 0 12 2 M -Emp írico Mean 1.121 StDev 0.7503 N 26 M -Do cu men tació n Mean 1.426 StDev 0.6464 N 26 M -S . Info Mean 1.538 StDev 0.5157 N 26 M-S. Decisió n Mean 0.7381 StDev 0.6999 N 26 -0 .1 4 2. 4 18 1. 6 6 0. 8 24 0. 0 8 0. 4 0. 8 1. 2 1. 6 2. 0 2. 4 2. 8 3. 2 6 0. 0 0. 4 0. 8 1 .2 1. 6 2. 0 2. 4 2. 8 4 1. 6 3.0 2. 4 9 0. 8 6 0. 0 4.5 -0 .8 Frecuencias M -D ocum entación 8 6.0 M -P c P laneació n M ean 0.01808 S tDev 0.07590 0.07 N 26 Fig. 5. Medianas: Dominio de Gestión de Procesos del Negocio. las mejores prácticas y un aumento en el dominio del nivel de gestión de sus procesos. Lo anterior no garantiza que la dirección del negocio desarrolle una visión de largo plazo de su negocio. En el caso de las medianas empresas, el Empirismo es menor con relación a los niveles de los sistemas de documentación y de información, y ligeramente superior al sistema de decisión. Sin embargo, como en el caso de la pequeña empresa, la mediana muestra valores casi nulos a nivel del proceso de planeación. La principal característica favorable de las empresas medianas, es que tienden utilizar menos el Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Empirismo y a estandarizar sus prácticas de negocio, aunque el punto negativo sigue siendo la falta de visión de largo plazo del modelo de negocio. En los dos casos, pequeñas y medianas, la dispersión de los resultados es muy alta, es decir no se registra homogeneidad al interior de un grupo, lo cual valida el hecho de que no se distingue entre pequeñas y medianas, más que por el número de empleados, y no por una mayor integración de los temas de gestión o por el dominio de la gestión de sus procesos. La principal debilidad de las empresas es: la falta de visión a mediano y largo plazo de su negocio, lo cual impacta negativamente en su 57 �La integración de los conceptos de gestión en las PYMES / Miguel A. Palomo González crecimiento o desarrollo, y será más crítica en la medida en que aumente la competencia en su mercado tradicional y se vea obligada a incursionar con nuevos productos o en nuevos mercados. Nota técnica sobre el Análisis de Datos Los datos obtenidos se analizaron en base a las siguientes técnicas: promedios, frecuencias, frecuencias ponderadas, desviación estándar, la prueba de normalidad de los datos, y la Chi cuadrada para la prueba de independencia de los grupos. REFERENCIAS 1. Babbage, Charles. On the Economy of Machinery and Manufactures. London: Frank Cass & Co., 1835. 2. Palomo, Miguel A., Los Procesos de Gestión y la Problemática de las PyMES. Ingenierías, Jul-Sept 2005, vol. VIII, n. 28, pp. 25-31. 3. Fayol, Henri. General and Industrial Management. London: Pitman, 1949. 4. Taylor, Frederick Winslow. The Principles of Scientific Management. New York: Harper & Row, 1911. 58 5. Drucker, Peter F. The Practice of Management. New York: Harper & Row, 1954. 6. Palomo, Miguel A. El proceso marketinginnovación como fuentes de ideas creativas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2000, vol. III, No. 8, pp.41-48. 7. J. M. Juran, Joseph M. Planning for Quality. New York: Free Press, 1988. 8. Champy, James and Hammer, Michael Reengineering the Corporation. New York: Harper Business, 1993. 9. Camp, Robert C. Benchmarking. Quality PressASQC, 1989. 10. Leavitt, Paige. What is Business process management?. APQC, Aug. 2004, on line: www.apqc.org , 5 feb. 2005. 11. Shetty, Y. K., New look at corporate goals. California Management Review, vol. 22, núm. 2, pp. 71-79, 1972). 12. CONACYT. Programa de Modernización Tecnológica. México, 1998. 13. Graham, Robert J., y England, Randall L. Administración de Proyectos Exitosos. Pearson, 1999). Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Medición de impedancia compleja en sistemas de microondas con un circuito integrado “bluetooth” Georges Roussy, Bernard Dichtel, Haykel Chaabane Laboratoire de Spectroscopie et des Techniques Microondes Université Henri Poincare, Nancy I B.P 239 F. 54506 Vandoeuvre Les Nancy, Francia george.roussy@wanado.fr RESUMEN Es posible simplificar el método de medición de impedancia, de reflexión y de transmisión complejos en una instalación industrial utilizando un circuito integrado, concebido para aplicaciones “Bluetooth”. El circuito Analog Devices 8302, mide ganancia y fase hasta 2.7 GHz, opera con señales de entrada de nivel variable y es menos sensible a fluctuaciones de frecuencia y amplitud de los magnetrones industriales que los mezcladores y detectores de cristal. Es por eso que con este dispositivo se puede llevar a cabo la medición precisa de ganancia y fase con generadores de baja estabilidad. Se describe un arreglo mecánico con un AD 8302 y se presentan el procedimiento de calibración y el desempeño del sistema. PALABRAS CLAVE Bluetooth, microondas, medición, impedancia compleja. ABSTRACT By using an integrated circuit, which is marketed for bluetooth applications, it is possible to simplify the method of measuring the complex impedance, complex reflection coefficient and complex transmission coefficient in an industrial microwave setup. The Analog Devices circuit AD 8302, which measures gain and phase up to 2.7 GHz, operates with variable level input signals and is less sensitive to both amplitude and frequency fluctuations of the industrial magnetrons than are mixers and crystal detectors. Therefore, accurate gain and phase measurements can be performed with low stability generators. A mechanical setup with an AD 8302 is described; the calibration procedure and its performance are presented. KEYWORDS Bluetooth, microwave, mesurements, complex impedance. Artículo publicado en el Journal of Microwave Power & Electromagnetic Energy, Vol. 38, No. 4. Reproducido con la autorización del autor. INTRODUCCIÓN Los métodos para la medición del coeficiente de impedancia y reflexión complejas en aplicaciones de microondas han sido estudiadas por muchos investigadores1,2 y publicadas en diversos artículos.3 El desempeño de los analizadores modernos de vector de redes (VNA) con su método estándar Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 59 �Medición de impedancia compleja en sistemas de microondas... / Georges Roussy, et al de calibración se aproxima a la perfección para mediciones de bajo nivel. Sin embargo, estas técnicas sofisticadas no pueden ser aplicadas a nivel industrial porque estos generadores de microondas son ruidosos e inestables en amplitud y/o frecuencia y las mediciones son por lo tanto imprecisas. La amplitud de una señal eléctrica y su nivel de potencia pueden ser obtenidos con cierta precisión utilizando detectores convencionales o detectores de potencia, generalmente después del filtrado de la señal. Pero la fase del coeficiente de reflexión compleja y la impedancia son mucho más difíciles de medir que la amplitud, ya que la fase está relacionada con la distancia o el retraso en la propagación y es difícil de obtener con un generador de microondas del cual no se conoce su frecuencia exacta o es inestable. Los reflectómetros de seis puertos tienen coples direccionales con circuitos alineados y con detectores de amplitud que tampoco se pueden calibrar con precisión cuando la frecuencia del generador en que se utilizan no es estable.4,5 Los circuitos simples de seis puertos en guía de onda con cuatro detectores ubicados entre sí a una distancia de λ g/8, son más bien inexactos para medición de fase en generadores de frecuencia variable.6 Por otro lado, el uso de mezcladores o mezcladores doblemente balanceados es tedioso porque el ruido total que se introduce a la entrada del oscilador local se transfiere a la salida.7 De modo que el circuito integrado (AD 8302) que mide la ganancia RF desarrollado por “Analog Devices” ofrece una solución novedosa en instrumentación para microondas.8, 9 DOS USOS BÁSICOS DEL AD 8302 El circuito AD 8302 comprende un par de amplificadores demoduladores logarítmicos acoplados. Se dispone de la magnitud de la relación entre las dos señales de entrada, a partir de la diferencia de las salidas. El AD 8302 también incluye un detector de fases de tipo multiplicador, alimentado por la salida de los dos amplificadores logarítmicos, así que también se tiene la fase entre las dos señales de entrada. Se puede construir un reflectómetro de microondas con un cople direccional y un atenuador, tal como 60 Diagrama de bloques del circuito integrado AD 8302. se sugiere en la información técnica publicada sobre el AD 8302,9 seleccionando el valor de atenuación como una función del coeficiente de acoplamiento en el cople direccional con la sensibilidad deseada. La figura 1 muestra el arreglo de un reflectómetro que trabaja a baja y alta potencia. En este caso se puede seleccionar un cople direccional y un atenuador, ambos de 60 db, para que las señales estén en el rango dinámico del circuito AD. La señal aplicada en la entrada A es proporcional a la onda incidente y la señal aplicada en la entrada B es proporcional a la onda reflectada, de modo que las salidas son: Vmag = a log ⎛ ⎝ VA ⎞ VB ⎠ + b (1) Fig. 1. Arreglo para la medición del coeficiente de reflexión complejo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Medición de impedancia compleja en sistemas de microondas... / Georges Roussy, et al V phs = ± c Φ AB + d (2) Φ AB es la fase entre las señales A y B; a, b, c y d son los parámetros de escalamiento o los puntos centrales de las funciones de transferencia. Estos parámetros dependen de la longitud de los cables, del acoplamiento del cople direccional y del valor del atenuador. También se pueden variar y ajustar electrónicamente para utilizar el circuito sobre su rango dinámico. El rango para la medición de fase está limitado a 180°, entre -180° y 0° con un punto medio a -90°. La ambigüedad en el signo de fase es de poca importancia en la práctica. Todos los parámetros de escalamiento se determinan experimentalmente siguiendo un procedimiento de calibración apropiado como cuando se utiliza el VNA. Otro uso interesante del AD 8302 para mediciones de impedancia se muestra en la figura 2. Las entradas A y B están conectadas a dos detectores de campo eléctrico ubicados a λ g/4 dentro de la guía de onda.10 Si Ei es la amplitud de la onda incidente en el plano del detector número 1, y ρ es el coeficiente de reflexión complejo de la carga, especificado en Fig. 2. Arreglo para la medición de la impedancia compleja. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 el mismo plano, el campo eléctrico total en dicho detector es: E1 = Ei (1 + ρ) (3) El campo eléctrico total en el plano del detector 2 (a λ g/4 del detector 1 hacia el generador) es: E2 = jEi (1 − ρ) (4) La razón compleja de los dos campos eléctricos totales es proporcional a la impedancia compleja de la carga Z1, definida en el plano del detector 1 como: Z1 = Z1 exp j arg Z1 con − 90D < arg Z1 < 90D (5) Ya que Z1 real siempre es positivo: E1 = j Z1 E2 (6) log Z1 = f Vmag + g (7) arg Z1 = h V phs + l (8) f, g, h y l son nuevamente parámetros de escalamiento y la información de la fase de salida cubre el rango de -180° a 0°. La ambigüedad del signo en la fase (ecuación 2), que aparece en la medición del coeficiente de reflexión complejo desaparece con la medición hecha según el arreglo de la figura 1. Es apropiado colocar los dos detectores sobre una base móvil para ajustar mecánicamente el plano en el cual se mide Z1 y para controlar los niveles de la señal mediante el ajuste de la penetración de la antena en el detector en la guía de onda. Se recomienda especialmente tomar los datos de salida del AD 8302 durante periodos cortos, entre τ 1 y τ 1 + τ 2 , en sincronía con el pulso de emisión del magnetrón. Esto se debe hacer cuando el generador se alimenta con corriente directa en pulsos a partir de corriente alterna. Un circuito simple como el de la figura 3, puede generar un pulso periódico variable de longitud ajustable τ 2 y con un tiempo de retraso, también ajustable τ 1 , que se pueden utilizar para validar los datos grabados si se desea. 61 �Medición de impedancia compleja en sistemas de microondas... / Georges Roussy, et al partir de la salida del circuito AD y los valores Z 1m medidos con el VNA. También se calculó una desviación chi-cuadrada similar para el argumento de la variable Z 1 . 2 1 21 Z − Z lm Δ m = ∑ lc 2 21 i =1 Z lm 2 (9) 1 21 (arg Z lc ) − (arg Z lm ) ΔΦ = ∑ 21 i =1 (arg Zlm )2 2 Fig. 3. Circuito de sincronización para adquisición de datos. P R O C E D I M I E N TO D E C A L I B R A C I Ó N Y DESEMPEÑO DEL CIRCUITO AD 8302 El desempeño del circuito AD 8302 puede ser evaluado comparando, para varias cargas, los datos recolectados de una fuente industrial contra la impedancia medida con un VNA (por ejemplo un HP 8714 B). En los experimentos de calibración se utilizó un magnetrón YJ 1500 con un solo rectificador operando en modo de pulsos. El generador está protegido por un circulador aislante de manera que la emisión de microondas (aproximadamente 1 KW) está libre de las variaciones de la impedancia de la carga, aunque no está libre de las modulaciones falsas en frecuencia y en amplitud. Se utilizó una carga de agua, un circuito en corto que se movía en la guía de onda (10 posiciones sobre al menos una distancia de λ g/2) y 10 cargas más obtenidas con la carga de agua frente a la cual había un tornillo metálico (10 distancias conocidas). Para todas estas cargas se calculó la desviación chi-cuadrada entre los valores Z lc calculados a 62 2 (10) Utilizando la ecuación (7) y optimizando los parámetros de escalamiento (g y f) mediante ajuste de cuadrados mínimos, la chi-cuadrada residual Δ m tiene un valor pequeño, entonces la ecuación (7) es una relación precisa para interpretar los datos experimentales. Pero el arg Z1, Δ Φ es alto si se utiliza la ecuación (8), por lo que no es adecuada para interpretar los datos. Otras ecuaciones que también han sido probadas son: V phs ⎞ ⎛ arg Z1 = h ⎜1 − sh l ⎟⎠ ⎝ V phs ⎞ ⎛ + m Vmag arg Z1 = h ⎜1 − sh l ⎟⎠ ⎝ (11) (12) V phs ⎞ ⎛ 2 + m Vmag arg Z1 = h ⎜1 − sh ⎟ l ⎠ ⎝ (13) La ecuación (12) que supone una interdependencia entre Vmag y Vphs da un valor mucho más pequeño de Δ Φ . Un procedimiento más riguroso consiste en escribir el error chi-cuadrada Δ C con números complejos y con coeficientes de reflexión complejos como la que se da en la ecuación (14): 1 21 ρk − ρlm ΔC = ∑ 21 i =1 ρlm 2 2 (14) en la que se calculan todos los parámetros de escala simultáneamente en un paso, y que confirma que la ecuación (8) es la mejor interpretación de Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Medición de impedancia compleja en sistemas de microondas... / Georges Roussy, et al los resultados experimentales. Las correlaciones entre los valores de los parámetros de escalamiento son diferentes, pero los valores de éstos no son significativamente diferentes. Las figuras 4 y 5 muestran los datos obtenidos para una carga variable que consiste en una adaptación de la carga frente a un cabo metálico móvil. La figura 4 muestra los voltajes de salida Vmag y Vphs. La figura 5 muestra las impedancias medidas con el circuito AD utilizado en este trabajo graficadas en una carta de Smith. La precisión en las mediciones de Z podría ser mejor modificando ligeramente la ecuación (12) o, si se decide emprender el trabajo Fig. 4. Variaciones de voltaje típicas Vmag y Vphs para una carga variable que consiste en una adaptación de la carga frente a la cual se mueve un cabo metálico. Fig. 5. Carta de Smith de un VNA y AD de las impedancias medidas para una carga variable que consiste en una adaptación frente a la cual se mueve un cabo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 de calibración amplio, corrigiendo los resultados con una ecuación bilineal.11 El sistema AD 8302 permite la adquisición rápida de datos en sincronía con la emisión del magnetrón, es más preciso que los sistemas en los que se utilizan detectores de amplitud clásicos, ya sea en posiciones fijas12 o con un solo detector móvil sobre una guía de onda ranurada TE10, aún cuando los detectores estén conectados a un sistema de adquisisción de datos como el aquí descrito. La información obtenida con el circuito AD 8302 se puede tratar, muestrear, suavizar o analizar estadísticamente más eficientemente que la obtenida mediante la detección de amplitud. CONCLUSIÓN El uso del circuito integrado “Bluetooth AD 8302” simplifica la medición de la impedancia a alta potencia en aplicaciones industriales. El arreglo con el soporte móvil con dos detectores, es especialmente eficiente. El procedimiento de calibración se puede basar en utilizar muchas cargas de diferentes valores e interpretar los datos mediante el ajuste de cuadrados mínimos de los parámetros de escalamiento de las funciones de transferencia del circuito AD. Finalmente, la impedancia puede ser medida con una precisión aceptable aún si la emisión del generador es pulsada. REFERENCIAS 1. Montgomery, C.G., 1948, Techniques of microwave measurements (Radiation Laboratory Series. MTT), Mc Graw-Hill, New York. 2. Harvey, A. F., 1963, Microwave engineering, Acad. Press New York. 3. Dielectric measurements, 1989, IEEE Microwave Theory Techn., Vol 37, p 11,91. 4. Bosisio, R.G., and Li, S.H., 1982, Calibration of multiport reflectometers by means of four open/ short circuit, IEEE, Vol 30, p 1085, 1089. 5. Engen, G. F., 1977, The six port reflectometer: An alternative network analyses, IEEE MTT, Vol 25, p 1075, 1080. 6. Roussy, G., Ghanem, H., Thiebaut, J.M., and Dichtel, B., 1990, Six port waveguide used for simultaneously measuring permittivity 63 �Medición de impedancia compleja en sistemas de microondas... / Georges Roussy, et al and permeability of solid materials in microwave region, Jal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, Vol. 25, p 67, 75. 7. Anaren Microwave Inc, 1990, Microwave components and subsystems catalog, Syracuse, New York, USA. 8. Analog Devices Inc, 2001, 2.7 GHz RF/IF gain and phase detector or AD 8302 datasheet, Microwave Journal, March, p 180. 9. Cowles, J., and Gilbert, B., 2001, Accurate gain and phase measurement at radio frequencies up to 2.5 GHz, Analog Dialogue, Vol. 05, p 35. Información: Conmutador: 64 10. Roussy, G., and Pearce, J., 1995, Foundations and industrial applications of microwave and radio frequency fields, John Wiley and Sons. 11. Roussy, G., and Tchiakaka, P., 2001, Permittivity real control of the physical or chemical processes induced during microwave irradiation, 36 th International Microwave Power Symposium, San Francisco. 12. Roussy, G., Ghanem, H., Thiebaut, J.M., and Dichtel, B., 1987, Mesures des impedances en guide d’onde avec une ligne de mesure fixe à quatre sondes, Onde Electrique,Vol. 67, p 80. www.cimm2006.org, email: info@cimm2006.org +52 (618) 8 29 09 00, ext 126, directo +52 (618) 8 29 09 17 Av. Felipe Pescador 1830 Ote. Durango, Dgo.,México C.P. 34080 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Analytical method for the optimization of Roebel bars composed of full elementary conductors Toma Dordea, Valentin Müller, Ileana Torac, Gheorghe Madescu, Marţian Moţ, Lucian Ocolişan Romanian Academy, Timisoara Branch, 300223 Timisoara, Bd. Mihai Viteazul nr.24 tdordea@d109lin.utt.ro , ileana_torac@yahoo.com RESUMEN En este trabajo se presenta un método analítico para optimizar las barras Roebel, las cuales se utilizan para los arrollamientos de los motores eléctricos potentes de corriente alterna. La construcción es mediante conductores elementales. También se determinó el campo magnético radial de la ranura y de la zona de las cabezas de la bobina. PALABRAS CLAVE Barras de Roebel, optimización, motores eléctricos. ABSTRACT An analytical method for optimizing Roebel bars is presented in this paper. These bars are employed for windings of high power, A.C. electric motors. They are built of elementary conductors. The magnetic fields in the slots and in the coil head zone was also determined. KEYWORDS Roebel bars, optimizations, electrical motors. INTRODUCTION The calculus of the Roebel bar losses is a research subject since 1970.1, 2 A final solution allowing the bar optimization has not been found. The Roebel bar optimum structure allows increasing machine efficiency, and consequently energy savings. Most of the employed methods estimate firstly the magnetic field using finite element (FEM) and then the winding losses.3, 4, 5 High precision estimation of magnetic field by FEM requires a very complex grid form and long running time. Therefore, we consider that an analytical method for the magnetic field estimation is more appropriate for optimization purposes. The proposed analytical method uses coefficients, which are estimated using known methods, providing good accuracy. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 65 �Analytical method for the optimization of Roebel bars... / Toma Dordea, et al Ludwig Roebel 1878 - 1934 THE BAR MODEL The shape of a Roebel bar composed of full elementary conductors and that of an elementary conductor are presented in figures 1a) and 1b) respectively. The shape of the modeled elementary conductor is presented in figure 2b). The axial length of the core is l, one end of the elementary conductor is marked with (’) and the other end with (’’). Notice that transposition is made only in the slotted area; at the end of the coil area the elementary conductors are not transposed. The distance between two successive transpositions is le. For the modeled bar, all the elementary conductors are transposed in the same plane z. The label z=1 corresponds to the frontal plane of the ferromagnetic core. The first transposition is made in the plane z= 2, and the last one in the plane z = zf - 1, where zf corresponds to the ending plane of the ferromagnetic core. Every transposition changes the position of the elementary conductor in the bar structure. The elementary conductors in the plane z=1 are labeled from 1 to 2m. So, along the Roebel bar zf -1 different bar structures can be emphasized (figure 3.) The label of a winding layer is λ. The number of the overlapped elementary conductor in a Roebel bar is m. There are two elementary conductors in every layer λ,: the left is labeled ε1 and the right ε2. Obviously, the total amount of elementary conductors is 2m. Notice that for ε1 and ε2, 2m is a period and for λ the period is m. According to these assumptions the following is obtained: ε1=λ+1-z ; ε2=2(m+1)-λ-z ε1=ε2 +2λ-1; ε2=ε1+2(m-λ)+1 (1) The quantities ε1 and ε2 have values between 1 and 2m and λ between 1 and m. The following hypotheses are considered: - The slot has a rectangular shape; - The ferromagnetic core of the motor has an infinitely high magnetic permeability compared to that of the vacuum environment; - All the elementary conductors have the same rectangular cross section and the same width insulation; Fig. 1. The shape of a Roebel bar. Fig. 2. The modeled elementary conductor 66 Fig. 3. The Roebel bar structure for z=1(a) and for z (b). Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Analytical method for the optimization of Roebel bars... / Toma Dordea, et al - In the slotted area, the magnetic field lines due to the elementary currents are perpendicular to the slot walls and parallel to the slot base. Notice that the magnetic field in the slotted area produced by the currents crossing the elementary conductors has two parts: the inner magnetic field and the outer magnetic field. The skin effect is the result of the first one. The second part produces the leakage inductance of the bar. The dimensions of the elementary conductors (without insulation) are bcu and hq, and that of the insulations is Δi/2 (for a single side), the slot’s width is bc and the height of the column composed of m overlapped elementary conductors is H (figure 4). Considering a section of the elementary conductor belonging to the layer λ, between the transposition planes z and z+1. This length is le. (figure 5), the area is divided along its depth in strips of thickness h. The value of h must satisfy two conditions: both hq and Δi must be a multiple of h; and the current density is considered (with an acceptable error) as constant for the considered strip of thickness h. The strips are labeled beginning at the slot’s base. The first strip of the hq is nλI and the last one is nλf. The dimension hq has N strips. A certain strip of the layer λ is labeled ν. Consider that the strips ν and ν-1 (figure 5). Through their upper areas take the closed curve Γ, between the planes z and z+1. The left column of the bar is marked with γ and the right one withδ. Equation (2) is obtained for Γγ and Γδ.6, 7 iνγ = iν −1,γ + ν −1 μ h 2 bcu d ⎛ 1 ⎞ iuλ + ∑ icε + icν ⎟ ⎜ ρcu bc dt ⎝ 3 ⎠ ε = nλi iνδ = iν −1,δ + iνγ − iν −1,γ (2) where μ is the magnetic permeability of the conductive material and ρcu is the electric resistivity; iνγ , iνδ , iν-1,γ , iν-1,δ are the currents corresponding to the considered strip; iuλ is the sum of the currents through the elementary conductors from the first layer to the (λ-1) layer; icε is the sum of the currents iεγ and iεδ; icν are the sum of the currents iνγ and iνδ corresponding to the strip ν. From equation (2): ( icν = ic ,ν −1 + 2 iνγ − iν −1,γ ) (3) The magnetic fields at the end of the coil area, is presented in figure 6.a. This field is approached using the model presented in figure 6.b, were bc' ≈ b + k c H (with kc≅1.2). In this case in the corresponding relations6,7,8 bc' will be used instead of bc . Fig. 4. Explanatory for the bar and slot’s dimensions. Fig. 5. Explanatory for a certain elementary domain le , between the transposition planes z and z+1. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Fig. 6. Explanatory for the end coil area. a) real field; b) equivalent model for field estimation. 67 �Analytical method for the optimization of Roebel bars... / Toma Dordea, et al THE CALCULUS OF THE CURRENTS THROUGH THE ELEMENTARY CONDUCTORS Taking into account that the label of any elementary current is that of the elementary conductor in the plane z=1. Considering a curve Γ in the bottom side of the strip in the elementary conductors crossed by the current Iξ and by current Iξ+1. Equation (4) is obtained for the curve Γ. z −1 ρcu le f ρ l ' ' I n ξi − I n , ξ +1, i + cu s ' I n ξ i − I n , ξ +1, i + ∑ bc h z =1 bcu h ρ l '' '' + cu s " I n ξ i − I n , ξ +1, i = (4) bcu h ( ) ( ) ( ) ( ) = − jω Ψξ int − Ψξ +1, int + U eγξ − U eγ ,ξ +1 where Ψ ξ int and Ψ ξ +1,int are the internal fluxes of the elementary conductors ξ and ξ+1; U eγξ and U eγ ,ξ +1 are the induced voltages in the same elementary conductors; I is the current corresponding to the slotted area; I’ and I” are the currents corresponding to the end coil areas. For the calculus of these voltages, both the radial field in the slotted area and that in the end coil area, were taken into account. The radial magnetic field in the slotted area The radial flux density Bar in the slot domain produces circulating currents trough the elementary conductors connected in the end bar area. The value of Bar depends on the position of the considered point in the slotted area. Using the conformal mapping method, the flux density in the slot axis is obtained as follows: − m ⋅x Brm = Bδ max e ( m h δ + nm ) (5) where δ is the air gap, xh is the coordinate along the slot axis, relative to the tooth extremity, α m = bc δ , and: 3 mm = 2 38,39 α m − 665,1 α m + 6507 α m + 1061 (6) α m3 + 909, 4 α m 2 + 2654 α m − 1246 nm = 0,0857 α m + 0,3786 68 For α m > 2 , the radial flux density distribution is a sinusoidal function for any normal to the slot axis: Bar = Brm sin xb π bc (7) where xb is the coordinate relative to the slotted wall. In this case, the flux produced by the circulating current corresponding to the elementary length, le, is: Φ ar = ⎛ b + Δi π ⎞ lebc sin ⎜ cu ⋅ ⎟ Brm 2⎠ π ⎝ bc (8) The emf corresponding to the layer λ, for both the adjacent conductors of the two columns, (for the length le ), is: U aceλ = − jK ace B rm (hλ )⋅ θξ (9) where: K ace = ⎛ b + Δi π ⎞ lebc sin ⎜ cu ⋅ ⎟ 2⎠ ⎝ bc π 2 f (10) θ = −1 with θ ξ = 1 for ξ=ε1 and ξ for ξ=ε2. The resultant emf, corresponding to the total length of the slotted area, (all the elementary length le) is calculated as follows: z f −1 − m ⋅x U arξ = − jK ace Bδ max ∑ e ( m h z =1 δ + nm ) θξ (11) The radial magnetic field in the end bar area The end bar shape of double layer winding is usually as in figure 7a). It was considered the radial flux density (Bs’r) distribution as in figure 7b) depending essentially of the end bar shape. Bs’r can be considered as a decreasing lineal function. In this case the induced voltage corresponding to the curve γ, which produces the circulating current in the considered elementary conductor, is (for sinusoidal conditions): 1 ⎞ ⎛ U es ' rξ = − j 2π f (bcu + Δ i )⎜ ls '1 + ls '2 ⎟ Bs ' r (12) ⎝ 2 ⎠ For the second bar extremity, the voltage is similarly U es " rξ . Thus, the resultant emf that produces the circulating current I ξ is: Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Analytical method for the optimization of Roebel bars... / Toma Dordea, et al the two bars, mp and ms, the bars height, Hp and Hs, the transposition numbers, zpf-1 and zsf-1. Notice that the last two quantities define the transposition angle. The optimization criterion is the minimization of the bar losses, that means of the total losses corresponding to the top bar and that of the bottom bar. A program for optimization of Roebel bar calculations was developed based on the presented method. Fig. 7. Explanatory for the end coil area distribution: a) end coil dimensions; b) considered field distribution. U erξ = U arξ + U es ' rξ + U es "rξ (13) With equations (4) and (13) for all the 2m elementary conductors of the Roebel bar gives: 2m ∑ G (α , ξ ) I α = G (ξ ) α =1 (14) 2m ∑ G (α ,2m) I α = I α =1 Therefore, the elementary conductor currents and the winding losses are known. THE ROEBEL BAR OPTIMIZATION The most general statement of the Roebel bar optimization problem requires the following bases: The slot dimensions are established according to a maximal use of the ferromagnetic material, the conductor width is determined based on the slot insulation conditions the total slot height Ht is available for the elementary conductors of the two bars (including the slot insulation), knowing ρcu, bcu, and Ht=Hp+Hs. Now it is necessary to establish the number of the overlapped elementary conductors for Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 VALIDATION OF THE PROPOSED METHOD The above presented method is based on the assumption of uniform current distribution on the strip. Therefore, accuracy dependents essentially of the strip height value (h). In the case of a single conductor (m=1), the A.C. resistance increasing coefficient is kr0. Using the proposed strip method, the same coefficient is obtained, the value kr. Error εr is defined as: ε r = 1 − kr / kr0 (15) The dependence of the strip method error on the strips number is presented in table I. It was considered the case ρcu =2.16 10-8 Ωm, bc= 24.2 mm, l=1.75 m, ls’ = ls” =0, HP = 66.33 mm, bcu = 12.1, Δi =0, m = 1, f = 50 Hz, μ=μ0=4π 10-7. The coefficient of resistance increasing (kr0) is obtained as follows: sinh 2ξ + sin 2ξ kr 0 = ξ = 6.34090117 (16) cosh 2ξ − cos 2ξ where: ξ = HP μωbcu (2ρcu bc ) = 6.340761 (17) Table I. Variation of the method error on the strip´s number. n kr εr 500 6.31329986 4.35 10-3 103 6.32690805 2.2 10-3 104 6.33948738 2.22 10-4 105 6.34076100 2.21 10-5 106 6.34088851 1.99 10-6 9.4 106 6.34090117 0 69 �Analytical method for the optimization of Roebel bars... / Toma Dordea, et al Hence, the necessary strip amount is calculated for an initially accepted error, practically, n=105 allows a very good estimate accuracy. EXAMPLE An 216 MVA, 15 kV, 50 Hz hydro generator, the phase current If=7910 A, p=42pole pairs, a=3, l=1.75 m, bc=24.2 mm, bcu=7.5 mm, Δi=0.21 mm, mp= ms=33 layers for each column, the transposition angle 2π, zpf= zsf= 67, Hp= Hs= 66.33 mm Case A For the maximum value of the air gap flux density Bδ=0.9T, the radial flux density at the end coil area Br=0.4T, the results are as follows: The losses in the first bar (P): Pcup= 835.426 W The losses in the second bar (S): Pcus=926.593 W The total losses for two bars: Pcut=1762.019 W The DC bar losses are: Pcu0=452.9 W Then the losse coefficients k pcup =P cup /P cu0 =1.84451, and kpcus= Pcus/Pcu0 =2.04579 for the bar P and S respectively. Case B If the two bar’s height is Hp=Hs=66.33 mm and zpf=zsf=64, then Pcup=791.68 W, Pcus=911.60 W, Pcut=1703.28 W. Case C Taking as variable quantities zpf, zsf and mp, ms for the same height of the two bars. Using the optimization program gives the optimal solution for mp= 26, ms=46, zpf=47, zsf= 90, with Pcup=747.27W, Pcus=858.472 W, Pcut=1595.742 W. The difference between the winding losses corresponding to the non-optimized machine and that of the optimized one is ΔPma. The difference of energy losses corresponding to optimized motor against the initial solution (A) is ΔWet. It was considered a period of 25 years of motor service. ΔC is the loss cost in Euro (considering 100Euro/MWh). The results are presented in table II. Using the proposed analytical method for analyzing the influence of bar dimensions (bar’s height, layers number, transposition’s number) on the windings losses. 70 Table II. Optimization results. Case ΔPma. [kW] ΔWet [GWh] ΔC [Euro] B 44.4 9.724 972400 C 125.7 27.528 2752800 Assuming as reference case that of Bδ=0 T, Br=0 T,. the defined coefficient losses for the lower bar (P), for the upper one (S) and for both two bars of the slot are: kp1=Pcup/Pcu0, ks1=Pcus/Pcu0, ksc=Pcu/Pcu0, Pcu0 are the bar losses for the case m=1. The coefficient losses for the bottom bar (P), for the top bar (S), and for both slot bars are KPP, KPS, KPC, respectively. These quantities, optimized for a transposition angle value around 2π and 3π and for Bδ = 0 and Br = 0 are presented in figures 8a) and 8b) respectively. Notice that each point of the presented curve corresponds to an optimal motor. These solutions have different values for the elementary conductors number of the bar column (MP and MS are the elementary conductor numbers of the bar P and S respectively), and for the transposition number (ZPF and ZPS correspond to the bar P and S respectively), and the same slot height value. The purpose of the minimum losses requires a losses coefficient KPC ≅1. For both cases of a transposition angle of 2π and 3π the curves have a minimum value for HP>HS. But KPS>KPP, so it is Fig. 8. a. Optimization results for Bδ=0, Br=0, β=2π where Β1(ΜP/ZPF=24/46), Β2(26/50), B3(28/59), B4(30/58), B5(32/52), B6(34/65), B7(36/69). Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Analytical method for the optimization of Roebel bars... / Toma Dordea, et al Fig. 8. b. Optimization results for Bδ=0, Br=0, β =3 π where Β1(ΜP/ZPF=24/71), Β2(26/77), B3(28/83), B4(30/89), B5(32/95. necessary to take into account the thermal conditions. Practically, because the top bar’s height is limited by thermal conditions, the optimum solution is also defined by the same thermal limits. A domain around a transposition angle value of 2π and 3π was analyzed. Both cases – without radial magnetic field and with its influence – have the best solution around a transposition angle value of 2π. The cases obtain the lowest values around zf . Figure 9 presents the coefficients KPP, KPS, KPC for Bδ=0.9 T, Br=0.4 T and a transposition angle 2π (figure 9a) and 3π (figure 9b). If the radial field is taken in to account, KPC=1.762 for β=2π a nd KPC=2.515 for β=3π. Neglecting the radial field, the optimum transposition angle is exactly 2π. Considering the radial field at the end coils areas, the optimal transposition angle is less than 2π. The winding losses are dependent on the ratio between the end coil length and the axial length of the ferromagnetic core. CONCLUSION The analytical method based on strips theory allows a faster analysis of the structure bar influence on winding losses. The estimation error value decreases as the strip number increase. Notice that better accuracy implies longer computer time. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Fig. 9. a. Optimization results for Βδ=0.9Τ, Βr=0.4Τ, β=2π where A1 (MS/ZSF=48/94), A2(24/48), A3(46/90), A4(44/86), A5(42/82), A6(40/78), A7(38/74), A8(36/70), A9(34/66) B1 MP/ZPF=20/36), B2(24/48), B3(26/47), B4(28/51), B5(32/58), B6(34/62). Fig. 9. b. Optimization results for Bδ=0.9T, Br=0.4T, β =3 π, where Β1(MS/ZF=24/71), B2(26/77), B3(28/83), B4(30/89), B5(32/95). This paper emphasizes that the best transposition angle value is around 2π. The ratio between the end coils length and the slotted area bar length influences the winding losses. The proposed analytical method is very useful at medium and high power electrical motors optimization. REFERENCES 1. Macdonald D.C., “Losses in Roebel bars: effect of slot position on circulating currents”, Proceedings IEE, vol. 117, No.1, January 1970. 71 �Analytical method for the optimization of Roebel bars... / Toma Dordea, et al 2. Macdonald D.C., “Circulating current loss within Roebel bar stator windings in hydroelectric alternators”, Proceedings IEE, Vol. 118, No.5 May 1971. 3. Schwery A., Traxler-Samek G., Schmidt E.,“ Numerical and Analytical Computation Methods for The Refurbishment of the Hydro-Generators”, Proceedings of ICEM 2002, Brugge-Belgium, 25-28 august 2002. 4. Haldemann J., „Transposition in Stator Bars of Large Turbogenerators”, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 19, nr.3, sept, 2004, pp.555-560. 5. Iseli M., Reichert K., Neidhorfer G., “End Region Field and Circulating Currents in Roebel bars” ICEM 1990, vol. II, p.718-723. 6. T. Dordea, M. Biriescu, Ghe. Madescu, Ileana Torac, M. Moţ, L. Ocolişan, “Calcul des courents electriques par les conducteurs elementaires d’une barre Roebel. Part I: Fondements de calcul”, Rev. Roum. Sci. Techn. – Électrotechn. et. Énerg., vol. 48, nr. 2-3, pp. 359-368, Bucarest, 2003;. 7. T. Dordea, M. Biriescu, Ghe. Madescu, Ileana Torac, M. Moţ, L. Ocolişan, “Calcul des courents electriques par les conducteurs elementaires d’une barre Roebel. Part II: Determination des courents” Rev. Roum. Sci. Tech. – Électrotechn. et Énerg., 49, nr.1, pp.3-29, Bucarest, 2004 8. T. Dordea, Ghe. Madescu, Ileana Torac, M. Moţ, L. Ocolişan –The current distribution on the elementary conductors of the Roebel barTheoretical basis. Proceeding of the OPTIM 2004, Brasov, Romania 9. K. Takahashi, K.Ide, M.Onoda, K.Hattori, M. Sato, M.Takahashi, „Strand Current Distribution of Turbine Generator Full-Scale Model Coil”, Proceedings of ICEM 2002, Brugge-Belgium, 25-28 august 2002. MÉXICO, D.F. TEMÁTICAS: •Eléctrica •Sistemas •Telecomunicaciones •Mecánica •Electrónica •Educación Tecnológica ACTIVIDADES: Exposición, Conferencias, Ponencias y Mesas Redondas INFORMES: Leticia Trujillo Mutio SEPI-ESIME. Edif. 5, 3er Piso, Unidad. Profr. Adolfo López Mateos, Col. Lindavista, C.P. 07738 57 29 60 00 ext. 54587 cnies@ipn.mx y noveno_cnies@yahoo.com.mx 72 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Eventos y reconocimientos I. MEDALLA AL MÉRITO CÍVICO OTORGADA AL ING. GUADALUPE E. CEDILLO GARZA En una ceremonia solemne efectuada en el Teatro de la Ciudad de Monterrey, el Gobernador del Estado de Nuevo León, José Natividad González Parás, acompañado de los titulares de los Poderes Legislativo y Judicial, otorgó la Medalla al Mérito Cívico: Presea Estado de Nuevo León, en su edición 2005, a quince nuevoleoneses que se han distinguido por sus acciones en actividades públicas, privadas, sociales, culturales y profesionales, o bien que realizaron actos de evidente significado social y de trascendencia para la comunidad. En la categoría de “Labor Universitaria” fue reconocido el M.C. Ing. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza, Profesor de la FIME-UANL y miembro de la Junta de Gobierno de la UANL. El Ing Cedillo fue promotor de los doctorados en ingeniería en la El Ing. Guadalupe E. Cedillo Garza, con la “Medalla al Mérito Cívico”, obtenida en la categoría de Labor Universitaria, acompañado del Director de la FIME-UANL, el Dr. Rogelio G. Garza Rivera. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 UANL y ha sido guía incansable de generaciones de ingenieros y asesor de muchos maestros universitarios. La ceremonia de premiación se realizó el 12 de mayo de 2006 en la Gran Sala del Teatro de la Ciudad de Monterrey, para después pasar al Palacio de Gobierno, en donde se develó una placa conmemorativa al evento. II. RECONOCIMIENTO AL MÉRITO ACADÉMICO ANFEI El Dr. José Luis Cavazos, catedrático de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, fue distinguido con el Reconocimiento al Mérito Académico otorgado por la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería. Con este premio entregado en el marco de la XXXIII Conferencia Nacional de Ingeniería, realizada del 24 a1 26 de mayo de 2006 en Veracruz, la ANFEI estimula a los académicos que son actores para el logro de la excelencia académica. Para obtener esta distinción tuvo que ser elegido entre los candidatos con más de veinticinco años de docencia y una destacada trayectoria profesional y académica de cada una de las facultades de ingeniería de la región noreste de ANFEI. El Dr. Cavazos fue Maestro adjunto en 1970, maestro por horas en 1972 y maestro de planta a partir de 1979. Cuenta con dos maestrías, una en Materiales y otra en Diseño, el doctorado en Ingeniería de Materiales y un posdoctorado en la Universidad de Pittsburgh. Ha sido jefe curricular del área de Mecánica, jefe de las carreras de Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero 73 �Eventos y reconocimientos M.C. David Cavada Hernandez Ing. Roberto García Ancira Ing. Gilberto Navarro Treviño M.C. Arturo Borjas Roacho M.C. Rolando Francisco Campos Rodríguez M.C. Luis Jesús Chapa Quintanilla Ing. Antonio Estrada Cortinas Ing. Roberto Guadalupe García Cisneros M.C. Vicente García Diaz M.C. Carlos Javier González Yarrito M.C. Humberto Guerra Gonzalez M.C. Hilario Jiménez Fabela M.C. Gabino Morales Sanchez El Dr. José Luis Cavazos, con el Reconocimiento al Mérito Académico otorgado por la ANFEI. Mecánico Metalúrgico, Coordinador de Ingeniería de Materiales, coordinador e investigador a nivel licenciatura y Secretario Administrativo del Posgrado. Es miembro del SNI como investigador nacional nivel I. III. JUBILADOS DE LA FIME 2005 Durante el periodo comprendido entre junio de 2005 y mayo de 2006 se jubilaron los siguientes maestros de la FIME-UANL: Ing. Clemente Ávalos Mendoza Ing. Javier García Aguirre M.C. Pedro Guerra García M.C. María Eugenia Cavazos Martínez Ing. Miguel Cupich Rodríguez Ing. Gorgonio García Patiño M.C. Emilio González Elizondo Ing. Jesús Enrique Martínez Covarrubias M.C. Luis Manuel Martínez Villarreal M.C. Abel Montemayor Alanís Ing. Jose Luis Uzueta Martínez Ing. Eduardo Martínez Garza Ing. Gilberto Cavazos Rodríguez M.C. Eudocio Rodríguez García M.C. Juan Antonio Herrera Almaguer M.C. Pedro Álvarez Reyna M.C. Jesús Rodolfo Benavides Ortiz 74 IV. RECONOCIMIENTO 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 y 15 años como catedráticos de dicha institución. Los maestros que durante el año 2005 cumplieron 30 años de labor docente se listan a continuación: M.C. Diego Barbosa Tijerina M.C. Luis Jesús Chapa Quintanilla Ing. Roberto G. García Cisneros Ing. José Garza Guerrero Ing. Antonio Luis González Martínez M.C. Carlos Javier González Martínez M.C. Humberto Guerra González Ing. Gilberto Navarro Treviño M.C. José Florencio Silva García Profesores de la FIME-UANL que recibieron reconocimientos por sus 30 años de labor magisterial. Los acompaña el Dr. Rogelio G. Garza Rivera, Director de la FIME. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Eventos y reconocimientos V. SIMPOSIO IBEROAMERICANO SOBRE PROTECCIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA La Comisión Federal de Electricidad (CFE), El Instituto de Ingenieros en Eléctrica y Electrónica (IEEE) y la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, realizaron en la ciudad de Monterrey, del 21 al 26 de mayo de 2006, el VIII Simposio Iberoamericano sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia. Este evento bienal reúne lo más selecto a nivel internacional en investigación científica y desarrollo tecnológico en el área de protecciones eléctrica en alta potencia. En esta edición se contó con la presencia de 180 especialistas entre ingenieros, tecnólogos y científicos procedentes de 12 países: Argentina, Uruguay, Brasil, Perú, Suiza, Reino Unido, Estados Unidos, Venezuela, Canadá, Croacia, Suecia y México, presentándose un total de 27 ponencias. Además el evento incluyó una exposición industrial en la que se exhibieron equipos con tecnología de punta para esta área de la ingeniería eléctrica. Al evento inaugural asistieron: el Ing. Antonio Zarate Negrón, Director del Proyecto Monterrey Ciudad Internacional del Conocimiento en representación del Gobierno del Estado de Nuevo Léon; el Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, Secretario Académico de la UANL; el Dr. Rogelio G. Garza Rivera, Director de la FIME; el Ing. Leonardo Ocaña Ramírez, Gerente de la Región de Transmisión Ceremonia de inauguración del VIII Simposio Iberoamericano sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia realizado en la ciudad de Monterrey. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 Noreste de la CFE; Ing. Everardo González González, Gerente de la División Golfo Norte de la CFE; y el Dr. Ernesto Vázquez Martínez, Coordinador Académico del Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la FIME. VI. CONGRESO DE INGENIERÍA DE MATERIALES 2006 La Coordinación de Ingeniería de los Materiales de la FIME-UANL organizó del 23 al 25 de Mayo el Congreso de Ingeniería de Materiales 2006. La Inauguración realizada en el Auditorio Raúl Quintero Flores de la UANL, fue presidida por el Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Sub Director Académico de la FIME, acompañado por el M.C. Roberto A. Mireles Palomares, Coordinador de Ingeniería de los Materiales. Entre los temas tratados sobresalieron: “Uso y aplicación de nanomateriales”, por la Dra. Oxana Vasilievna Kharissova, de la FCFM-UANL; “El acero a través de los tiempos”, por el Dr. Javier Lizcano Zulaica, de la FIME-UANL; “Almacenamiento y transformación de energía”, por Dr. Francisco J. Garza Méndez, de la FCQ-UANL, entre otras. A lo largo del evento se dio énfasis a la importancia de la investigación para nuestro país y se exhortó a los alumnos de la FIME a que participen en programas de intercambios académicos con universidades del extranjero y programas cortos de investigación, como el Verano de la Ciencia, trabajando con algún profesor investigador de la UANL, con el fin ampliar sus posibilidades de crecimiento profesional y personal. Alumnos asistentes al Congreso de Ingeniería de los Materiales, organizado por la FIME-UANL. 75 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Marzo - Mayo 2006 Carlos Armando Lara Ochoa, MAI con orientación en Mecánica, 01 de marzo de 2006. Tomás Norberto Martínez García, MC en Ingeniería Mecánica con especialidad en Térmica y fluidos, “Consideraciones para el ahorro de energía en las calderas de vapor”, 03 de marzo de 2006. Francisco Javier Guevara Castillo, MC en Ingeniería de Manufactura con especialidad en Automatización, “Diseño de un sistema neumático proporcional”, 07 de marzo de 2006. Rubén Alejandro Paredes Rodríguez, MI con ortientación en Eléctrica, 10 de marzo de 2006. Luis David Martínez Alanis, MI con orientación en Telecomunicaciones, “Técnicas de acceso múltiples para enlaces satelitales”, 15 de marzo de 2006. Arturo del Ángel Ramírez, MC en Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “La aplicación de relevadores de protección en sistemas eléctricos de potencia”, 16 de marzo de 2006. José Gutiérrez García, MC en Administración con especialidad en Finanzas, “Administración en las ventas”, 16 de marzo de 006. Sergio Mercado Santos, MI con orientación en Manufactura, 22 de marzo de 2006. Nelda Johana Gómez Treviño, MI con orientación en Mecánica, 23 de marzo de 2006. Luis Alberto Urueta Hernández, MC en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis de SiC vía la reducción carbotérmica de la sílice empleando microondas como fuente de energía”, 23 de marzo de 2006. Rafael Vallejo Garza, MAIN con orientación en Relaciones Industriales, “Perfil de egreso requerido 76 en el mercado laboral de la FIME”, 23 de Marzo de 2006. I s m a e l G u t i e r re z P i m e n t e l , M A I N c o n orientación, en Relaciones Industriales, 28 de marzo de 2006. Luis Eduardo Flores González, MC en Administración con especialidad en Produccion y Calidad, “Implementacion del sistema APS en una empresa”, 30 de marzo de 2006. Gibrán Rene Lugo Nitsch, MC en Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia, “Modelos dispersivos para análisis de la propagación de campos electromagnéticos en tejidos biológicos”, 31 de marzo de 2006. A r t u ro M a n j a r re z F e r n á n d e z , M C e n Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Análisis de refrigeración de alimentos”, 25 de abril de 2006. Karla Idalia Rosales González, MI con orientación en Telecomunicaciones, “Red terrestre-satelital móvil integrada”, 26 de abril de 2006. Enrique Luis Cervantes Jaramillo, MC en Ingeniería con especialidad en Potencia, “Una nueva metodología para la selección económica del tipo de línea para el diseño de líneas de distribución eléctrica en la Comisión Federal de Electricidad”, 28 de Abril de 2006. Marcos Cantú Gámez, MAIN con orientación en Producción y Calidad, 04 de Mayo de 2006. Saraliz Ramshaw Rodríguez, MAIN con orientación en Relaciones Industriales, 26 de Mayo de 2006. Arnoldo Gómez García, MAIN con orientación en Finanzas, 30 de Mayo de 2006. Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �Acuse de recibo INGENIERÍA. INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TÉCNICAS AGROPECUARIAS Ingeniería. Investigación y Tecnología, ISSN1405-7743, es una revista arbitrada e indizada, publicada en forma trimestral por la Facultad de Ingeniería de la UNAM, la cual está organizada en cuatro secciones: Ingeniería en México y en el Mundo, Estudios e investigaciones recientes, Ingeniería y Sociedad y Educación en ingeniería. En su volumen VII, No. 2, de abril-junio 2006, se aborda la utilización de sondeos eléctricos para el diagnóstico del potencial hídrico, logrando así mejoras en el tratamiento de suelos de regiones áridas en Marruecos. Otro artículos de innovación con carácter analítico, presenta el estudio de la oscilación del Atlántico Norte, con el fin de buscar posibles correlaciones entre este fenómeno y el fenómeno del Niño. En su sección Educación en Ingeniería se presentan artículos relacionados con la actividad y experiencia profesionales, que sean de utilidad para el fortalecimiento de la docencia. Para mayor información puede consultarse www.ingenieria.unam.mx/~revistafi o e-mail: revistaiit@terra.com.mx , revistaiit@yahoo.com.mx La revista trimestral, Ciencias Técnicas Agropecuarias, que está cumpliendo 20 años, es editada por la Universidad Agraria de la Habana y su Centro de Mecanización Agropecuaria, presenta artículos novedosos de investigación, puntos de vista y resúmenes de tesis, en español, portugués e inglés, de los diferentes aspectos técnico-científicos relativos al ámbito agropecuario. El número 1:2006, nos presenta artículos organizados en seis secciones: tractores y máquinas agrícolas, explotación y procesos mecanizados, oleohidráulica, agricultura de precisión, suelo y agua, uso de energía en la agricultura, docencia y capacitación. Se trata de una revista de divulgación con artículos interesantes y prácticos. En la sección de docencia y capacitación destacan los resúmenes de las tesis, ya que muestran la temática de los trabajos que recientemente se han defendido en el Tribunal Nacional Permanente de Ingeniería Agrícola de la República de Cuba. Se puede obtener mayor información escribiendo a: udcema@infomed.sld.cu (JAAG). José Arrieta Espronceda Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 77 �Colaboradores Barrientos Cisneros, Julio César Ingeniero Civil egresado de la Facultad de Ingeniería “Arturo Narro Siller” de la Universidad Autónoma de Tamaulipas en 1996. Maestría en Ingeniería Portuaria en la misma universidad en 1998. Candidato a Doctor en Ingeniería Económica y Ciencias Sociales por la Universidad de la Coruña, España, en el 2003. Actualmente desarrolla su tesis doctoral. Dichtel, Bernard Obtuvo su doctorado en electrónica en la Universidad de Nancy, Francia, en 1978. Trabaja en el CNRS (Consejo Nacional para la Investigación Científica) desde 1973 como personal del LSTM (Laboratorio de Espectroscopía y de Técnicas de Microondas), de la Universidad Henri Poincare, Nancy, Francia. Chaabane, Haykel Obtuvo su diploma de posgraduado en electrónica de alta potencia y optoelectrónica en la Universidad de Limoges, Francia, en 1997, y está trabajando en su tesis de doctorado en electrónica en la Universidad Henri Poincare, Nancy, Francia. Dordea, Toma Ingeniero, con especialidad en electromecánica (1946), y Doctor Ingeniero, con especialidad en máquinas eléctricas (1963, por la Universidad Politécnica de Timisoara. Desde 1964 es profesor universitario hasta el año 1993 cuando deviene profesor consultor, miembro de la Academia Rumana. Ha obtenido por dos veces el premio del Ministerio Rumano de Educación y Enseñanza, 2 medallas de plata en las exposiciones internacionales (Ginebra 2001 y Bruselas 2002). Miembro de la Academia Francesa de los Ingenieros, Miembro de la Academia de Ciencias Técnicas de Rumania, Miembro de la Academia de los Científicos de Rumania, Doctor Honoris Causa de tres Universidades. De León Gómez, Héctor Ingeniero Civil por la FIC de la UANL, con Maestría en Geología por la Universidad Técnica de Clausthal, Alemania. Doctorado en Ciencias Naturales en la Universidad Técnica de Aachen, Alemania. Miembro del SNI nivel I. Profesor Titular “C” de la Facultad de Ciencias de la Tierra de la UANL. Es miembro de la Internacional Hydrogeological Association (IAH) entre otras sociedades científicas. 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. Blanco Jerez, Leonor María Licenciada en C. Químicas por la Universidad Central de Las Villas, Villa Clara, Cuba. Doctora en Ciencias Técnicas en la misma Universidad. Actualmente es profesora, jefa del Laboratorio de Electroquímica y responsable del Cuerpo Académico de Química de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. 78 Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 �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 estarán 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 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 El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por Ingenierías, Julio-Septiembre 2006, Vol. IX, No. 32 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 2006 Volumen Volumen de la revista 9 Número Número de la revista 32 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, 2006, Vol 9, No 32, 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 01/07/2006 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 2020795 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 Estudio cinético Polipropileno PYMES Relatividad especial Servicio Sismológico Nacional Voltamperometría