5.6: Conectando las matemáticas y la ciencia con el proceso de diseño de ingeniería

Quién es el cliente o cliente para el artefacto diseñado

Hay muchos tipos de temas sociales que se extienden más allá de las fronteras de un solo estado o país que impactarán la calidad de vida de muchas personas en el futuro. Sin embargo, para abordar un tema global dado, tiene que ser reconfigurado en un tema local, ya sea a nivel de ciudad, condado, estado, región o nacional. Entonces se pueden tomar medidas locales para abordar un problema local, que luego contribuye a la solución de la gama global del problema. Por ejemplo, para el tema de La sequía en el suroeste, una manera de abordar esto como un problema local podría estar dada por la pregunta: “¿Cómo se puede conservar el agua en la ciudad de Phoenix?” De esta manera, el proceso de diseño de un producto designado para el bien público requiere la consideración del alcance de implementación. Por ejemplo, ¿el artefacto o proceso diseñado se dirigirá a una audiencia de una persona o muchas personas? ¿Viven localmente en la cuadra o en la ciudad, o regionalmente en el condado o estado o estados contiguos o posiblemente a nivel nacional o internacional uno? Estos temas serán considerados en el ejercicio que figura a continuación.

Actividad: ¿Quién es el cliente o patrocinador de una solución diseñada para problemas sociales?

Seleccione tres o cuatro temas de la lista de temas globales en la Tabla 1 en la sección ¿Cuál es el papel de la ciencia y las matemáticas en la ingeniería? sección que te interese. Describa y escriba quiénes podrían ser los clientes o clientes para los tres o cuatro números que seleccionó.

Un proceso de diseño de ingeniería optimizado

El proceso de diseño comienza cuando un cliente o cliente tiene un problema o necesidad y quiere una solución diseñada dando como resultado un producto que satisfaga la necesidad o resuelva el problema. En ocasiones, se desarrolla desde cero un nuevo producto que requeriría un nuevo diseño y en ocasiones se utilizan innovaciones para mejorar los productos existentes, en cuyo caso se modificarían algunos aspectos de un diseño ya existente. Los nuevos productos generalmente utilizan un proceso abierto que rara vez tiene una sola solución correcta. En cambio, existen varias soluciones que satisfarán las necesidades deseadas con diversos grados de efectividad. En esta sección, indicaremos cómo cada paso del proceso de diseño está conectado con las matemáticas y las ciencias. Uno de los retos del diseño es elegir entre una serie de posibles soluciones. Sin embargo, se necesita un flujo de proceso claramente definido para que los diseños se desarrollen para satisfacer las necesidades del cliente o cliente. Demostraremos cómo las matemáticas y las ciencias se conectan con la ingeniería en el proceso de diseño de ingeniería con un ejemplo simplificado para facilitar la comprensión. El proceso suele ser iterativo pero aquí se utilizará un solo ciclo ya que el objetivo es mostrar la conexión matemática y científica con la ingeniería (Figura a continuación). En pocas palabras, los pasos simplificados en el proceso de diseño podrían consistir en lo siguiente:

• Identificar un problema o una necesidad.
• Definir requisitos y restricciones.
• Generar ideas o lluvia de ideas para establecer posibles soluciones.
• Utilizar requisitos y restricciones para evaluar posibles soluciones.
• Utilice la solución elegida para diseñar y construir un prototipo.
• Pruebe y evalúe el prototipo y modifique si es necesario para finalizar el prototipo.
• Comunicar los resultados.

Un proceso de diseño de ingeniería simplificado.

Estudio de caso: agua para un pequeño pueblo costero aislado en un país subdesarrollado

Digamos que hay un pequeño pueblo de 50 personas que vive en un clima tropical a la orilla del desierto junto al mar y llamado Ecologia. Está conectado con el próximo pequeño pueblo a 150 millas de distancia por una mala carretera de un solo carril que a veces es intransitable debido a tormentas de polvo y malas reparaciones. El pueblo vive pescando desde el océano y cultivando una pequeña porción de verduras, pero sí tiene algunos generadores a gasolina para abastecer algo de electricidad al pueblo. Se encuentra en el país subdesarrollado de Optimicia que no cuenta con los recursos para abastecer a los servicios públicos como luz, agua y comunicación a la localidad. Un solo pozo ha suministrado agua al pueblo, pero el nivel del agua está bajando y puede que se seque. Al pueblo le gustaría contar con otro medio de suministro de agua para complementar el suministro actual y asegurar cantidades suficientes para el futuro.

Este escenario se utilizará con el objetivo de demostrar las conexiones matemáticas y científicas con la ingeniería en el proceso de diseño. Como tal, no se utilizan números y cálculos detallados, por lo que las decisiones y detalles no serán rigurosos para simplificar el ejemplo. Ahora pasamos por los pasos del proceso de diseño, señalando las conexiones con la ciencia y las matemáticas.

Identificar el problema. Un pueblo aislado junto al océano con 50 personas de bajos ingresos no tiene conexión con los servicios públicos apoyados por el gobierno, el pueblo más cercano a 150 millas de distancia en una carretera pobre, y la fuente de agua de pozo profundo del pueblo que se está agotando. Se necesita una nueva fuente de agua.

Conexión a la ciencia. Un ingeniero civil podría usar un instrumento para monitorear el nivel del agua del pozo para medir la tasa de agotamiento del agua.

Conexión matemática. Las matemáticas podrían ser utilizadas para desarrollar un modelo de costo y disponibilidad de fuentes de agua actuales (pozos, monzones y camiones en agua).

Definir Requisitos y Restricciones. Los requisitos podrían incluir la pureza del agua, la tasa a la que se produce el agua, la vida útil requerida de un sistema diseñado y el hecho de que, dado que el pueblo está fuera de la red de distribución eléctrica, no hay servicios públicos disponibles para soportar el sistema. Las limitaciones pueden incluir varias limitaciones de costos, como para el diseño, fabricación, operación y mantenimiento del sistema, así como posibles consideraciones de seguridad y ambientales. A partir de los conjuntos de requisitos y limitaciones, así como de la consideración del contexto de la situación con el pueblo, la gente y el medio ambiente, se podría desarrollar una declaración de problemas que podría quedar como sigue: “Se desarrollará un sistema de producción de agua potable que abastecerá las necesidades de 50 personas de tal manera que el costo no sea mayor a 2 dólares por mil galones, incluyendo materiales, construcción y operación en un periodo de 10 años.”

Conexión a la ciencia. Es necesario un conocimiento de la ciencia que subyace a las diversas técnicas existentes para que se estudie la más amplia gama de enfoques para proporcionar agua.

Conexión matemática. Aquí se pueden usar modelos matemáticos para examinar los costos del agua para diferentes sistemas de manera que se use un conjunto razonable de requisitos y restricciones para generar la declaración del problema. Existen modelos matemáticos que describen los costos de las técnicas existentes, pero habría que crear nuevos modelos si se ideara una nueva tecnología.

Brainstorm Soluciones Alternativas. En esta etapa del proceso es necesario explorar la más amplia variedad de ideas y/o posibles soluciones para el problema de diseño. Estas ideas pueden provenir de muchas fuentes diferentes: productos existentes, ideas de lluvia de ideas, ideas de principios científicos y cualquier otro enfoque posible. El cuerpo de estas posibilidades, o conceptos de diseño, necesita luego ser conformado en un componente, sistema o proceso que pueda cumplir con el conjunto de requisitos y limitaciones como posibles soluciones de problemas. Algunos enfoques pueden ser desechados temprano si tienen poco potencial (por ejemplo, el suministro de agua pura desde icebergs a un pueblo cercano al ecuador probablemente no sea factible).

Conexión a la ciencia. Se podría generar una variedad de soluciones basadas en principios científicos como se muestra con los siguientes ejemplos. El agua de mar se puede purificar por congelación, pero este no es un buen enfoque para un pueblo cercano al ecuador. Purificar el agua de mar por destilación (evaporación y condensación) podría ser utilizada en un alambique solar o en una planta de evaporación flash. Purificar el agua de mar mediante la eliminación de sal con una membrana se podría hacer con una planta de ósmosis inversa. Trasladar agua pura al pueblo por nuevos pozos, en camión o por tubería son otras posibles soluciones sin mucha ciencia.

Conexión matemática. En la primera parte de este paso del proceso de diseño podrían generarse modelos matemáticos para estimar aproximadamente los costos de los distintos enfoques. También se utilizan para predecir el costo de diversas soluciones alternativas que surgen durante la fase de generación de ideas y pueden ayudar a analizar el vínculo entre la ciencia detrás de una técnica y el costo de implementarla con materiales, fabricación o fabricación, operación y mantenimiento. Estos costos necesitan entonces ser normalizados en aras de la comparación con otras opciones para costar por mil galones de agua.

Evaluar Soluciones. Los diseños potenciales se evalúan en relación con las restricciones y criterios, y se seleccionan uno o más para ser diseñados en detalle y prototipados. La selección se realiza mediante un proceso estructurado que requiere que se cumplan los requisitos y elija el mejor diseño de acuerdo a los requisitos y restricciones. Para seguir mostrando conexiones matemáticas y ciencias se asumirá que el mejor diseño fue un alambique solar para desalinización. Usando esa elección, ahora se considerarán otros pasos de diseño.

Diseñar y Construir Prototipo. El diseño seleccionado se desarrolla con todo detalle y se determinan las formas y dimensiones específicas de los componentes. Se seleccionan los materiales y se fabrican los componentes y se ensamblan prototipos. La operación y el rendimiento del prototipo se pueden modelar en una computadora. Para el diseño hipotético se construye un prototipo solar todavía.

Conexión a la ciencia. Se puede crear un conocimiento más detallado de la ciencia con valores más precisos de parámetros físicos que también proporcionarán información que puede afectar diversos costos para los componentes del prototipo. La naturaleza de los fenómenos físicos que ocurren dentro de varios componentes debe modelarse desde el punto de vista del ideal basado en la ciencia para que el rendimiento pueda ser evaluado cuando se prueba el prototipo.

Conexión matemática. Se generarán modelos matemáticos de desempeño basados en fenómenos científicos para evaluar el prototipo.

Probar y Evaluar prototipo. Los prototipos se prueban para ver si el diseño cumple con todos los requisitos y funciona de manera aceptable. El rendimiento debe compararse con el rendimiento ideal determinado a partir del modelado matemático del prototipo. Se deben analizar y comprender las diferencias entre el rendimiento ideal y el real. El proceso de diseño puede ser iterado y refinado para mejorar el rendimiento hasta que sea aceptable. En ocasiones, las pruebas y la evaluación muestran que un diseño no va a funcionar, por lo que se debe seleccionar un concepto de diseño diferente volviendo a evaluar soluciones alternativas. Si la energía solar hipotética aún cumple con las especificaciones de rendimiento y cumple con las restricciones, entonces la solución se puede comunicar

Conexión a la ciencia. El modelo científico de operación debe aproximarse al rendimiento real del prototipo; si no, entonces puede haber fenómenos científicos no correctamente implementados en el modelo o puede haber otras cuestiones en la construcción u operación que necesiten ser diagnosticadas para tener un modelo que sea un buen predictor de desempeño.

Conexión matemática. El modelo matemático de operación debe ser probado para asegurarse de que el modelo ha sido construido adecuadamente utilizando la ciencia y las matemáticas apropiadas.

Comunicar resultados. Las actividades y resultados del proceso de diseño deben documentarse y comunicarse al cliente o cliente apropiado.

Conexión a la ciencia. Todos los pasos del proceso de diseño deben ser documentados y la justificación de las decisiones debe ser clara. La ciencia detrás de la elección de la solución al problema de diseño debe quedar clara, incluidos los factores y pesos de los requisitos y restricciones utilizados para seleccionar la solución.

Conexión matemática. El modelo matemático de operación debe estar bien documentado para que se demuestre una base para el desempeño y la efectividad del diseño. También se debe documentar el modelo para que se demuestre la efectividad del diseño en el cumplimiento de las necesidades del cliente.

Actividad - Conectando las matemáticas y la ciencia con el proceso de diseño de ingeniería para abordar un problema o problema social global

Seleccione un número de su elección de la lista de temas globales en el Cuadro 1 de la sección ¿Cuál es el papel de la ciencia y las matemáticas en la ingeniería? sección. Especificar y anotar el escenario de problema que describe a las personas y su situación que son los clientes que se beneficiarán de su solución de problemas de diseño para el Problema Social elegido. Ahora explique y escriba qué tipos de ingenieros se necesitan para el equipo del proyecto que estará trabajando en el Problema Social. Ahora, como se demostró anteriormente para el Estudio de Caso, describa y escriba para cada paso del Proceso de Diseño Simplificado lo que está sucediendo para el Problema Social elegido junto con qué matemáticas y ciencias se están utilizando y cómo se está utilizando.

Preguntas de revisión

Opción Múltiple

La siguiente pregunta te ayudará a evaluar tu comprensión de la sección Conectando Matemáticas y Ciencias con el Proceso de Diseño de Ingeniería. Puede haber una, dos, tres o incluso cuatro respuestas correctas a cada pregunta. Para demostrar su comprensión, debe encontrar todas las respuestas correctas.

1. Un uso importante de las matemáticas en la ingeniería es determinar
   1. cuánto se debe pagar a los ingenieros por un diseño
   2. el precio del software necesario para crear un diseño
   3. el costo de diferentes diseños del mismo producto
   4. cuánto cobrar a un cliente que quiere un diseño

Preguntas de respuesta gratuita

2. ¿Qué papel juegan las matemáticas y las ciencias en el proceso creativo del diseño de ingeniería?
3. ¿Qué impacto tienen la ciencia y las matemáticas en el diseño y desarrollo de un mejor artefacto a partir del proceso de diseño de ingeniería?
4. ¿Cómo se conectan las matemáticas y la ciencia con la ingeniería en el proceso de diseño de ingeniería en comparación con lo que sucede en otros tipos de procesos de diseño (arquitectónicos, de moda, etc.)?
5. ¿Cómo se puede saber si un artefacto creado a partir de un proceso de diseño ha considerado suficientes ideas de las conexiones de ingeniería, ciencia y matemáticas, y la variedad asociada de posibles soluciones de problemas para garantizar que se haya creado un artefacto de alta calidad a partir de un proceso de diseño efectivo?
6. ¿Cuál es el papel de las matemáticas y las ciencias en la conexión con la ingeniería en el desarrollo de características de una buena declaración de definición de problemas?
7. ¿Cómo se utilizan las conexiones matemáticas y científicas con la ingeniería en los pasos del proceso de diseño de ingeniería? ¿Por qué los pasos no siempre se completan en orden?
8. ¿Cómo afecta la conexión de las matemáticas y la ciencia con la ingeniería a los procesos de toma de decisiones del equipo en el proceso de diseño de ingeniería?
9. ¿Qué papel juega la conexión de las matemáticas y las ciencias con la ingeniería en la creación de un diseño detallado desde la implementación del concepto principal de la solución elegida hasta el problema del diseño?