Propiedades de los materiales inteligentes: piezoelectricidad, memoria geométrica, fotocromatismo, magnetoreostática, electroreostática y termoelectricidad

Piezoelectricidad:

“Cuando se deforma un material piezoeléctrico, emite una pequeña descarga eléctrica. Cuando lo atraviesa una corriente eléctrica, aumenta su tamaño hasta un máximo del 4% de su volumen. Estos materiales se usan ampliamente como sensores en distintos entornos. No se requieren detalles específicos de la estructura cristalina. Los materiales piezoeléctricos se pueden usar para medir la fuerza de un impacto, por ejemplo, en el sensor del airbag de un vehículo. El material siente la fuerza de un impacto en el vehículo y envía una carga eléctrica para activar el airbag.”(1)

Memoria geométrica:

“Las aleaciones con memoria geométrica son metales que tienen pseudoelasticidad y un efecto de memoria geométrica debido a la reorganización de sus moléculas. La pseudoelasticidad se produce sin que cambie la temperatura. La carga en las aleaciones con memoria geométrica genera una reorganización molecular, que se invierte cuando disminuye la carga y el material vuelve a su forma original. El efecto de memoria geométrica permite deformaciones extremas en un material, que puede volver a su forma original mediante su calentamiento. Entre las aplicaciones de la pseudoelasticidad se incluyen las monturas para gafas, herramientas médicas y antenas para teléfonos móviles. Algunas aplicaciones del efecto de memoria geométrica son las extremidades robóticas (manos, brazos y piernas). Es difícil replicar cualquier movimiento simple del cuerpo humano, por ejemplo, la fuerza de sujeción necesaria para tomar distintos objetos (huevos, bolígrafos, herramientas, etc.). Las aleaciones con memoria geométrica son fuertes y compactas, y se pueden usar para crear movimientos suaves y realistas. El control informático del tiempo y el tamaño de la corriente eléctrica que viaja a través de una aleación de memoria geométrica puede controlar el movimiento de una articulación artificial. Otros desafíos de diseño en cuanto a articulaciones artificiales incluyen el desarrollo de software informático para controlar sistemas musculares artificiales que sean capaces de movimientos suficientemente amplios y similares en velocidad y precisión a los reflejos humanos.”(1)

Fotocromatismo:

“El fotocromatismo hace referencia a un material que puede experimentar un cambio reversible de color cuando se expone a la luz. Una de las aplicaciones más populares son las lentes para gafas que cambian de color, que se pueden oscurecer cuando brilla el sol. Un componente químico, ya sea en la superficie de la lente o dentro del vidrio, reacciona a la luz ultravioleta, lo que provoca el cambio de forma y, por tanto, de sus espectros de absorción de luz.”(1)

Electroestáticidad y Magnetoreostaticidad:

“Los materiales electroreostáticos y magnetoreostáticos son fluidos que pueden experimentar cambios drásticos en su viscosidad. Estos materiales pueden variar de fluido espeso a sólido en una fracción de segundo al exponerse a un campo magnético (materiales magnetoreostáticos) o eléctrico (materiales electroreostáticos), y el efecto se invierte cuando desaparece el campo. Los fluidos magnetoreostáticos se están desarrollando para su uso en amortiguadores de choque, amortiguadores de lavadoras, miembros protésicos, equipamiento para ejercicios y pulido de superficies en piezas de maquinarias. Los fluidos electroreostáticos se han desarrollado fundamentalmente para su uso en embragues y válvulas, así como soportes para motores diseñados para reducir el ruido y las vibraciones en los vehículos.”(1)

Termoelectricidad:

“La termoelectricidad es, en su forma más simple, la electricidad generada directamente a partir del calor. Requiere la unión de dos conductores distintos que, al calentarse, generan una corriente directa. Los circuitos termoeléctricos se han usado en zonas remotas y sondas espaciales para alimentar transmisores y receptores.”(1)

Referencias:

(1) Material de Ayuda al profesor de Tecnología del diseño (ibo.org)

 

Características estéticas: gusto, olfato, apariencia y textura

“Algunas características estéticas son solo pertinentes para los alimentos, mientras que otras se pueden aplicar a más de un grupo de materiales. Aunque estas propiedades activan los sentidos humanos, las respuestas ante ellas varían de una persona a otra y resultan muy difíciles de cuantificar científicamente, a diferencia de las otras propiedades.” (1)

Son las características que activan los sentidos: vista (color o forma del producto), audición (sonidos producidos por el producto), tacto (textura del producto), olor o sabor. Hacen que el producto sea atractivo para el usuario. Son subjetivas, altamente dependientes de la cultura del usuario. Para determinar las adecuadas se necesita conocer bien al público objetivo.

Lo que determina el atractivo estético es cuando un producto es atractivo a la vista o agradable de experimentar. Se perciben a través de nuestros sentidos. Que un producto sea atractivo de ver o agradable de experimentar determina su atractivo estético.

Olfato: la capacidad de percibir olores  florales, leñosos o resinosos, frutales no cítricos, olores químicos, mentolados o refrescantes, dulces, quemado o ahumado…

Gusto: agrio, dulce, picante.

Sonido: relacionado con los tonos pero también con el sonido de una manzana crujiente o una bolsa de chips / crujientes que produce un sonido crujiente.

Textura: es cómo se siente o se ve algo, puede ser rugoso o suave.

Apariencia: el diseño de la apariencia en un producto debe ser estéticamente agradable para atraer a un cliente. a menos que sea para un determinado mercado.

  • Color: puede ser cálido (por ejemplo, marrones) o frío (por ejemplo, azul) puede tener efectos psicológicos (por ejemplo, los verdes son relajantes)
  • Forma: geométrica u orgánica.

Algunas características estéticas solo son relevantes para los alimentos, mientras que otras se pueden aplicar a más de un grupo de materiales. Aunque estas propiedades activan los sentidos de las personas, las respuestas a ellas varían de un individuo a otro, y son difíciles de cuantificar científicamente, a diferencia de las otras propiedades.

Referencias:

(1) Material de Ayuda al profesor de Tecnología del diseño (ibo.org)

 

Propiedades mecánicas: tensión de rotura y esfuerzo de compresión, rigidez, dureza, ductilidad, maleabilidad, elasticidad, plasticidad, módulo de Young, tensión mecánica y deformación

“Las propiedades mecánicas son las que describen el comportamiento de un material ante las fuerzas aplicadas sobre él, por eso son especialmente importantes al elegir el material del que debe estar construido un determinado objeto.” (1)

Tensión de Rotura y esfuerzo de compresión:

Tensión es la reacción que se produce en el interior de la pieza a ensayar, cuando sobre ésta se aplica una carga. La tensión es siempre de la misma magnitud y de sentido contrario a la carga aplicada. Se mide en Pascales, que es la tensión que genera una carga de un Newton de fuerza aplicada sobre una superficie de un metro cuadrado. Esta unidad suele ser muy pequeña para medir las tensiones a las que están sometidos los materiales, por lo que también se suele utilizar el megapascal (Mp un millón de veces mayor). En ocasiones se utiliza el Kg/cm2.
Según el punto de aplicación, la dirección y el sentido de la carga podemos diferenciar tres tipos de tensión: tensión de tracción, tensión de compresión y tensión tangencial.

  • Tensión de tracción es la que se opone a una fuerza que tiende a estirar el cuerpo. Se produce sometiendo al cuerpo a dos cargas de igual dirección, sentido contrario y divergentes.

“La tensión de rotura (resistencia a la tracción) es importante a la hora de elegir materiales para cuerdas y cables, por ejemplo, en un ascensor.”

  • Tensión de compresión es la que se opone a una fuerza que tiende a comprimir el cuerpo. Se produce sometiendo al cuerpo a dos cargas de igual dirección y sentido contrario y convergente.
  • Tensión tangencial es la que se opone a un movimiento de torsión o de desplazamiento de una parte del cuerpo hacia otra. Se produce sometiendo al cuerpo a dos cargas de direcciones paralelas y sentido contrario, convergente o divergente. También se denomina tensión de corte, cizalla o flexión.

Rigidez:

La rigidez es la resistencia de un cuerpo elástico a la deformación al aplicarle una fuerza. Existen varias maneras de medir la rigidez del material dependiendo del estado de tensión al que está sometido. Estos incluyen el módulo de elasticidad (también conocido como módulo de Young), el módulo de cizalladura (también conocido como módulo de elasticidad transversal) y el módulo de compresión.

“La rigidez es importante cuando mantener la forma resulta fundamental para el rendimiento, por ejemplo, en el ala de un avión.”

Dureza:

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones físicas como la penetración, la abrasión y el rayado. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el metal es mucho más difícil de rayar.

“La dureza es importante en caso de abrasión o cortes.”

Tenacidad:

Capacidad de un material de deformarse sin romperse bajo la acción de una fuerza. Lo contrario a la tenacidad es la fragilidad.

Ductilidad:

“La ductilidad es importante en la extrusión de materiales (no confundir con la maleabilidad, que es la capacidad de moldearse plásticamente).”

Se conoce como ductilidad a la propiedad de aquellos materiales que, bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse en forma de hilo sin llegar a romperse. La ductilidad depende de la temperatura.

Maleabilidad:

Se conoce como maleabilidad a la propiedad de aquellos materiales que, bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse en forma de láminas sin llegar a romperse. La maleabilidad depende de la temperatura.

Elasticidad:

Elasticidad es la propiedad mecánica que tienen ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.

Plasticidad:

La plasticidad es un comportamiento característico de ciertos materiales anelásticos consistente en la capacidad de deformarse permanente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elástico, es decir, por encima de su límite elástico.

Modulo de Young:

El módulo de Young también conocido como módulo de elasticidad, es una medida de la rigidez de un material elástico y es una cantidad utilizada para caracterizar los materiales. Se define como la relación de la tensión (la fuerza por unidad de área) a lo largo del eje a la tensión (relación de deformación sobre la longitud inicial) a lo largo de ese eje en el rango de tensión. Es un parámetro característico de cada material que indica la relación existente (en la zona de comportamiento elástico de dicho material) entre los incrementos de tensión aplicados (ds) en el ensayo de tracción y los incrementos de deformación longitudinal unitaria (de) producidos.

 

Equivale a la tangente en cada punto de la zona elástica en la gráfica tensión-deformación (s-e) obtenida del ensayo de tracción.

 

Ejemplo:
Imagina que a una goma y a un metal le aplicamos la misma tensión, observaremos una deformación elástica mucho mayor en la goma comparada a la deformación del metal. Esto demuestra que el módulo de Young en el metal es más alto que en la goma y, por tanto, es necesario aplicar una tensión mayor para que él sufra la misma deformación verificada en la goma.

Tensión mecánica:

Se define como la fuerza por unidad de área de un material y normalmente se determina aplicando una fuerza de tracción a una muestra de material.

Tensión mecánica (sigma) es igual a la fuerza partida del área transversal:

En el Sistema Internacional, la unidad de la tensión mecánica es el pascal (1 Pa = 1 N/m²).

Deformación:

La deformación o alargamiento se produce cuando sometemos un material a una carga, este material experimenta tensión y deformación. La deformación es el cambio en las dimensiones del cuerpo. Se puede medir en unidades de longitud, área o volumen, pero estas medidas van a depender del tamaño de la muestra. No es lo mismo una deformación de 1mm en una muestra de 1 cm, que en una carretera de 1 Km. Para dar cifras generales la deformación se expresa en tanto por ciento. Para ello se divide el cambio en la dimensión entre la dimensión original y se multiplica por 100.

Cuando se libera la carga a la que sometemos al material, la tensión desaparece pero la deformación puede desaparecer o no. En función de esto tenemos dos tipos de deformación: deformación elástica y deformación plástica.

Deformación elástica es la que desaparece por completo cuando el material se descarga. Esta recuperación de la forma primitiva se produce por la tendencia de los átomos a recuperar su distancia interatómica, alterada por la carga ejercida. Durante la deformación elástica se produce un cambio volumétrico que se recupera al cesar la carga.

Deformación plástica es la que es la que no se recupera al cesar la carga aplicada. Esta deformación se produce porque se ha forzado la distancia interatómica y las uniones atómicas se han roto, por lo que no hay ninguna fuerza que tienda a recuperar la situación anterior. Los átomos se desplazan en su posición, sin que haya cambio volumétrico pero sí de forma.

Referencias:

(1) https://www.edu.xunta.es/espazoAbalar/sites/espazoAbalar/files/datos/1464947174/contido/22_propiedades_mecnicas.html (Consultado el 18-04-2019)

Bibliografía:

http://www4.tecnun.es/asignaturas/pulvimetal/docs/Tema113.pdf

https://www.edu.xunta.gal/centros/iesarcebispoxelmirez/aulavirtual2/pluginfile.php/8778/mod_resource/content/0/TEC_II_Ensayos.pdf

https://www.feandalucia.ccoo.es/docu/p5sd8567.pdf

 

Propiedades físicas: masa, peso, volumen, densidad, resistividad eléctrica, conductividad y expansión térmicas, y dureza

Las propiedades físicas de un material son aquellas propiedades que pueden determinarse sin daño o destrucción (sin necesidad de realizar pruebas destructivas) y se relacionan con la interacción del material con la energía y la materia en sus diversas formas. 

Masa

“La masa expresa la cantidad de materia que hay en un objeto o un cuerpo.” (1) La unidad básica del Sistema Internacional para la masa es el Kilogramo (kg).

Peso

El peso es la fuerza con la que un cuerpo más masivo atrae a otro, en nuestro caso habitualmente ese cuerpo más masivo es la tierra. El peso es una fuerza y representa la masa de un objeto bajo la acción de la gravedad y se expresa mediante la segunda ley de Newton:

P = m · g

P = peso

m = masa

g = aceleración debida a la gravedad medida en m/s²

En la superficie terrestre la aceleración tiene un valor aproximado de 9,8 m/s² mientras que por ejemplo en la Luna ese valor es solamente 1,6 m/s² por lo que se entiende que el peso es variable.

Al ser una fuerza, en el Sistema Internacional se mide en Newtons:

1 N = 1 kg · 1 m/s²

N = Newton

kg = kilogramo

m/s² = metros / segundos al cuadrado

Volumen

“El volumen como magnitud es entendido como el espacio que ocupa un cuerpo.(2) La unidad de medida de volumen en el Sistema Internacional de Unidades es el metro cúbico. Para medir la capacidad se utiliza el litro (l). Por razones históricas, existen unidades separadas para ambas, sin embargo están relacionadas por la equivalencia entre el litro y el decímetro cúbico:

1 dm3 = 1 litro = 0,001 m3 = 1000 cm3.
1 m3 = 1.000 l

Densidad

La densidad es una propiedad física característica de cualquier materia. Es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo (m/v); es decir, es la cantidad de materia (masa) que tiene un cuerpo en una unidad de volumen. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico.

ρ = (se lee ro es una letra griega) densidad expresada en  kg/m³
m = masa expresada en kg
V = volumen expresado en m³
Cada sustancia/material, en su estado natural, tiene una densidad característica.

 

“La densidad es importante en relación con el peso y el tamaño del producto (por ejemplo, para su transporte). La comida envasada se vende por peso o volumen, y se requiere una consistencia concreta.”(5)

Resistividad  y conductividad eléctrica

La resistividad y la conductividad eléctrica hacen ambas referencia a la dificultad o facilidad para pasar los electrones a través de un determinado material, son propiedades físicas inherentes a los materiales y determinan si un material es buen o mal conductor de la electricidad o buen o mal aislante.

La resistencia eléctrica de una material a la oposición que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica.

La resistencia eléctrica se representa con la letra R, y se mide en el Sistema Internacional en Ohmios (Ω).

“La resistividad es la resistencia eléctrica específica de un determinado material a través de una determinada sección del material. Se designa por la letra griega ρ  y se mide en ohm•metro (Ω•m) ​”(4)

R = es la resistencia eléctrica en ohmios

= es la sección transversal del material en m²

= es la longitud en m

Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica: un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que un valor bajo indica que es un buen conductor.

La resistividad es la inversa de la conductividad eléctrica; por tanto, ρ = 1/σ.

“La resistividad eléctrica es importante para elegir materiales conductores o aislantes.”(5)

La conductividad eléctrica (símbolo σ) es la medida de la capacidad de un material o sustancia para dejar pasar la corriente eléctrica a través de él. La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material. Los metales son buenos conductores porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles, y esto permite su movimiento. La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material, y de la temperatura.

La conductividad es la inversa de la resistividad ; por tanto, , y su unidad en el Sistema Internacional es el Siemens/metro equivalente a Ω−1·m−1.

Conductividad y expansión térmica

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales  que mide la capacidad de conducir calor. Esta propiedad depende principalmente del material y la temperatura.

En los metales es alta mientras que en los materiales cerámicos y los polímeros es baja.

“La conductividad térmica es importante para los objetos que se van a calentar, los que son conductores o los que se deben aislar de ganancias o pérdidas de calor.”(5)

“La expansión térmica es el incremento en el volumen de un material a medida que aumenta su temperatura; por lo general, se expresa como un cambio fraccionario en las medidas por unidad de cambio de temperatura. Cuando el material es sólido, la expansión térmica se describe en términos de cambio de longitud, altura o grosor. Si el material es líquido, por lo general se describe como un cambio de volumen. Debido a que las fuerzas de unión entre átomos y moléculas varían de material a material, los coeficientes de expansión son característicos de los elementos y compuestos.”(6)

“La expansión térmica (expansividad) cobra importancia cuando se unen dos materiales distintos. Estos pueden experimentar posteriormente grandes cambios de temperatura mientras permanecen unidos.”(5)

Dureza

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones físicas como la penetración, la abrasión y el rayado. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el metal es mucho más difícil de rayar.

“La dureza es importante cuando se requiere resistencia frente a la penetración o los arañazos. Las baldosas de cerámica son extremadamente duras y resistentes a los arañazos.”

Referencias:

(1) A. 2018,11. Concepto de Masa. Equipo de Redacción de Concepto.de. Obtenido 2019,04, de https://concepto.de/masa/)

(2) A. 2019,03. Concepto de Volumen. Equipo de Redacción de Concepto.de. Obtenido 2019,04, de https://concepto.de/volumen/

(4) Física universitaria con física moderna Volumen 2, página 851. Sears y Zemansky, decimosegunda edición. Año 2009.

(5) Material de Ayuda al profesor de Tecnología del diseño (ibo.org)

(6) http://spanish.amadamiyachi.com/glossary/glossthermalexpansion (consultado el 18-04-2019)

Bibliografía:

https://ingemecanica.com/tutoriales/unidadesdemedida.html (consultado el 17-04-2019)

T4.1 Propiedades de los materiales

Idea fundamental:

Los materiales se seleccionan para fabricar productos, principalmente en función de sus propiedades.

Naturaleza del diseño:

El ritmo veloz de los descubrimientos científicos y las nuevas tecnologías ha tenido un impacto determinante en la ciencia de los materiales, y ha permitido que los diseñadores puedan elegir muchos más materiales para sus productos. Estos nuevos materiales han permitido crear nuevos productos “inteligentes” o mejorar diseños clásicos. La elección del material adecuado es una tarea compleja y difícil que requiere tener en cuenta propiedades físicas, estéticas y mecánicas adecuadas. También hay que considerar las cuestiones ambientales, morales y éticas que conlleva la elección de materiales para su uso en cualquier producto, servicio o sistema. 

El papel de la ciencia y la tecnología en el diseño

2.1. Tanto la ciencia como la tecnología tienen una relación fundamental con el diseño. La tecnología precede a la ciencia, pero hoy en día la mayoría de los desarrollos tecnológicos están basados en los conocimientos científicos.

Objetivos:

Objetivo general 2:Con frecuencia, los ingenieros desarrollan materiales que tienen propiedades concretas. El desarrollo de nuevos materiales posibilita que los ingenieros creen nuevos productos, lo que permite solucionar problemas existentes de distintas formas. Por ejemplo, la explosión de materiales plásticos que se produjo tras la Segunda Guerra Mundial permitió fabricar productos sin usar metales valiosos.

Guía de Tecnología del Diseño – Primeros exámenes: 2020

4.1 Propiedades de los materiales (Resumen guía Tecnología del Diseño)

Idea fundamental: Los materiales se seleccionan para fabricar productos, principalmente en función de sus propiedades.

4.1 Propiedades de los materiales

Naturaleza del diseño:

El ritmo veloz de los descubrimientos científicos y las nuevas tecnologías ha tenido un impacto determinante en la ciencia de los materiales, y ha permitido que los diseñadores puedan elegir muchos más materiales para sus productos. Estos nuevos materiales han permitido crear nuevos productos “inteligentes” o mejorar diseños clásicos. La elección del material adecuado es una tarea compleja y difícil que requiere tener en cuenta propiedades físicas, estéticas y mecánicas adecuadas. También hay que considerar las cuestiones ambientales, morales y éticas que conlleva la elección de materiales para su uso en cualquier producto, servicio o sistema. (2.1)

Conceptos y principios:

  • Propiedades físicas: masa, peso, volumen, densidad, resistividad eléctrica, conductividad y expansión térmicas, y dureza
  • Propiedades mecánicas: tensión de rotura y esfuerzo de compresión, rigidez, dureza, ductilidad, elasticidad, plasticidad, módulo de Young, tensión mecánica y deformación
  • Características estéticas: gusto, olfato, apariencia y textura
  • Propiedades de los materiales inteligentes: piezoelectricidad, memoria geométrica, fotocromatismo, magnetoreostática, electroreostática y termoelectricidad

Orientación:

  • Contextos de diseño en los que las propiedades físicas, mecánicas o estéticas son importantes
  • Contextos de diseño en los que se explotan las propiedades de los materiales inteligentes
  • Uso de gráficos de tensión y deformación y de diagramas de selección de materiales para identificar adecuadamente los materiales

Mentalidad internacional:

  • Es probable que los materiales inteligentes se desarrollen en regiones y países concretos y que sus beneficios estén limitados globalmente a corto plazo.

Teoría del Conocimiento:

  • ¿Hace el uso de terminología especializada que la conformación del conocimiento sea más notable en algunas áreas del conocimiento que en otras?

Utilización:

  • Temas 2, 3, 8 y 10 de Tecnología del Diseño
  • Evaluación interna de Tecnología del Diseño
  • Tema 2 de Biología
  • Opción A de Química
  • Tema 7 de Física
  • Artes Visuales

Objetivos generales:

  • Objetivo general 2: Con frecuencia, los ingenieros desarrollan materiales que tiene propiedades concretas. El desarrollo de nuevos materiales posibilita que los ingenieros creen nuevos productos, lo que permite solucionar problemas existentes de distintas formas. Por ejemplo, la explosión de materiales plásticos que se produjo tras la Segunda Guerra Mundial permitió fabricar productos sin usar metales valiosos.

Guía de Tecnología del Diseño – Primeros exámenes: 2020