Técnicas de Diseño e Ingeniería: Materiales, Herramientas y Estructuras

Metrología

El ser humano ha sentido la necesidad, desde hace miles de años, de establecer una unidad de medida patrón para calcular. La unidad de medida patrón de longitud es el metro.

• Metro: Es la diezmillonésima parte de un cuadrante del meridiano terrestre.
• Medir: Medir es comparar una magnitud con otra que se ha tomado como patrón.

Instrumentos de medida lineales

• Aparato: Metro plegable.

Características:

• Se abren normalmente de 20 en 20 cm.
• De acero o de aluminio duradero.
• Graduados en mm y cm.

Se utiliza para: Construcción.

• Aparato: Metro enrollable.

Características:

• Construido con cintas flexibles de acero.
• Graduados en mm y a veces en pulgadas.
• Ligeramente curvado para dar rigidez al metro hasta determinada longitud.
• Enrollamiento en la caja del metro.

Se utiliza para: Cualquier taller.

• Aparato: Cintas métricas.

Características:

• Parecidos a los metros enrollables.
• Longitud entre 10 y 50 m.
• Suelen fabricarse con materiales textiles.
• Para medir salto de longitud.

Se utiliza para: Medir fincas o terrenos.

• Aparato: Reglas graduadas.

Características:

• Acero templado y sección rectangular.
• Trazados y dimensiones.
• Se realizan en mm.

Se utiliza para: Medir pequeñas dimensiones.

Instrumentos para la medida de ángulos

• Transportador: Son los instrumentos más sencillos para medir o transportar ángulos. Se fabrican en chapa de acero para uso en taller y en materiales transparentes para delineado, cuyo ángulo está dividido en secciones sexagesimales en grados y minutos.
• Falsas escuadras: Instrumentos de poca precisión que se suelen utilizar para transportar ángulos de un modelo ya construido a otro que se desea construir.
• Nivel: Son instrumentos que sirven para verificar la horizontalidad de las superficies planas y, a veces, la verticalidad. Para medir la horizontalidad y verticalidad se utilizan los niveles.

Materiales - La Madera

Clasificación de los materiales según su origen

• Animal: Seda, cuero, lana.
• Vegetal: Caucho, madera, corcho.
• Mineral: Caliza, pizarra, metales.

Clasificación de los materiales según su proceso de elaboración

• Naturales: Se obtienen directamente de la naturaleza. Ejemplos: Algodón.
• Transformados: Se forman a partir de productos naturales. Ejemplo: Mesa.
• Sintéticos: Se sintetiza la madera para formar otros. Ejemplo: Plástico.

Los árboles como recurso para obtener madera

• Caducifolios:
  • Son de hoja caduca.
  • Crecimiento lento.
  • Madera dura.
  • Ejemplos: Roble, haya, cerezo, nogal.
• Perennifolios:
  • Hoja perenne.
  • Crecimiento rápido.
  • Madera blanda.
  • Ejemplos: Pino, abeto, tejo, cedro.

Partes de un árbol y sus funciones

• Raíz: Absorbe sales minerales y sujeta la planta.
• Tronco: Permite la circulación de la savia.
• Hojas: Transpiración, respiración y fotosíntesis.
• Frutos: Reproducción (semilla).

Partes del tronco del árbol

• Corteza: Es la capa más externa del árbol y está constituida por células muertas. Protege la planta de los agentes atmosféricos.
• Cambium: Está formado por dos finas capas de células; una interna llamada xilema, que formará la albura y el último anillo de crecimiento; y la capa externa, llamada floema, que formará la corteza.
• Duramen: Es la madera propiamente dicha y se encuentra entre la albura y la médula.
• Médula: Situada en el eje y centro del árbol, presenta forma cilíndrica. Es la parte más antigua del árbol.

El tronco del árbol presenta una serie de anillos dispuestos de forma concéntrica, llamados anillos de crecimiento. Cada anillo representa un año de vida del árbol.

Proceso de obtención de la madera

1. Tala y apeo: Cortar el árbol en el bosque.
2. Transporte: Factores como la orografía e infraestructuras influyen en el transporte, que puede ser por:
   • Tren.
   • Barcos.
   • Ríos.
3. Aserrado:
   • Descortezar.
   • Hacer tablas o tablones.
4. Secado:
   • Natural: Torres de tablas o tablones al aire.
   • Artificial:
     • Vaporización.
     • Secado a través de inmersión.

Defectos de la madera

• Naturales: Heridas, grietas, nudos.
• Por mal secado: Torsión y grietas.

Propiedades de la madera

• Densidad: D = M/V. Es la relación que existe entre la masa y el volumen de la madera. Depende de su dureza.
• Dureza: Depende de la velocidad de crecimiento de la madera. Puede ser doblada. Será más flexible cuanto más verde, joven y blanda sea la madera.

El corcho

Es un material poroso, impermeable y ligero que se obtiene de ciertos árboles, como el alcornoque. El proceso de obtención es el descorche.

Aplicaciones del corcho

• Tapones de vino.
• Aislantes térmicos y acústicos.
• Cercas.
• Moda, belenes, trabajos manuales.

El caucho

Es una goma elástica que se obtiene de la savia o látex de ciertos árboles tropicales, si bien el más utilizado es el Hevea brasiliensis. El caucho bruto puede resistir temperaturas relativamente bajas, entre 50 ºC y 60 ºC.

Vulcanizado: Consiste en calentar en un autoclave (recipiente hermético o cerrado) el caucho en polvo de azufre a unos 140 ºC.

Aplicaciones del caucho

• Neumáticos de coches y bicicletas.
• Gomas elásticas.
• Suelas de calzado.
• Colchones y guantes de látex.

Trabajo en el taller con madera

Operaciones de medida y trazado

• Reglas (metálicas).
• Escuadras.
• Punzón.
• Compás de puntas.
• Compás.
• Gramil.

Métodos y herramientas de sujeción

• Clips, sargento, presilla.
• Tornillo de banco.
• Entenalla.
• Tenazas (tenaza de presión).

Gramil: Se utiliza para trazar líneas paralelas a las aristas de una pieza.

Técnicas y herramientas para cortar

Herramientas de corte con desprendimiento de virutas

• Sierra de arco.
• Serrucho.
• Segueta o sierra de pelo.
• Serrucho de costilla.

Herramientas de corte sin desprendimiento de virutas

• Hilo térmico de corte.
• Técnicas y herramientas para cortar papel.
• Herramientas térmicas para cortar modelos en porexpán y derivados.
• Tijera de chapa.
• Cortador de tubo.
• Cúter.
• Hilo térmico.

Técnicas y herramientas para perforar y taladrar

Herramientas para perforar

• Tijera.
• Punzón.
• Tenazas de perforar.
• Sacabocados.
• Taladro de papel.
• Barrena.

Herramientas para taladrar

• Berbiquí.
• Taladro manual.
• Taladro eléctrico.

Tipos de uniones

Adhesivos (pegamentos)

• Cola de carpintero.
• Cola blanca.
• Pegamento de barra.
• Pegamento universal.
• Pegamento termofusible (pistola de cola termofusible).

Unión con clavos

Existen clavos de distintos tamaños, grosores y formas. Para utilizar los clavos es necesario el martillo.

• Martillo de peña.
• Martillo de uña o martillo de oreja.
• Martillo de ebanista.

Unión con remaches

Remachadora manual y los herrajes.

Unión con soldador eléctrico

Se utiliza el soldador eléctrico e hilo de estaño.

Otros tipos de uniones fijas

• Cosido.
• Grapadora de tapicero.

Uniones desmontables

Elementos roscados

• Tornillo.
• Tirafondos.
• Tornillo-tuerca.

Herramientas

• Destornillador: Estrella, plano.
• Llaves: Inglesa, fijas, Allen.

Ensambles y acoplamientos en madera

• Escuadras.
• Abrazaderas.
• Unión con tornillos y tirafondos.

Uniones articuladas

Se caracterizan porque, además de unir dos piezas, permiten el desplazamiento o giro de una respecto a la otra.

Ejemplos:

• Bisagras.
• Juntas cardán.
• Cadena de bicicletas.

Estructuras

Elementos de una estructura

Las estructuras están formadas por elementos simples que, en conjunto, proporcionan al diseño rigidez y resistencia. Entendemos por elementos simples todos aquellos tramos en que una estructura se puede subdividir.

Elementos simples de una estructura

• Vigas: Se colocan horizontalmente dentro de la estructura, apoyándose en dos pilares destinados a soportar cargas.
• Cerchas: Vigas especiales que adoptan una disposición de celdillas triangulares que aumentan la rigidez de la estructura.
• Pilares: Son elementos que se colocan verticalmente y que tienen como misión servir de apoyo a vigas y cerchas.
• Columnas: Es un pilar de sección redonda. Con frecuencia se han utilizado como elemento arquitectónico ornamental.
• Tirantes y tensores: Tienen forma de cables y sirven para sujetar esfuerzos en las estructuras.

Estabilidad de las estructuras

La estabilidad de las estructuras depende de su centro de gravedad y de su base de sustentación.

• Base de sustentación: Es el punto de aplicación del peso (fuerza) de un cuerpo. La estabilidad de una estructura será tanto mayor cuanto más baja y ancha sea su base.

Estructuras estables o inestables

• Si la vertical que pasa por el centro de gravedad pasa también por la base de sustentación de una estructura, esta tendrá estabilidad.
• Si la vertical que pasa por su centro de gravedad no pasa por la base de sustentación, la estructura no tendrá estabilidad.

Tipos de esfuerzos en las estructuras

• Esfuerzo de tracción: Cuando dos fuerzas tienden a estirar un cuerpo.
• Esfuerzo de torsión: Cuando dos fuerzas tienden a retorcer un cuerpo.
• Esfuerzo de flexión: Cuando alguna fuerza tiende a doblar un cuerpo.
• Esfuerzo de compresión: Tiende a aplastar un cuerpo.
• Esfuerzo de cortadura o cizalladura: Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de cortadura cuando las fuerzas que soporta tienden a producir un desplazamiento por resbalamiento.
• Esfuerzo de pandeo: Es un esfuerzo combinado de compresión y flexión que se produce cuando la longitud de un perfil es determinante.

Esfuerzos que pueden soportar los perfiles

Para esfuerzos de tracción

• Perfiles cilíndricos.
• Barra.
• Cables.
• Pletinas y perfiles angulares, L, T, H.

Para esfuerzos de compresión

• Perfiles cerrados: cuadrado, círculo, rectángulo.
• Perfiles angulares que impiden su deformación lateral.

Rigidez de una estructura: Triangulación

La rigidez de una estructura se basa en la triangulación. Las celdillas que forman un triángulo no se deforman.

• Deformable.
• Indeformable: El triángulo es el único polígono que no se deforma cuando actúa sobre él una fuerza.

Ejemplo de cercha: Estructura formada a base de triángulos unidos entre sí.