INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Elécrica Ingeniería en Co!unicaciones y Elecr"nica Paul #rig$ Inroducci"n a la Ingeniería Capíulo % El En&o'ue Ingenieril para la (esoluci"n de Pro)le!as Pro)le!as
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A diferencia de los problemas que normalmente deben resolver los estudiantes de ingeniería, los problemas reales a menudo no están estructurados y son de carácter abierto. En ocasiones, no se conocen o están disponibles todos los datos disponibles. En otros casos, es necesario buscar entre una gran cantidad de información e identificar que parte de esta se necesita para resolver el problema en cuestión. En ocasiones un problema puede no tener una única solución, cuando esto ocurre tal vez se requiera sopesar varias consecuencias conflictivas de una acción ingenieril y entonces seleccionar la solución que mejor satisfaga las necesidades y deseos de un empresario, cliente o del público en general. a resolución que da un ingeniero implica dise!ar algo, a veces el objeto es crear un dispositivo, una estructura o un sistema para el beneficio de la gente. El proceso de dise!o implica aspectos artesanales, que más tarde se trasmitían por e"periencia directa, por lo tanto el dise!o implica mas arte que ciencia. Este proceso de dise!o requiere t#cnicas cuantitativas de resolución de problemas. En algunas situaciones, un problema de dise!o puede resolverse mediante la aplicación sistemática de m#todos analíticos y e"perimentales conocidos. $in embargo rara vez una se tienen el caso de que todos los m#todos encajen como las piezas se un rompecabezas. os inevitables vacíos en la metodología requieren que el dise!ador %aga innovaciones. as soluciones del dise!o son por lo general concebida y evaluadas como resultado de dos diferentes conjuntos de circunstancias. En el primero de estos, un ingeniero de dise!o encuentra una idea, como consecuencia de e"perimentos o intereses anteriores. a naturaleza de los problemas que debe resolver los ingenieros varía dependiendo de las diferentes ramas de la ingeniería. &e %ec%o, un solo ingeniero puede afrontar un gran número de problemas durante el curso de sus actividades diarias. &ebido a la veracidad de los dise!os de ingeniería, no e"iste un procedimiento o una lista de pasos definitiva que se adapte siempre a los problemas que surgen. os ingenieros están capacitado para pensar en t#rminos analíticos y objetivos y para enfrentar los problemas de manera metódica y sistemática. 'arios autores se dedican a escribir sobre la ingeniería y %an establecido una lista de pasos o frases que comprenden el m#todo de dise!o de ingeniería,, este m#todo normalmente incluye( la identificación del problema, recopilación de la información necesaria, búsqueda de soluciones creativas, pasos de la idea a los dise!os preliminares )incluyendo el modelo*, evaluación y selección de solución óptima, preparación de informes, planos y especificaciones y finalmente la puesta en práctica del dise!o.
a identificación del problema( un problema definido de manera adecuada es un problema parcialmente resuelto. +lantara correctamente el problema es un paso importante %acia su solución. na definición incorrecta o impropia del problema ocasionara que el ingeniero desperdicie tiempo y le puede llevar a una solución no apropiada o incorrecta. Es importante que las necesidades establecidas sean reales, un dise!o verdaderamente grande puede no tener valor si copia otros dise!os conocidos o si resuelve un problema que no le concierne a muc%a gente. $i lo que se dise!a es un producto, puede resultar difícil predecir el inter#s masivo y la comercialización resultante del dise!o propuesto. n análisis preliminar de mercado normalmente identificara a los usuarios potenciales, así como las estadísticas sobre dispositivos semejantes o m#todos y volúmenes de ventas. En la medida de lo posible el problema debe definirse en t#rminos objetivos y finalmente el problema no debe restringirse en e"ceso. $i son muc%as las limitaciones que se ponen al problema, si solución podría ser muy difícil y %asta imposibles. -ecopilación de información necesaria( una vez que un problema esta identificado y que las necesidades se %an definido de manera adecuada, el ingeniero debe comenzar a reunir la información y los datos que precisa para resolverlos. El tipo de información que se requiere dependerá, de la naturaleza del problema por resolver, esto puede consistir en mediciones físicas, resultados de e"piremos de laboratorios, patentes, resultados de encuestas o cualquier otro tipo de información. Esta fase del proceso de resolución de problemas implica la recopilación y evaluación de la información que ya está disponible. $i el ingeniero trabaja para una empresa probablemente buscara en viejos arc%ivos y entrevistara a otros empleados para ver si alguien más %a realizado algún trabajo parecido, posteriormente se deberá completar la información efectuando mediciones adicionales o realizando más e"perimentos de laboratorio, encuestas y otras actividades. En esta fase el ingeniero normalmente emprende una investigación bibliográfica para determinar lo que otros %an aprendido sobre problemas relacionados. alvez acudan a bibliotecas t#cnicas y consulten libros de te"to, artículos y catálogos de fabricantes. /inalmente vale la pena efectuar una investigación de patentes porque e"isten una infinidad de dise!os magníficos descritos con intrincados detalles legales, que pueden encontrarse en la lista cronológica de patentes. 0úsqueda de soluciones creativas( despu#s de completar los pasos preparativos del proceso de dise!o, el ingeniero está listo para comenzar a identificar las soluciones creativas. En realidad, el desarrollo de nuevas ideas, productos o dispositivos puede
ser producto de la creatividad, un esfuerzo subconsciente, o de la innovación, un esfuerzo cociente. E"isten varias t#cnicas operacionales que pueden utilizarse para ayudar a un grupo o a un individuo a producir ideas originales. Estas t#cnicas están dise!adas para capacitar a tal grupo o individuos a vencer los obstáculos para el pensamiento creativo. na de las t#cnicas más populares para la resolución de problemas en grupo es la lluvia de ideas. 1ormalmente, consiste en una reunión de personas que de manera espontánea proponen ideas sensibles para resolver un problema dado. En estas sesiones se deben alentar todas las ideas incluso todas aquellas que parecen impracticables. 2 así %acer un esfuerzo para generar tantas ideas como se posible. $e anima a los participantes a que cambien las ideas o traten de mejorarlas. En las sesiones de producción de ideas no se permite someter estas a críticas o evaluación. $e sugiere que los participantes en las sesiones procedan de diversas áreas y que se incluyan personas con poca e"periencia directa con el problema. as ideas producidas se registran y posteriormente son evaluadas por el mismo grupo, o por otro grupo o individuo. ista de verificación( una de las ideas más simples para generar nuevas ideas consiste en %acer una lista de verificación. Esto impulsa al usuario a e"aminar varios puntos o áreas y a concebir posibilidades y con esto poder %acer un listado de verificación que incluya formas que el dise!o pueda usarse para otros fines, si es posible modificarlo, reordenarse, agrandarse, reducirse y así sucesivamente. istado de características( otra t#cnica que se puede utilizar para producir ideas originales para la resolución de problemas es el listado de características. En esta t#cnica se aíslan y ordenan en forma de lista todas las características o atributos principales de un producto, objeto o idea. &espu#s, por cada característica, se %ace un listado de las formas en que esta se puede cambiar. $e incluyen todas las ideas sin importar las irreales, cada una de ellas se acalia, sacando a la luz sus mejores posibilidades que se pueden %acer en el dise!o del producto o sistema. #cnica de relación forzada( Es otra t#cnica operacional que los individuos pueden utilizar para generar ideas, en la cual se fuerza una relación entre dos o más ideas o productos, normalmente independientes entre sí, para comenzar el proceso de generación de ideas. na de las tales t#cnicas consiste en seleccionar el elemento constante de la relación forzada o artificial entre el elemento constante de la relación forzada o artificial entre el elemento constante y el elemento escogido al azar. Esto es la base para una lista de flujo libre de asociación, de las cuales pueden surgir ideas nuevas y originales.
Análisis morfológico( es una t#cnica operacional para la generación de ideas, atribuida a /ritz 34ic5y, la cual implica %acer un listado de todas las soluciones concebibles teóricamente. En esta t#cnica primero se define el problema en t#rminos de sus dimensiones o parámetros y se idea un modelo que permita concebir cada solución posible. +ara una solución con solo dos paramentos se deberá mostrar en el primero varias soluciones posibles al parámetro y en el segundo deberá mostrar alternativas posibles para el otro parámetro. Esta disposición permite al usuario e"aminar los efectos combinados de las características d las variables. +aso de la idea a los dise!os preliminares( el ingeniero esta a%ora listo para pasar de los dise!os preliminares. Este es el núcleo del proceso de dise!o y es la fase que más depende de la e"periencia y del buen juicio del ingeniero. Aquí es donde se descartar las ideas que ni funcionan y las ideas que prometen se rodean y modifican para formar planos y dise!os funcionales. En esta etapa tal vez se requiera tomar muc%as decisiones sobre las presentaciones, configuraciones, materiales, dimensiones y otras especiaciones alternativas. 6uizás sea necesario dibujar bocetos conceptuales, %acer planos preliminares y pensar en las especificaciones de material. os dise!os preliminares pueden evolucionar a trav#s de análisis o de la síntesis. El análisis implica la división de un todo en las partes que lo conforman para estudiar en forma individual. a síntesis implica la combinación de %ec%os, principios o leyes en una idea general que proporcionara un resultado deseado o que resolverá el problema. En esta dase es necesario someter las posibles soluciones a un cuidadoso escrutinio. Estas son e"aminadas y estudiadas cuidadosa y críticamente. E"isten muc%as maneras de %acer esto. En algunos casos, el boceto preliminar de un dispositivo o el análisis informal mostrar que no vale la pena considerar más una idea. En otros, se puede %aber necesitado de e"aminar un componente mediante pruebas de laboratorio. 2 finalmente, en otros más será necesario efectuar un programa de investigación completo y formal para e"aminar la validez de una %ipótesis o la eficacia de una solución propuesta. 7odelos matemáticos( consiste en una ecuación o grupo de ecuaciones que representa un sistema físico. 7uc%os de los fenómenos físicos pueden describirse mediante modelos matemática. ales modelos pueden estar basados en teorías o leyes científicas que siguen siendo válidas en el paso del tiempo. 7odelos de simulación( cuando se estudian sistemas complejos los ingenieros emplean estos modelos, los cuales pueden tener incorporados modelos matemáticos empíricos como componentes del modelo completo. $e desarrollan modelos de computadora para describir el comportamiento del dise!o.
7odelos físicos( desde %ace tiempo los ingenieros %an utilizado modelos físicos para obtener un mayor conocimiento de los fenómenos complejos, estos modelos probablemente constituyen el m#todo más antiguo del dise!o estructural. Algunas veces los modelos se construyen de tama!o natural, pero con frecuencia se construyen a una escala menor. al vez el, mayor valor de los modelos físicos estribe en que permiten al ingeniero estudiar un dispositivo, estructura o sistema con muy poco o ningún conocimiento previo de su comportamiento, o sin que tenga la necesidad de %acer suposiciones que lo simplifiquen. Alguno de las investigaciones más útiles de viento donde se estudia y se toman notas sobre el comportamiento y características del modelo físico, con esto se podrá detectar errores en el dise!o y se podrá llegar a la mejor de las solucione. Evaluación y selección de la solución óptima( conforme evoluciona el proceso de dise!o de ingeniería, tal vez el ingeniero debe evaluar una y otra vez las formas alternativas de resolver el problema. 1ormalmente, el ingeniero de carta las alternativas de dise!o que parecen no prometer, produciendo un conjunto cada vez menor de opciones. +ueden suscitarse repetidamente etapas de retroalimentación, modificación y evaluación, conforme el dispositivo o sistema evolución de conceptos a dise!o final. &ependiendo de la naturaleza del problema, la evaluación puede basarse en un cierto número de factores. $i se trata de un producto, con frecuencia la seguridad, el costo, la confiabilidad y la aceptación por el consumidor son de la mayor importancia. al vez la forma más directa de evaluar un producto es crear un prototipo y simplemente probar su operación. En algunos casos el prototipo puede no funcionar debido a uno o más componentes del dise!o. El dise!ador deberá tratar de identificar todos los eslabones d#biles de un prototipo antes de aceptar o desec%ar la idea. El esquema de optimización puede resultar muy difícil cuando el dise!ador requiere un operador %umano y una interface %ombre máquina. Esta dificultad surge porque no %ay seres %umanos iguales. as diferencias básicas entre seres %umanos %acen que el factor %umano del dise!o sea difícil de cuantificar. Además de las evaluaciones de rutina que %acen los ingenieros acerca de un dispositivo o un sistema, a menudo se necesitan evaluaciones más formales y estructuradas. Esto se ve especialmente en los proyectos de obras públicas, que deben ser evaluados desde el punto de vista de grupos en competencia y a menudo en conflicto. Análisis económico( en los últimos cincuenta a!os los ingenieros %an utilizado análisis económicos como la %erramienta de toma de decisiones para la construcción de sus dise!os. 8onceptualmente tales análisis intentan comprar los beneficios públicos de las obras con los costos de su suministro.
$e pueden utilizar estudios ecónomos para determinar la factibilidad de un proyecto, comparar dise!os alternativos, determinar la prioridad de construcción de un grupo de proyectos y evaluar características específicas del dise!o. En los análisis económicos es importante reconocer el valor temporal del dinero. &ebido a la e"istencia de los intereses. +or lo tanto con el fin de comparar costos y beneficios de un proyecto de ingeniería sobre una base sólida, estos se deben convertir a valores equivalentes de alguna fec%a común. A lo largo de los últimos a!os cada vez %a sido mayor el inter#s por los efectos que las obras de ingeniería pueden tener en la población y en el ambiente. ales proyectos pueden ocasionar la reubicación de familias y negocios y someter a los ciudadanos a contaminación. 7uc%os de estos efectos no pueden reducirse simplemente a una cantidad de dinero. $in embargo, e"isten t#cnicas que pueden ayudar al ingeniero, almenas %asta cierto punto, a cuantificar tales efectos. Estas t#cnicas normalmente implican la clasificación de proyectos alternativos en una escala basada en algunos criterios predeterminados. +reparación de informes, planos y especificaciones( una vez elegido el dise!o idóneo, se le debe informar a la persona que debe aprobarlo, apoyarlo y llevarlo a la realidad. Esta comunicación puede ser atravesó de un enfoque o un conjunto de planos o especificaciones. os informes de ingeniería por lo general se dirigen a un cliente o a un supervisor. os planos y las especificaciones son los medios que utiliza el ingeniero para describir a la división de algún fabricante o a un contratista los detalles necesarios del dise!o, de modo que se pude ser producido o construido. +uesta en práctica del dise!o( se podrá afirmar que una vez que se %an %ec%o los planos, las especificaciones y los informes de ingeniería, el proceso del dise!o %a terminado. $in embargo, lo cierto es que la fase final del dise!o es la ejecución, el proceso de producir construir un dispositivo físico, producto o sistema. os ingenieros deben planificar y estar al tanto de la producción de los dispositivos o productos, y supervisar la construcción de los proyectos de ingeniería. +or supuesto que barios ingenieros pueden intervenir en esta fase final. Esta es la culminación del proceso de dise!o. +ara el ingeniero dise!ar es la fase más satisfactoria de todas. as patentes se e"tienden para registrar ideas nuevas que se describen cine l detalle suficiente, para que puedan ser materializadas por un trabajador con una preparación y e"periencia normales en el campo de inter#s. a solicitud de patentes debe prepararse conforme a un formato especifico que incluye una descripción especifica de los antecedentes del problema, una descripción detallada del invento y una lista de las ideas nuevas que se reclaman en el invento, si esto implica procesos, maquinas, materiales, m#todos de fabricación o planos, entonces la patente se otorga por un periodo de tiempo determinado. &ise!o asistido por computadora( uno de los desarrollos más prometedores de la ingeniería es el uso cada vez más difundido de %erramientas automatizadas basadas en computadora, para procesamiento de información y toma de decisiones. En los
últimos a!os %a %abido toda una e"plosión en el desarrollo de dic%as %erramientas, conocidas como ingeniería asistida a computadora. En la actualidad e"isten varios de los llamados paquetes de soft4are clase universal con ellos se pueden %acer modelos geom#tricos, dise!o el#ctrico y mecánico, análisis estructural, simulación de sistemas t#rmicos planificación de procesos de fabricación y otros. El uso de estos sistemas en la práctica de la ingeniería se está convirtiendo casi en algo común en determinadas áreas, y algunas compa!ías %an alcanzado logros importantes utilizando tal t#cnica. $in embargo, en la mayoría de los casos muc%as %erramientas se %an desarrollado de manera independiente, y las aplicaciones se llevan a cabo en gran medida de una manera autónoma. Aprendizaje a partir de errores( a pesar de los mejores esfuerzos de los dise!os de ingeniería en ocasiones sus dise!os fallan. os errores de la ingeniería pueden atribuirse a una amplia variedad de causas, entre las que se tienen los que son cometidos por dise!adores ineptos o poco cuidadosos, imperfecciones en los materiales de construcción o en los fabricado e incertidumbre con respecto a su variabilidad, trabajos poco cuidadosos por parte del t#cnico u obreros que materializan el dise!o o la comunicación deficiente entre ingenieros, t#cnicos, administradores y obreros que producen o construyen el dise!o.
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L"pe* ,al/án Miguel 0ngel -C.%
