Mecánica - Ingeniería mecánica

Ingeniería electromecánica es la aplicación híbrida que surge de la combinación sinérgica de distintas áreas del conocimiento, como el electromagnetismo, la electrónica, la electricidad y la mecánica. Se aplica principalmente en mecanismos eléctricos, máquinas industriales, generación y transformación de energía.

Descripción[editar]

La ingeniería electromecánica es la responsable de realizar el análisis, diseño, desarrollo, manufactura y mantenimiento de sistemas y dispositivos electromecánicos, y son estos los que combinan partes eléctricas y mecánicas para conformar su mecanismo. Ejemplos de estos dispositivos son los motores eléctricos usados en los aparatos domésticos, tales como: ventiladores, refrigeradores, lavadoras, secadores de cabello, mecanismos de transmisión de potencia y demás, que convierten energía eléctrica en energía mecánica. Los teléfonos transmiten información de un lugar a otro, y convierten la energía mecánica originada por ondas sonoras en señales eléctricas y reconvirtiendo estas señales eléctricas en ondas sonoras para su recepción. La lista de estos aparatos electromecánicos es interminable. Es físicamente imposible agruparlos a todos y analizarlos individualmente.

Todos estos aparatos pueden considerarse formados por partes que son eléctricas y de partes que pueden ser clasificadas como mecánicas. Esta clasificación no implica que las partes eléctricas y mecánicas puedan ser siempre físicamente separadas y operadas independientemente una de otra. La energía es recibida o suministrada por estas partes dependiendo de la naturaleza y aplicación del equipo particular. El proceso de conversión de energía electromecánica también abarca usualmente el almacenamiento y transferencia de energía eléctrica. El estudio de los principios de conversión de energía electromecánica y el desarrollo de modelos para los componentes de un sistema electromecánico, son el objetivo entre otros de un programa como el de la ingeniería electromecánica.

Historia[editar]

A finales del siglo XVII Otto Von Guericke logró establecer que existían varios tipos de electricidad; en el siglo XVIII se idearon: el electroscopio en 1705, la botella de Leyden (condensador experimental) en 1745 y el pararrayos en 1752. Una serie de inventos caracterizaron dicha época y facilitaron el proceso de industrialización, entre los cuales los más importantes fueron: la hiladora Jenny (1770), la lanzadera mecánica(1773), el telar mecánico (1787) y la máquina de vapor (1769). Esos eventos decretaron de manera definitiva el surgimiento de la ingeniería mecánica y de la ingeniería industrial.

Michael Faraday definió la inducción electromagnética con un sencillo experimento mediante el cual descubrió que una corriente puede inducirse en un alambre con solo moverlo sobre un campo magnético (1831). Con base en este principio se fabricaron los motores y dinamos eléctricos. Había nacido la ingeniería eléctrica.

En consecuencia, a finales del siglo XIX el auge de la electricidad era tal que ya existían muchas ciudades y edificaciones con alumbrado público. En las industrias las máquinas eléctricas reemplazaron las máquinas de vapor, lo cual garantizaba una mayor eficiencia productiva y contribuyó al desarrollo industrial.

Por otra parte, los fenómenos electromagnéticos se conocen desde el siglo VI a.c. gracias a los experimentos de Tales de Mileto, y el término electricidad (del griego Elektrón, que significa "ámbar") fue introducido por el inglés Gilbert de Colchester, quien fue el primero en estudiar sistemáticamente los fenómenos eléctricos.

Al inicio, los "repetidores" surgieron con la telegrafía y eran dispositivos electromecánicos usados para regenerar señales telegráficas. El conmutador telefónico de barras cruzadas es un dispositivo electromecánico para llamadas de conmutación telefónica. Inicialmente se instalaron ampliamente en la década de 1950 en los Estados Unidos e Inglaterra, y luego se expandieron rápidamente al resto del mundo. Reemplazaron a los diseños anteriores, como el conmutador Strowger, en grandes instalaciones. Nikola Tesla, uno de los más grandes ingenieros de la historia, fue el precursor de la electromecánica.

Nikola Tesla, precursor de la ingeniería electromecánica.

Paul Nipkow propuso y patentó el primer sistema electromecánico de televisiónen 1885. Las máquinas de escribir eléctricas se desarrollaron hasta la década de 1880 como "máquinas de escribir asistidas por energía". Estas máquinas contenían un único componente eléctrico: el motor. Mientras que antiguamente la pulsación de una tecla movía directamente una palanca de metal con el tipo deseado, con estas máquinas eléctricas las teclas enganchaban diversos engranajes mecánicos que dirigían la energía mecánica desde el motor a las palancas de escritura. Esto mismo ocurría con la IBM Selectric, desarrollada posteriormente. En la década de 1940 se desarrolló, en los Laboratorios Bell la computadora Bell Model V. Se trataba de un gran aparato electromecánico basado en relés con tiempos de ciclo del orden de segundos. En 1968 la compañía estadounidense Garrett Systems fue invitada a producir una computadora digital para competir con los sistemas electromecánicos que se estaban desarrollando entonces para la computadora principal de control de vuelo del nuevo avión de combate F-14 Tomcat de la marina norteamericana.

Las nuevas tecnologías en el mundo y la ingeniería electromecánica[editar]

Las nuevas tecnologías se enmarcan históricamente en la revolución científico-técnica, que nació con la creciente importancia de las actividades de investigación científica y el desarrollo tecnológico en la innovación de nuevos productos y procesos productivos.

El enfoque de conjunto permitió diferenciar los impactos de las nuevas tecnologías: así como la informática incide tanto en el consumo como en las actividades administrativas, los servicios y las comunicaciones, en la industriala automatización disminuye, la oferta de empleos cambia las relaciones técnicas y las calificaciones del trabajo, y la estandarización se orienta a familias de productos.

La biotecnología es otra área de impacto que afecta la sustitución de recursos naturales (por ejemplo tropicales), de sustancias farmacéuticas, y abre nuevas posibilidades de productos alimenticios. La energía está ante la expectativa a largo plazo de un salto tecnológico (superconductores), cuando se aplican políticas de transición en la diversificación de fuentes de ahorro, eficiencia y de seguridad para disminuir la contaminación.

La capacidad de generar ciencias y tecnologías propias debe ser parte integral de la cultura, lo que implica: controlar nuestros medios de difusión pues las telecomunicaciones se convierten en el medio de mayores impactos, positivos o negativos de la cultura. La clase de materiales es clave en las innovaciones contemporáneas pues se requiere, en general de instrumentos de uso específico o a la medida; por ejemplo, para disminuir la contaminación o incrementar la eficiencia energética o aumentar la densidad de componentes microelectrónicos; para ello, se requiere disponer de los implementos, pero sobre todo de la capacidad tecnológica para transformarlos; tal es el caso de los materiales finos.¹​

Con los argumentos expuestos en el documento de ANFEI se puede demostrar la importancia de formar un ingeniero con competencias híbridas y un punto de vista holístico pero muy bien fundamentado sobre muchos procesos, con potencialidades técnicas y tecnológicas evidenciables, con una gran participación en investigación, con compromisos éticos y humanísticos que le permitan abocar los problemas con seriedad y gran compromiso, con disponibilidad de trabajo en equipo y una responsabilidad ineludible con el medio ambiente.

Surgimiento aplicado de la ingeniería electromecánica[editar]

Durante el siglo XX, a medida que el conocimiento científico y tecnológico se multiplicaba, los campos de acción de los ingenieros se iban especializando cada vez más. Un ejemplo de este proceso lo constituye la ingeniería eléctrica, de donde se desprendieron las ingenierías electrónica e informática, la telecomunicaciones, la telemática y la mecatrónica, entre otras.

Los sistemas de producción industrial exigían más eficiencia para convertirse en sistemas más competitivos, pero la alta especialización entre colaboradores hacía difícil su comunicación. Surgió entonces la necesidad de un profesional con una visión holística del proceso, con dominio del lenguaje de especialidades afines y que a su vez pudiera ser interlocutor válido con especialistas en esas profesiones, para coordinar su esfuerzo y hacer más eficiente el trabajo de equipo. Adicionalmente las pequeñas y medianas empresas requieren de profesionales que puedan suplir sus necesidades de forma integral en automatización, montaje, mantenimiento y diseño de sistemas electromecánicos, en sus plantas de producción, y dado el tamaño de las pequeñas y medianas empresas, no existe la posibilidad para disponer de ingenieros en todas las especialidades.

Aquí se puede apreciar claramente cómo se justifica la existencia del ingeniero electromecánico desde dos puntos de vista claros y concisos:

• El primero se da con la gran empresa, donde los sistemas productivos contienen un alto grado de complejidad, donde se hace necesario manejar un lenguaje especializado que integre la ingeniería mecánica, la ingeniería eléctrica y la electrónica, logrando un alto rendimiento en procesos de mantenimiento, diseño, montaje y renovación del sistema productivo asociado a la labor del trabajo en equipo. Es claro que la formación de este ingeniero no solamente se debe centrar en lo tecnológico, sino en aspectos de comunicación oral y escrita. No es lo mismo saber entender que hacerse entender. Las competencias de un ingeniero electromecánico le deben permitir asumir este reto.

• El segundo tiene que ver con la realidad que viven la pequeña y mediana empresa en el manejo de su economía. El recurso económico es muy limitado y la necesidad profesional es ineludible. Se necesita un ingeniero con fuertes competencias para que asuma el rol tecnológico que le exige determinada situación, un ingeniero polivalente con capacidad creativa presto a resolver los problemas propios de su profesión en diferentes áreas de la ingeniería.

Funciones de la ingeniería electromecánica[editar]

Las funciones de la ingeniería electromecánica son:

• Calcular, seleccionar, dimensionar y diseñar elementos de sistemas mecánicos.
• Seleccionar, implementar y controlar procesos de fabricación industrial de piezas o elementos y seleccionar los materiales adecuados.
• Organizar, administrar, planear y controlar las actividades de mantenimiento en plantas industriales.
• Evaluar, operar y mantener instalaciones, máquinas y equipos térmicos e hidráulicos.
• Calcular, seleccionar, montar, operar, controlar, evaluar y mantener las máquinas eléctricas utilizadas en instalaciones industriales.
• Planear, calcular, diseñar, construir, operar, evaluar y mantener instalaciones eléctricas de alta, media y baja tensión, de acuerdo con la reglamentación vigente.
• Seleccionar, calcular, diseñar, evaluar, operar y mantener sistemas básicos de medición y de control de procesos industriales.

Formación específica de la ingeniería electromecánica[editar]

Áreas temáticas específicas de la ingeniería electromecánica:

• Comunicación gráfica programas CAD
• Seguridad Industrial
• Mecánica
• Resistencia de materiales
• Cálculo y diseño de elementos de máquinas
• Procesos de manufactura
• Materiales de ingeniería
• Mantenimiento industrial
• Máquinas y procesos térmicos
• Motores
• Máquinas y redes hidráulicas
• Circuitos eléctricos
• Máquinas eléctricas
• Instalaciones eléctricas
• Electrónica
• Mediciones industriales
• Control automático

La biomecatrónica es una ciencia interdisciplinaria aplicada que busca integrar elementos mecánicos, electrónicos y parte de organismos biológicos para auxiliar y mejorar el control del motor humano que fue perdido o dañado por trauma, enfermedad o defectos de nacimiento. La biomecatronica incluye aspectos de la biología, mecánica, y electrónica y abarca los campos de la robótica y neurociencia. Un ejemplo de la Biomecatrónica es un estudio realizado por Hugh Herr, un profesor de MIT. Herr extirpó los músculos de la pierna de unas ranas para unirlas a un pez mecánico y mediante un pulso de corriente eléctrica a través de las fibras musculares, logró que el pez nadara. El objetivo de estos experimentos es hacer dispositivos que interactúen con el músculohumano, el esqueleto, y el sistema nervioso.

Cómo funciona[editar]

La Biomecatrónica estudia el cómo trabaja el cuerpo humano. Un ejemplo son los cuatro pasos diferentes que deben ocurrir para ser capaz de levantar el pie al caminar. Primero, se mandan impulsos desde el centro motriz del cerebro hacia el pie y los músculos de las piernas. Después, las células nerviosas del pie envían información al cerebro para que éste ajuste el grupo de músculos o la cantidad de fuerza requerida para caminar a través del suelo. Se aplican diferente cantidades de fuerza dependiendo del tipo de superficie en la que se camina. Posteriormente, las células nerviosas del huso muscular de la pierna perciben la posición del piso y la mandan de vuelta al cerebro. Finalmente, cuando el pie es levantado para dar el paso, se mandan señales a los músculos en la pierna y el pie para bajarlo.

Biosensores[editar]

Los biosensores son usados para detectar lo que el usuario desea hacer o sus intenciones y movimientos. En algunos dispositivos la información puede ser retransmitida por el sistema nervioso del usuario o el sistema muscular. Esta información está asociada por el biosensor a un controlador el cual puede ser localizado dentro o fuera del dispositivo biomecatrónico. Además los biosensores reciben información sobre la posición y la fuerza de las extremidades proveniente de las extremidades y el actuador. Los biosensores se encuentran en una variedad de formas. Pueden ser cables los cuales detectan actividad eléctrica, electrodos de agujas implantados en los músculos, y guías de electrodos con los nervios creciendo alrededor de ellos.

Sensores mecánicos[editar]

El objetivo de los sensores mecánicos es medir la información sobre el dispositivo biomecatrónico y relacionar dicha información con el biosensor o el controlador.

Controlador[editar]

El controlador es un dispositivo biomecatrónico que conecta las intenciones del usuario con los actuadores. También interpreta la retroalimentación de la información que proviene de los biosensores y los sensores mecánicos para el usuario. Otra función del controlador es controlar los movimientos del dispositivo biomecatrónico.

Actuador[editar]

El actuador es un músculo artificial. Su trabajo es producir fuerza y movimiento. Dependiendo de si el dispositivo es ortopédico o prostético, el actuador puede ser un motor que asiste o remplace el músculo original del usuario.

Investigación[editar]

La biomecatrónica es un campo con un crecimiento rápido, sin embargo hay muy pocos laboratorios que lleven a cabo investigaciones. El Instituto de Rehabilitación de Chicago, la Universidad de California en Berkeley, MIT, y la Universidad de Twente en Holanda, son las instituciones que van a la vanguardia en la investigación en biomecatrónica. En las investigaciones actuales, hay tres enfoques principales que son enfatizados.

1. Analizar los movimientos del cuerpo humano, los cuales son complejos, con el fin de ayudar con el diseño de dispositivos biomecatrónicos.
2. El estudio para descubrir la manera de interconectar dispositivos electrónicos con el sistema nervioso.
3. Probar métodos para usar tejido muscular vivo como actuadores para dispositivos electrónicos.

Analizando movimientos[editar]

Debido a su complejidad, se requiere de una gran cantidad de análisis sobre el movimiento humano. MIT y la Universidad de Twente están analizando estos movimientos mediante la combinación de modelos computacionales, sistemas de cámaras, y electromiogramas.

Interconexión[editar]

La interconexión permite que los dispositivos biomecatrónicos se conecten con los sistemas musculares y los nervios del usuario para mandar y recibir información del dispositivo. Esta tecnología no está disponible en aparatos ortopédicos comunes y dispositivos prostéticos. Grupos de la Universidad de Twente están haciendo desarrollos drásticos en este campo. Los científicos han desarrollado un dispositivo el cual ayudará a tratar la parálisis y víctimas de derrame cerebral que son incapaces de controlar su pie mientras caminan. Los investigadores también se están aproximando al descubrimiento que permitiría que una persona con una pierna amputada llegue a controlar su prótesis de pierna a través de los músculos del muñón.

Investigación de MIT[editar]

Hugh Herr es el científico biomecatrónico principal en MIT. Herr y su grupo de investigadores están desarrollando un tamiz de circuito integrado electrodo y dispositivos prostéticos que se están haciendo capaces cada vez más de imitar el movimiento del ser humano. Hay dos prótesis que actualmente se encuentran en desarrollo, una de las cuales será capaz de controlar los movimientos de la rodilla y la otra controlará la rigidez de la articulación de un tobillo.

Pescado robótico[editar]

Como se mencionó antes, Herr y sus colegas diseñaron un pescado robótico que era impulsado por el músculo de tejido vivo tomado de las piernas de unas ranas. El pescado robótico era un prototipo de un dispositivo biomecatrónico con un actuador vivo. Las siguientes características se les fueron dadas al pescado.¹​

• Un flotador de espuma de poliestireno para que el pescado pudiera flotar
• Cables eléctricos para las conexiones
• Una cola de silicona para permitir fuerza mientras nadara
• Energía suministrada por baterías de litio
• Un microcontrolador para controlar el movimiento
• Un sensor infrarrojo para permitir comunicación entre el microcontrolador y el dispositivo portátil
• Músculos estimulados por una unidad electrónica

Crecimiento[editar]

La demanda por dispositivos biomecatrónicos es muy alta y con los avances tecnológicos en los años recientes, los investigadores biomecatrónicos han sido capaces de construir extremidades prostéticas que son capaces de replicar la funcionalidad de extremidades humanas. Estos incluyen el dispositivos como el “i-limb”, desarrollado por la compañía prostética Touch Bionics, la primera mano prostética completamente funcional con articulaciones,²​ al igual que Herr’s PowerFoot BiOM, la primera pierna prostética capaz de simular procesos del músculo y tendón dentro del cuerpo humano.³​ Las investigaciones biomecatrónicas también han ayudado con la investigación para entender las funciones humanas. Investigadores de Carnegie Mellon y el estado de Carolina del Norte han creado un exoesqueleto que disminuye el costo metabólico de caminar por un 7 por ciento.⁴​

Muchos investigadores biomecatrónicos están colaborando estrechamente con organizaciones militares. El Departamento de Asuntos de los Veteranos de los Estados Unidos y el Departamento de Defensa están invirtiendo fondos a diferentes laboratorios para ayudar a soldados y veteranos de guerra⁵​

Sin embargo, a pesar de la demanda, las tecnologías biomecatrónicas luchan dentro del mercado de la salud debido a los costos altos y la falta de implementación en las políticas de seguros. Herr reclama que Medicare y Medicaid en especial, son los “hacedores de todas estas tecnologías,” más importantes y que las tecnologías no estarán disponibles a todos hasta que las tecnologías logren un avance.⁶​ Biomechatronic devices, although improved, also still face mechanical obstructions, suffering from inadequate battery power, consistent mechanical reliability, and neural connections between prosthetics and the human body.