En los procesos de
diseño y construcción de objetos técnicos, nos vemos obligados a elegir entre
varios materiales para el desempeño de una determinada tarea. Para elegir un
material debemos considerar cuatro aspectos:
- Sus propiedades (dureza,
densidad, conductividad, etc.) y sus cualidades estéticas (color,
textura, etc.) deben de ser adecuadas para la función que ha de
desempeñar.
- Debemos disponer de los conocimientos técnicos
y de las herramientas necesarias para su manipulación.
- El material debe de estar disponible y a un
precio razonable.
- El impacto medioambiental durante la fabricación uso y desecho.
- Durante el proceso de diseño debemos considerar como afectará nuestro objeto al medio ambiente, durante la construcción, la utilización y el desecho. El abuso de materiales no reciclables puede acabar con los recursos y convertir nuestro entorno en un vertedero. Es por ello que debemos plantearnos reciclar materiales disponibles para nuestros diseños, siempre que sea posible.
Materiales tan
cotidianos como la madera, el hierro o el papel, no se encuentran en la
naturaleza, tal como los vemos en la calle, si no que sufren un proceso de
transformación que convierte a las materias primas como la celulosa o el
mineral de hierro, en papel o en barras metálicas. A los materiales que
obtenemos directamente de la naturaleza, les llamamos materias primas y
a los materiales obtenidos a partir de ellas les llamaremos materiales
elaborados.
Los materiales que
nosotros empleamos se encuentran ya en distintos formatos comerciales, como:
listones, chapas, hilos, barras, bloques, etc.
Como hemos comentado
en el apartado anterior el primero de los factores a tener en cuenta son las
propiedades, en función de la misión que tiene que desempeñar el objeto que
estamos diseñando. Estas propiedades se refieren a varios aspectos:
- Propiedades físicas.
- Propiedades mecánicas.
- Propiedades eléctricas y magnéticas.
- Propiedades ópticas.
- Propiedades estéticas.
PROPIEDADES FISICAS
Las propiedades
físicas se refieren a aspectos relacionadas con los fenómenos físicos que
afectan a los materiales, como el calor, o las dimensiones.
DENSIDAD
La densidad es la
relación entre la masa y el volumen de un cuerpo, o dicho de otra forma la masa
correspondiente a una unidad de volumen.
Material
|
Densidad en g/Cm3
|
Aluminio
|
2,7
|
Latón
|
8,49
|
Plata
|
10,5
|
Hierro
|
7,86
|
La densidad se debe
tener en cuenta cuando un cuerpo tiene que flotar o tener poco peso. Por
ejemplo las boyas, que han de flotar se deben construir con materiales poco
densos, o las piezas para aviones. Por el contrario las pesas, para básculas
deberían ser bastante densas para ocupar poco espacio. También debe ser poco
denso el material de embalaje.
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Un material es un
buen conductor térmico cuando deja pasar el calor con facilidad, en caso
contrario, su conductividad térmica será baja. Todos los metales son buenos
conductores del calor, mientras que el aire es un buen aislante térmico.
Emplearemos buenos
conductores térmicos para las baterías de cocina, las sartenes, los
calentadores y radiadores, para la suela de una plancha, etc. Sin embargo
emplearemos malos conductores para los mangos de las sartenes y ollas, para
aislar las construcciones o para aislar el calor de un horno.
DILATACIÓN TÉRMICA
Los materiales suelen
dilatarse (aumentar de tamaño) al aumentar la temperatura y contraerse al
disminuir (Coeficiente de dilatación positivo).
Los materiales con un
coeficiente de dilatación negativo, aumenta de tamaño al disminuir la temperatura
y disminuyen de tamaño al aumentar la temperatura.
La dilatación térmica
de algunos materiales, se aprovecha para fabricar termostatos, ya que al
dilatarse, separarán las láminas de un interruptor, y por lo tanto
interrumpirán el suministro de energía eléctrica; cuando el dispositivo se
enfría, la pieza se contrae y vuelve a conectar el circuito eléctrico. Los
termostatos los podemos encontrar en las planchas, braseros, radiadores, etc.
Otra aplicación de la
dilatación térmica está en la construcción de termómetros. El mercurio de un
termómetro se dilata al aumentar la temperatura y marca la medida en una escala
graduada.
También se aprovecha
esta propiedad para encajar piezas, por ejemplo el eje de una vagón de tren con
su rueda, para encajarlo dilataremos el agujero y contraeremos el eje, cuando
ambas partes tengan la misma temperatura, se apretarán entre ellos.
Las propiedades
mecánicas tienen que ver con el comportamiento que tienen los materiales frente
a los distintos esfuerzos mecánicos a los que son sometidos. Generalmente el
material se deforma temporal o permanentemente o se rompe; por lo tanto decimos
que un material resiste un determinado esfuerzo, cuando no se deforma
excesivamente o no se rompe.
Ante un esfuerzo una
material pude tener tres respuestas: deformarse elásticamente (deformación
reversible), deformarse plásticamente (deformación permanente) o romperse.
PLASTICIDAD
La plasticidad es la
propiedad que hace que un material pueda deformarse fácilmente y de forma
permanente, aplicando fuerzas de poca intensidad. El material plástico por
excelencia será la plastilina; su nombre hace, por tanto referencia a esta
propiedad. También reciben su nombre de esta característica los plásticos, ya
que son fácilmente moldeables.
La ductilidad es
un tipo determinado de plasticidad. Un material es dúctil cuando es fácilmente
deformable en forma de hilos sin romperse. Un ejemplo de material dúctil es el
cobre que lo pedemos transformar fácilmente en hilos.
La maleabilidad es
otro tipo de plasticidad. Un material es maleable cuando es fácilmente
deformable en forma de láminas sin romperse. Un ejemplo de material muy
maleable es el oro, material con el que podemos fabricar láminas de tan solo
una micras de grosor (pan de oro).
La plasticidad es una
propiedad importante, cuando tenemos que darle a una pieza formas complejas,
mediante deformación.
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN
Un cuerpo está
sometido al esfuerzo de tracción cuando sobre el actúan dos fuerzas iguales, de
sentido contrario y hacia fuera del objeto.
Un cuerpo sometido a
tracción se deforma alargándose y estrechándose, esto es, las caras paralelas
al esfuerzo tienden a unirse, mientras que las perpendiculares tienden a
separarse.
Los materiales
resistentes al esfuerzo de tracción se emplearán en el diseño de piezas que
tengan que soportar pesos colgados, en cables de puentes y ascensores, cadenas.
Etc.
RESISTENCIA A LA
COMPRESION
Un cuerpo se
encuentra sometido a compresión, cuando sobre el actúan dos fuerzas iguales, de
sentido contrario y hacia dentro del objeto.
Un cuerpo sometido a
compresión se deforma acortándose y ensanchándose, esto es, las caras paralelas
al esfuerzo tienden a separarse, mientras que las perpendiculares tienden a
unirse. Como se ve todo lo contrario que la tracción.
Cuando sometemos un a
compresión un cuerpo cuya longitud es muy grande con respecto a su sección este
se flexiona curvándose, a esta deformación se le denomina pandeo.
Es necesario emplear
materiales resistentes a la compresión en objetos que tienen que soportar
pesos, como las patas de una silla o una mesa, los pilares, etc.
RESISTENCIA A LA FLEXIÓN
El esfuerzo de
flexión es una combinación de los esfuerzos de tracción y compresión. El
esfuerzo de flexión deforma los elementos de manera que se comban. Un ejemplo
de flexión es una viga apoyada en uno o en los dos extremos y que soporta un
peso.
Una parte de la viga
estará sometida a compresión y la otra a tracción. ¿Cuales?.
Cuando un elemento se
encuentra sometido a flexión, se producen una serie de tensiones transversales
a lo largo de este cuerpo como consecuencia de la flexión.
Las vigas, los
tablones de un andamio, el tablero de una mesa, la tabla de un trampolín, son
algunos ejemplos de objetos que han de fabricarse con materiales resistentes a
la flexión.
RESISTENCIA A LA
TORCION
Un cuerpo está
sometido a torsión cuando se intentan girar sus extremos en sentidos opuestos.
Sus secciones tienden a tomar movimientos de rotación en sentidos opuestos. Si
la fuerza es suficiente, también se produce el desgarro o cortadura.
Se encuentran
sometidos a torsión todos los ejes que transmiten movimientos de giro: los
destornilladores, las llaves de una cerradura, etc.
CILLADURA O CORTADURA
Un cuerpo se
encuentra sometido a cortadura cuando sobre el actúan dos fuerzas paralelas de
sentido contrario en planos paralelos ligeramente separados.
Si el valor de las
fuerzas es suficiente el cuerpo se separará por desgarradura, este es el caso
de la utilización de una cizalla o de una tijera.
El tornillo de unas
tijeras, los remaches, la rótula de enganche de una caravana, los tornillos de
enlace de piezas de estructuras, son algunas de las piezas habitualmente
sometidas a cortadura.
RIGIDEZ
La rigidez es la
resistencia que opone un cuerpo a deformarse cuando es sometido a un esfuerzo
de flexión o torsión. La rigidez es importante en el material de una llave
inglesa o una llave fija.
FLEXIBILIDAD
Flexibilidad es justo
lo contrario de rigidez, un material es flexible, cuando se deforma
elásticamente (de forma reversible) al someterlo a esfuerzos de flexión o
torsión. El chasis de un camión debe ser algo flexible para que pueda absorber
pequeñas deformaciones que se producen en la estructura, cuando el camión
circula por terrenos que no son perfectamente planos. También deben ser
flexibles las hojas de las sierras o los resortes.
TENACIDAD
La tenacidad es la
propiedad que hace que un objeto pueda soportar impactos sin romperse. Un
yunque, por ejemplo debe de construirse con material tenaz, al igual que un martillo,
un mazo o un cincel; ya que continuamente están recibiendo golpes. Por el
contrario el cristal que protege la manguera de incendios ha de ser frágil y no
tenaz para que pueda romperse con un pequeño golpe.
FRAGILIDAD
Fragilidad es
justamente lo contrario de tenacidad. Un material es frágil, cuando se rompe al
aplicar una fuerza, sin deformarse previamente. Los materiales frágiles tienen
las fases elástica y plásticas muy reducidas.
La fragilidad es una
propiedad pocas veces deseada y suele venir impuesta por materiales que tienen
otras propiedades aprovechables. De todas formas el cristal de emergencia de un
autobús deberá ser frágil para que en caso de accidente lo podamos romper con
un pequeño golpe.
DUREZA O RESISTENCIA
AL SER RALLADO
La dureza mide el
grado de oposición de un material a ser rayado o a desgastarse. Un material es
mas duro que otro si no puede ser rayado por el.
Existen varios
procedimientos para determinar la dureza de un material, como el ensayo de
Martens, que determina la dureza por el ancho de la raya que un diamante, de
forma piramidal, produce al rayar un material con una fuerza determinada.
Los materiales duros
se emplean en herramientas de corte o en piezas que sufren grandes desgastes,
como el cilindro y los segmentos de un motor de explosión.
La dureza suele ir
unida a la fragilidad, cuando mas duro es un material mas frágil resulta, por
lo tanto solo buscaremos la dureza cuando es estrictamente necesaria y no
vuelve el objeto demasiado frágil. El diamante es un material muy duro, aunque
es muy frágil. Si el diamante es uno de los materiales mas duros, ¿Cómo le
darías forma a un diamante?.
FATIGA
La fatiga se pude
definir como una fractura progresiva; se produce cuando una pieza está sometida
a un esfuerzo repetido o cíclico, como una vibración. Aunque no se supere el
límite elástico el material puede romperse en poco tiempo. Durante el
movimiento cíclico, no se observa deformación aparente, pero se van produciendo
pequeñas grietas, que disminuyen la sección eficaz, hasta que la pieza no puede
soportar el esfuerzo y se rompe.
Es importante emplear
materiales resistentes a la fatiga en aquellas piezas que tienen que aguantar
vibraciones, como son los amortiguadores, o las piezas de motores de explosión.
Cuando cortamos un
alambre flexionándolo de forma repetitiva, la rotura se produce por fatiga.
Las propiedades
eléctricas definen el comportamiento de los materiales frente a la corriente
eléctrica y a los campos magnéticos respectivamente.
RESISTENCIA ELÉCTRICA
La
principal propiedad eléctrica es la resistencia eléctrica. La
resistencia eléctrica mide el grado de oposición de un material a ser
atravesado por la corriente eléctrica. Un material tiene una alta resistencia
cuando presenta gran oposición a ser atravesado por una corriente eléctrica. A
los materiales con resistencia eléctrica alta los llamamos aislantes; mientras
que a los materiales con una resistencia eléctrica bajo los llamamos
conductores.
Son buenos aislantes (alta
resistencia eléctrica): el vidrio, la madera, el aire, el plástico, etc. Se
necesitan materiales aislantes cuando queremos evitar el paso o la circulación
de corriente eléctrica, por ejemplo, la cubierta de un cable debe ser de
material aislante así como la carcasa de un enchufe o las piezas que fijan los
cables a las torres de transporte.
Emplearemos
materiales conductores (de baja resistencia eléctrica) en
líneas eléctricas y en dispositivos eléctricos. Materiales buenos conductores
de la electricidad son todos los metales, el metal que mejor conduce la
electricidad es la plata, seguida por el cobre.
Por ejemplo las
clavijas de un enchufen han de construirse de material conductor (baja
resistencia eléctrica) mientras que la carcasa del mismo enchufe, se construirá
con material aislante (alta resistencia eléctrica).
MAGNETISMO
Las propiedades
magnéticas se refieren al comportamiento de los materiales con
respecto a campos magnéticos. Los imanes son objetos que generan un campo
magnético que atrae a los metales; a esta fuerza de atracción la denominamos
magnetismo.
Con respecto al
magnetismo nos interesan dos cosas, si un material es magnético o
no lo es y si al magnetizar un material este se magnetiza temporalmente
o permanentemente.
PROPIEDADES MAGNÉTICAS
Los materiales que
pueden ser atraídos por un imán, son los que poseen propiedades magnéticas.
Ejemplos de materiales magnéticos son: Hierro, cobalto y níquel y acero.
Por el contrario la
madera, el hormigón, el plástico o el vidrio transparente no tienen propiedades
magnéticas, esto es, no son atraídos ni repelidos por campos magnéticos, ni
pueden magnetizarse temporal ni permanentemente.
MAGNETISMO TEMPORAL O PERMANENTE
Cuando se hace pasar
una corriente eléctrica por una bobina de hilo conductor, esta se convierte en
un imán. Si dentro de la bobina colocamos una barra de acero, esta se magnetiza
permanentemente, pero si la barra es de hierro dulce, solo se magnetizará
mientras esta circulando la corriente por la bobina.
Un electroimán o imán
controlado por electricidad esta formado por una bobina y un núcleo de hierro
dulce. Los electroimanes se emplean en motores eléctricos, timbres
electroválvulas, altavoces y otros dispositivos electromagénticos.
Los materiales diamagnéticos son
ligeramente repelidos por los imanes, ya que generan un campo magnético opuesto
al que reciben. Los materiales paramagnéticos, sin embargo,
generan un campo del mismo sentido que el que reciben y son atraídos por los
imanes.
PROPIEDADES ÓPTICAS
Las propiedades
ópticas hacen referencia al comportamiento de los materiales con respecto a la
luz.
TRANSPARENCIA
Un material es
transparente cuando deja atravesar la luz y no cambia la trayectoria de los
rayos luminosos, por lo tanto, podemos ver a través de él. La transparencia es
una propiedad necesaria en los cristales de las ventanas, los parabrisas de los
coches, etc.
OPACIDAD
La opacidad es la
propiedad opuesta a la transparencia. Un material es opaco cuando no deja pasar
los rayo de luz. La opacidad es importante en los equipos fotográficos y en los
envases de material fotosensibles. También emplearemos materiales opacos para
fabricar piezas que tapan u ocultan algo, como las carcasas de los
electrodomésticos o la ropa.
TRANSLUCIDES
Los materiales
translucidos dejan pasar parte de la luz pero alteran la trayectoria de los
rayos luminosos, por lo tanto no nos permiten ver. Se emplean en mamparas y
difusores de luz, o en ventanales que deben iluminar pero al mismo tiempo
mantener nuestra privacidad.
REFLEXION
Cuando un rayo de luz
incide sobre un material, este refleja parte de la luz y absorbe otra parte. Un
material es mas reflectante cuando mas luz refleja. Los triángulos de averías y
las pantallas de cine, son ejemplos de objetos a fabricar de material reflectante.
RADIACION Y ABSORCION
Esta propiedad está
muy relacionada con la anterior, ya que cuando un objeto no refleja la luz, la
absorbe y la transforma en calor. Por eso en verano empleamos ropas claras que
al reflejar la radiación son mas frescas, mientras que en invierno vestimos
ropas mas oscura para absorber el calor del sol. También se construyen con
materiales oscuros las placas solares.
PROPIEDADES ESTATICAS
La estética es muy
importante cuando realizamos un diseño, ya que no solo elegimos las cosas por
su funcionalidad, si no que también consideramos su aspecto. Hay artículos en
los que el aspecto es muy importante como en la ropa, y otros en los que es menos
importante, como el motor de un coche.
TEXTURA
La textura, es el
acabado superficial de un material, esta propiedad se puede detectar con la
vista y con el tacto, por lo tanto se puede ver y tocar.
El acabado de un
material, dependerá tanto del propio material, como del proceso de fabricación
y del tratamiento superficial que se le de.
La textura la podemos
ver por la forma de las sombras que proyectan los rayos de luz y por el grado
de reflexión de la luz incidente.
Con el tacto podemos
detectar si un objeto es áspero o suave, cálido o frío.
La textura, no
solamente es una propiedad estética, también define la funcionalidad del
objeto. Por ejemplo, la encimera de una cocina debe de ser poco rugosa, para
que sea fácil de limpiar y por lo tanto higiénica. Sin embargo el suelo de una
acera, deberá de ser áspero para evitar resbalones.
COLOR
Los colores hacen que
un objeto sea o no agradable a la vista, tanto los colores aislados, como las
combinaciones de colores. Los colores nos transmiten sensaciones, así el azul,
lo asociamos al frío y el rojo al calor.
También empleamos los
colores para resaltar un objeto o una zona en un diseño, ya se por motivos
estéticos o de seguridad. Por ejemplo los botones de desconexión por razones de
seguridad suelen ser rojos. Y la ropa de los trabajadores de carreteras y vías
amarilla para que puedan ser vistos fácilmente.
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