UNIDAD 4 MECANICA INDUSTRIAL

INDUSTRIAL La ingeniería mecánica es un campo muy amplio de la ingeniería que implica el uso de los principios de la física para el análisis, diseño, fabricación de sistemas mecánicos. Tradicionalmente, ha sido la rama de la ingeniería que mediante la aplicación de los principios físicos ha permitido la creación de dispositivos útiles, como utensilios y máquinas. Los ingenieros mecánicos usan principios como el calor, las fuerzas y la conservación de la masa y la energía para analizar sistemas físicos estáticos y dinámicos, contribuyendo a diseñar objetos. La Ingeniería Mecánica es la rama de las máquinas, equipos e instalaciones teniendo siempre en mente aspectos ecológicos y económicos para el beneficio de la sociedad. Para cumplir con su labor, la ingeniería mecánica analiza las necesidades, formula y soluciona problemas técnicos mediante un trabajo interdisciplinario, y se apoya en los desarrollos científicos, traduciéndolos en elementos, máquinas, equipos e instalaciones que presten un servicio adecuado, mediante el uso racional y eficiente de los recursos disponibles. Campos de acción Los campos de la ingeniería mecánica se dividen en una cantidad extensa de sub-disciplinas. Muchas de las disciplinas que pueden ser estudiadas en Ingeniería mecánica pueden tocar temas en comunes con otras ramas de la ingeniería. Un ejemplo de ellos son los motores eléctricos que se solapan con el campo de los ingenieros eléctricos o la termodinámica que también es estudiada por los ingenieros químicos. Los campos de la ingeniería mecánica pueden describirse de la siguiente forma: Ingeniería de producto y de manufactura Robótica industrial Mecatrónica Manufactura flexible Mecanismos inteligentes Motores híbridos Nanomáquinas Siderúrgica Biomecánica La ingeniería mecánica se extiende de tal forma que es capaz de abordar un problema con la racionalización de varios factores que pueden estar afectando y que son fundamentales para hallar determinada solución. Origen Las aplicaciones de esta ingeniería se encuentran en los archivos de muchas sociedades antiguas de todo el mundo. En la antigua Grecia, las obras de Arquímedes (287 a. C.-212 d. C.) ha influido profundamente en la mecánica occidental y Heron de Alejandría (c. 10-70 d. C.), creó la primera máquina de vapor.1 En China, Zhang Heng (78-139 d. C.) mejora un reloj de agua e inventó un sismómetro, y Ma Jun (200-265 d. C.) inventó un carro con diferencial de engranajes. El ingeniero chino Su Song (1020-1101 d. C.) incorporó un mecanismo de escape en su torre del reloj astronómico dos siglos antes de que cualquier fuga se puediese encontrar en los relojes de la Europa medieval, así como la primera cadena de transmisión.2 Durante los siglos VIII al XV, en la era llamada edad de oro islámica, se realizaron notables contribuciones de los musulmanes en el campo de la tecnología mecánica. Al Jaziri, quien fue uno de ellos, escribió su famoso "Libro del Conocimiento de ingeniosos dispositivos mecánicos" en 1206, en el cual presentó muchos diseños mecánicos. También es considerado el inventor de tales dispositivos mecánicos que ahora forman la base de mecanismos, tales como árboles de levas y cigüeñal.3 Un hito importante en la creación de la ingeniería mecánica sucedió en Inglaterra durante el siglo XVII cuando Sir Isaac Newton formuló las tres Leyes de Newton y desarrolló el cálculo. Newton fue reacio a publicar sus métodos y leyes por años, pero fue finalmente persuadido a hacerlo por sus colegas, tal como Sir Edmund Halley, para el beneficio de toda la humanidad. Desarrollo de la ingeniería mecánica Históricamente, esta rama de la ingeniería nació en respuesta a diferentes necesidades que fueron surgiendo en la sociedad. Se requería de nuevos dispositivos con funcionamientos complejos en su movimiento o que soportaran grandes cantidades de fuerza, por lo que fue necesario que esta nueva disciplina estudiara el movimiento y el equilibrio. También fue necesario encontrar una nueva manera de hacer funcionar las máquinas, ya que en un principio utilizaban fuerza humana o fuerza animal. La invención de máquinas que funcionan con energía proveniente del vapor, del carbón, de petroquímicos (como la gasolina) y de la electricidad trajo grandes avances, dando origen a la Revolución Industrial a mediados del siglo XVIII. Más adelante surgiría la producción en serie. A principios del siglo XIX en Inglaterra, Alemania y Escocia, el desarrollo de herramientas de maquinaria llevó a desarrollar un campo dentro de la ingeniería en mecánica, suministro de máquinas de fabricación y de sus motores.4 En los Estados Unidos, la American Society of Mechanical Engineers (ASME) se formó en 1880, convirtiéndose en la tercera sociedad de profesionales de ingeniería, después de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (1852) y el Instituto Americano de Ingenieros de Minas (1871). [4] Las primeras escuelas en los Estados Unidos para ofrecer una enseñanza de la ingeniería son la Academia Militar de Estados Unidos en 1817, una institución conocida ahora como la Universidad de Norwich en 1819, y el Instituto Politécnico Rensselaer en 1825. La educación en ingeniería mecánica se ha basado históricamente en una base sólida en matemáticas y la ciencia.5 Latinoamérica México Cuando los españoles habían llegado a México en la conquista, los aztecas ya habían construido varias obras ingenieriles, como por ejemplo varios diques que protegía a Tenochtitlan del Lago de Texcoco en caso de posibles inundaciones. Estas construcciones fueron destruidas por los conquistadores.6 En 1551 fue fundada la Real y Pontificia Universidad de México, sin embargo, los egresados eran religiosos, profesionales y académicos de la teología, derecho y medicina. Los ingenieros provenían de Europa para realizar las obras. A finales del siglo XIX comenzó la industrialización en México. Con la llegada del ferrocarril, y la explotación de las minas, el país sufrió un avance tecnológico. Esto se sumó a la explotación del petróleo, que necesitaba maquinaria para la perforación y para el transporte del crudo, además de la construcción de refinerías y oleoductos. En 1792 se fundó el Real Seminario de Minería en México, considerada la primera escuela de ingenieros de Latinoamérica.En 1535 se fundo la primera Escuela para Varones que conformaba niveles de área minería, alfarería y agricultura. En 1857 se cambia el nombre expedido por el presidente Benito Juarez por Escuela de Artes y Oficios reconocido como técnicos mecánicos, Alfareros y agricultores. Posteriormente durante la Revolución Mexicana, se propuso que esta escuela tendría un nivel profe-sionista , así se le cambio el nombre a Escuela de Ingenieros Mecánicos y Eléctricos, En 1932 se crea la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) que se anexo al Instituto Politécnico Nacional iniciando con la imparticion de cursos en 1936 con las carreras de Ingeniería Mecánica, Ingeniería Eléctrica, Ingeniería Aeronáutica y Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica. Siendo la ESIME una de las escuelas mas antiguas en México en el desarrollo tecnológico en el área Mecánica-Eléctrica.7 Chile La primera central eléctrica fue la Central hidroeléctrica de Chivilingo, construida en Lota entre los años 1896 y 1897, para las minas de carbón de la zona.8 Fue construida mientras Isidora Goyenechea tenía al mando la conducción de las minas, luego del fallecimiento de su esposo Luis Cousiño. Francisco González Villalobos, es el primer ingeniero mecánico titulado en Chile, egresado de la Universidad Técnica Federico Santa María en 1940,9 motivo por el cual tuvo la responsabilidad de convertirse en el especialista pionero en el país. En 1956 se creó la carrera de ingeniería mecánica en la Universidad de Concepción, la segunda ingeniería de dicha universidad, egresando la primera generación el año 1962. En el año 1965 se cambia el nombre por el de ingeniería civil mecánica.10 En 1966 se comenzó a dictar la carrera de ingeniería civil mecánica en la Universidad de Chile, y egresando la primera generación en 1970.11 Herramientas computacionales Prototipo de suspensión y dirección modelado en computadora. Debido a la complejidad creciente de los análisis que se realizan en todas las ramas de la Ingeniería Mecánica, el cálculo asistido por ordenador ha ido adquiriendo siempre mayor protagonismo. Se ha producido una evolución en la representación de los sistemas físicos, pasando de esquematizar partes del sistema en modo aproximado a reproducir todo el conjunto en modo detallado. Este proceso ha sido posible en gran parte debido a la constante mejora de las prestaciones de los equipos informáticos, y a la mejora de los programas de cálculo. En el diseño de nuevos componentes, el uso de estas herramientas permite en la mayoría de los casos obtener resultados más precisos y sobre todo una reducción de costes al permitir analizar virtualmente el comportamiento de nuevas soluciones. En el proceso de análisis y diseño se utilizan herramientas de cálculo como el análisis mediante elementos finitos (FEA por sus siglas en inglés) o volúmenes finitos así como también la dinámica de fluidos computacional (CFD). El diseño de procesos de fabricación con ayuda de computadores (LEVA), permite que los modelos generados se puedan utilizar directamente para crear "instrucciones" para la fabricación de los objetos representados por los modelos, mediante máquinas de control numérico (CNC) u otros procesos automatizados, sin la necesidad de dibujos intermedios. En el campo de Análisis y Simulación existen asociaciones independientes que proporcionan información y elaboran normas de cálculo. Una de las más importante es la National Agency for Finite Element Methods and Standards (NAFEMS), organización sin ánimo de lucro constituida por más de 700 compañías de todo el mundo. La ingeniería mecánica ayuda en una mejor comodidad de los contribuyentes. Los siguientes son los paquetes de software de análisis y diseño más extendidos: ALGOR Solid Edge Unigraphics NX ABAQUS Autocad Autodesk Inventor ANSYS CATIA FLUENT LabVIEW LS-DYNA Maple MSC.Adams MSC.Nastran Matlab ProE RADIOSS SolidWorks Working model WorkXPlore 3D Vale la pena mencionar los software CAM (Computer Aided Manufacture) complementarios para el manejo de maquinaria asociada a la fabricación de piezas diseñadas mediante software CAD (Computer Aided Design)

Central hidroeléctrica

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Central hidroeléctrica.

Corte transversal de una represa hidroeléctrica.

En una central hidroeléctrica se utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para mover una rueda.
En general, estas centrales aprovechan la energía potencial gravitatoria que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como salto geodésico. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual transmite la energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica.

Aprovechamiento de la energía hidráulica

Los antiguos aprovechaban ya la energía del agua; utilizaban ruedas hidráulicas para moler trigo. Sin embargo, la posibilidad de emplear esclavos y animales de carga retrasó su aplicación generalizada hasta el siglo XII. Durante la edad media, las enormes ruedas hidráulicas de madera desarrollaban una potencia máxima de cincuenta caballos. La energía hidroeléctrica debe su mayor desarrollo al ingeniero civil británico John Smeaton, que construyó por vez primera grandes ruedas hidráulicas de hierro colado. La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revolución Industrial. Impulsó a las industrias textiles y del cuero y los talleres de construcción de máquinas a principios del siglo XIX. Aunque las máquinas de vapor ya estaban perfeccionadas, el carbón era escaso y la madera poco satisfactoria como combustible. La energía hidráulica ayudó al crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se crearon en Europa y América hasta la construcción de canales a mediados del siglo XIX, que proporcionaron carbón a bajo precio. Las presas y los canales eran necesarios para la instalación de ruedas hidráulicas sucesivas cuando el desnivel era mayor de cinco metros. La construcción de grandes presas de contención todavía no era posible; el bajo caudal de agua durante el verano y el otoño, unido a las heladas en invierno, obligaron a sustituir las ruedas hidráulicas por máquinas de vapor en cuanto se pudo disponer de carbón.
Las formas más frecuentemente utilizadas para explotar la energía hidráulica son:

Desvío del cauce de agua

El principio fundamental de esta forma de aprovechamiento hidráulico de los ríos se basa en el hecho de que la velocidad del flujo de estos es básicamente constante a lo largo de su cauce, el cual siempre es descendente. Este hecho revela que la energía potencial no es íntegramente convertida en cinética como sucede en el caso de una masa en caída libre, la cual se acelera, sino que ésta es invertida en las llamadas pérdidas, es decir, la energía potencial se "pierde" en vencer las fuerzas de fricción con el suelo, en el transporte de partículas, en formar remolinos, etc.. Entonces esta energía potencial podría ser aprovechada si se pueden evitar las llamadas pérdidas y hacer pasar al agua a través de una turbina. El conjunto de obras que permiten el aprovechamiento de la energía anteriormente mencionada reciben el nombre de central hidroeléctrica o Hidráulica.
El balance de energía arriba descrito puede ser ilustrado mejor a través del principio de Bernoulli.

Interceptación de la corriente de agua

Este método consiste en la construcción de una represa o embalse de agua que retenga el cauce de agua causando un aumento del nivel del río en su parte anterior a la presa de agua, el cual podría eventualmente convertirse en un embalse. El dique establece una corriente de agua no uniforme y modifica la forma de la superficie de agua libre del río antes y después de éste, que toman forma de las llamadas curvas de remanso. El establecimiento de las curvas de remanso determinan un nuevo salto geodésico aprovechable de agua.