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5.3: ¿Cuál es el papel de la ciencia y las matemáticas en la ingeniería?

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    Este capítulo ya ha introducido algunas formas en las que la ciencia y las matemáticas están conectadas con la ingeniería. El capítulo continuará explorando estas conexiones en la invención, la innovación, la educación, las carreras y el diseño, así como el impacto en nuestra vida diaria. También está quedando claro por qué es fundamental prepararse para la educación de ingeniería en la universidad tomando y haciendo bien en cursos de ciencias y matemáticas en la escuela primaria, media y secundaria. De hecho, el mejor indicador de éxito al graduarse con un título universitario en ingeniería, ciencias o matemáticas es tomar cursos en la escuela secundaria que incluyen cuatro años de matemáticas (al menos a través de trigonometría) y tres años de ciencias de laboratorio. En lo que resta de este capítulo, ahora ampliaremos, articularemos, detallaremos y ejercitaremos la conexión ingeniería-matemática-ciencia. Las técnicas de las matemáticas y los fenómenos de la ciencia son como los pinceles y colores en la paleta de un artista. Así como un artista crea una nueva realidad con su pintura, también un ingeniero crea una nueva realidad para cómo viven los individuos en una sociedad. Hemos visto un ejemplo de ello no sólo con la creación de la primera radio de bolsillo, sino también cómo la realidad de nuestra vida cotidiana se ha visto impactada por otros artefactos como el celular y la computadora. En la siguiente sección se examinará con mayor detalle la naturaleza de la conexión entre matemáticas, ciencias e ingeniería.

    ¿Qué es la ingeniería?

    La ingeniería crea productos valiosos como la radio de bolsillo. Esto se hace analizando la naturaleza de un problema o una necesidad y luego aplicando los conocimientos de matemáticas y ciencias mientras se completa el proceso de diseño de ingeniería para desarrollar una solución al problema de diseño. Un conocimiento de la ciencia (por ejemplo, química, física y biología) ayuda al ingeniero a comprender las limitaciones inherentes a un problema y ayuda al ingeniero a desarrollar posibles enfoques para una solución. La matemática (e.g., álgebra, geometría, cálculo, computación por computadora) se utiliza tanto como una herramienta para crear modelos matemáticos que describen fenómenos físicos como como una herramienta para evaluar el mérito de diferentes soluciones posibles.

    La profesión de ingeniería es definida más formalmente por ABET, una organización que acredita programas universitarios de ingeniería, ya que “el diseño de ingeniería es el proceso de idear un sistema, componente o proceso para satisfacer las necesidades deseadas. Se trata de un proceso de toma de decisiones (a menudo iterativo), en el que se aplican las ciencias básicas, las matemáticas y las ciencias de la ingeniería para convertir los recursos de manera óptima para satisfacer estas necesidades declaradas”. Dentro de esta definición, la ciencia y las matemáticas se describen como una parte esencial de todo el proceso de ingeniería. No actúan solos dentro de este proceso. “Los ingenieros aplican los principios de la ciencia y las matemáticas para desarrollar soluciones económicas a problemas técnicos. Su trabajo es el vínculo entre las necesidades sociales percibidas y la aplicación comercial”. (US Department of Labor) Los objetivos de las matemáticas y de la ciencia en la ingeniería difieren de aquellos dentro del campo de las matemáticas (donde el objetivo es representar cuantitativamente las relaciones funcionales) o del campo de la ciencia (donde el objetivo es entender el mundo natural). En ingeniería, matemáticas y ciencias son herramientas utilizadas dentro del proceso de diseño de ingeniería. Usar el proceso de diseño para abordar un problema o un problema conduce a la solución del problema y a un producto que puede ser un componente, un sistema o un proceso que satisface una necesidad que beneficiará a la sociedad. Todos los campos de la ingeniería utilizan las herramientas de matemáticas y ciencias en todos los pasos del proceso de diseño de ingeniería. El uso efectivo de las matemáticas y las ciencias es fundamental para crear una solución de alta calidad a una necesidad y un producto asociado del proceso.

    A menudo ocurre que un producto de alta calidad que sale de un proceso de diseño efectivo (incluyendo matemáticas y ciencias) se da por sentado, como un puente que permanece durante décadas o siglos sin problemas. Tal situación se ilustra con el Puente Golden Gate, que lleva más de siete décadas en pie desde que se inauguró el 27 de mayo de 1937 (Figura abajo). Cuando una solución inferior sale de un proceso de diseño defectuoso, puede producirse una catástrofe y un puente puede colapsar con la posible pérdida de vidas. Tal ocurrencia se ilustra a continuación por el Colapso del Puente de Tacoma Narrows (Figura abajo). El 11 de noviembre de 1940, este puente, ubicado en Puget Sound, Washington, comenzó a balancearse fuertemente en el viento y finalmente se rompió debido a la resonancia del puente que se retorció hasta que se rompió. Existen herramientas matemáticas disponibles para analizar ondas y resonancia de estructuras, pero no se aplicaron en el proceso de diseño del puente. Esto demuestra la importancia y necesidad de explorar y utilizar ampliamente las matemáticas y las ciencias apropiadas para el problema de diseño de ingeniería en cuestión.

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    El puente Golden Gate y el puente Tacoma Narrows. El puente Golden Gate, un hito característico de San Francisco, tuvo el lapso más largo del mundo cuando se inauguró el 27 de mayo de 1937. El Puente Tacoma Narrows, Puget Sound, Washington, se desplomó después de un fuerte viento el 11 de noviembre de 1940.

    Actividad - Impacto del desastre en la práctica de diseño de una industria.

    Ha habido muchos otros desastres que ocurrieron debido a un proceso de diseño defectuoso. Uno son los choques consecutivos de dos aviones de cometa británicos en 1954. Vaya a los dos sitios web que describen la investigación y los cambios de diseño resultantes: http://en.Wikipedia.org/wiki/De_Havilland_Comet y http://en.Wikipedia.org/wiki/TWA_Flight_800. ¿Cómo los desastres provocaron que los ingenieros cambiaran el diseño del avión?

    ¿Qué es la ciencia?

    El significado de lo que es la ciencia puede ser debatido y ha cambiado con el tiempo. Es razonable pensar hoy en día en la ciencia como un proceso por el cual los humanos tratan de entender cómo funciona el mundo natural y cómo llegó a ser así. Las ramas de la ciencia más utilizadas por los ingenieros incluyen la física, la química y la biología. Esto se refleja en el hecho de que casi todos los programas de ingeniería de pregrado requieren que los estudiantes tomen cursos fundacionales en esas materias. Un ejemplo de cómo dicha ciencia se conecta con la ingeniería se puede mostrar con el problema global de la falta de acceso al agua potable por parte de las poblaciones en algunos de los países en desarrollo alrededor del mundo. En los países desarrollados, encender el grifo del baño da agua segura y potable que brota del grifo. Esta agua segura y conveniente es en realidad un lujo que no está presente en todas partes. Cuando no está disponible, y el agua no se purifica, las personas pueden enfermarse o incluso morir por causas como deshidratación, cólera, disentería y cáncer. Entonces, ¿cómo han descubierto los ingenieros cómo encontrar, transportar, purificar, desinfectar y entregar agua a quienes la necesitan? El siguiente ejemplo debería ayudar a responder esa pregunta así como dar un ejemplo concreto de cómo la ciencia se conecta con la ingeniería.

    Aunque más de la mitad de la superficie de la tierra está cubierta de agua, no es accesible para plantas, animales o humanos debido a su contenido de sal del 3− 4%. Entonces, ¿podemos simplemente quitar la sal? No, porque no es tan fácil y puede ser costoso. La ciencia proporciona una variedad de fenómenos que pueden ser utilizados para desalar el agua, y algunos se presentarán aquí. La química nos dice que hay muchas formas de desalar el agua. Una de las formas en que se puede purificar el agua es por evaporación y condensación, lo que deja las impurezas en el agua original. Otra forma es que, en agua helada el hielo deja atrás las impurezas en el líquido descongelado. Otra forma se basa en el hecho de que ciertos tamaños de poro de las membranas moleculares permitirán que el agua se difunda a través de la membrana bajo presión dejando atrás complejos más grandes de sodio y cloro. La química también tiene datos sobre una variedad de propiedades físicas del agua y el agua salada, incluyendo los datos termodinámicos de calor de evaporación, calor de condensación y calor de congelación. Entonces, ¿qué se puede hacer con los diferentes fenómenos y todos los datos que están disponibles?

    La primera pregunta a responder es: ¿Hay algún tipo de campos de ingeniería con individuos que trabajen con tales fenómenos y datos con el objetivo de desalar el agua? La respuesta es sí. Los ingenieros químicos están capacitados para utilizar dichos fenómenos y datos para diseñar y construir plantas de procesamiento a gran escala para producir productos como cosméticos, antibióticos y gasolina, así como agua purificada. Hoy en día, millones de galones de agua están siendo desalados por evaporación flash, que utiliza fenómenos de evaporación y condensación, y por ósmosis inversa, que utiliza tecnología de membrana molecular basada en principios de difusión de membrana. Una planta de evaporación súbita de propulsión nuclear ubicada en el Mar Caspio se muestra en la Figura a continuación.

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    Equipo de desalinización por destilación flash con propulsión nuclear ubicado en el Mar Caspio.

    ¿Qué es la matemática?

    Las matemáticas se utilizan de diversas maneras dentro de muchos campos de la ingeniería. Los aspectos más cruciales de las matemáticas dentro de este campo involucran el análisis costo-beneficio-riesgo y el uso de modelos matemáticos. “Los modelos matemáticos pueden incluir un conjunto de reglas e instrucciones que especifiquen con precisión una serie de pasos a tomar, ya sean aritméticos, lógicos o geométricos. A veces incluso reglas e instrucciones muy simples pueden tener consecuencias que son difíciles de predecir sin realmente llevar a cabo los pasos.... A menudo, es bastante fácil encontrar un modelo matemático que se ajuste a un fenómeno en una pequeña gama de condiciones... pero puede que no encaje bien en una amplia gama”. (AAAS) Dada la importancia de tener un resultado final que no solo funcione, sino que además sea seguro y confiable, es fácil entender por qué el uso de modelos matemáticos es un aspecto invaluable del proceso de diseño de ingeniería, así como cómo estos modelos serían aplicados a diversos pasos dentro de este proceso. Casi todos los aspectos de las matemáticas pueden ser, y son, aplicados al proceso de diseño de ingeniería de alguna manera. Todos los campos dentro de la ingeniería requieren un conocimiento avanzado y la capacidad de usar adecuadamente muchas habilidades matemáticas, incluyendo (pero no limitado a) álgebra, cálculo, geometría, mediciones, tablas y representaciones gráficas de resultados, fórmulas matemáticas y líneas de tiempo.

    Actividad: ¿Qué tipo de ciencias y matemáticas necesitan los ingenieros para abordar algunos de los problemas sociales globales actuales?

    Considere la lista de temas sociales globales contemporáneos que se muestra en el Cuadro 1. De la lista, selecciona dos o tres números globales que te interesen y escríbelos. Piense en ellos y luego escriba sobre las matemáticas y la ciencia que podrían usarse para abordar cada uno de los temas particulares.


    Cuestiones sociales globales contemporáneas

    Cuestiones sociales globales contemporáneas

    • Sequía en el suroeste de Estados Unidos.
    • Falta de agua potable en muchas naciones.
    • Puentes envejecidos que son propensos al colapso.
    • Falta de transporte público accesible y confiable.
    • Necesidad de fuentes de energía renovables.
    • Niños y otras personas discapacitadas por minas terrestres y otras armas.
    • Contaminación ambiental por derrames de petróleo y químicos (Figura a continuación).
    • Necesidad de autos más seguros.
    • Calentamiento global por las emisiones de carbono de la quema de combustibles fósiles (Figura a continuación).
    • Aeropuertos inseguros y desagradables en todo el mundo.

    Icebergs rompiendo glaciares y un derrame de petróleo.

    Icebergs rompiendo glaciares y un derrame de petróleo.

    Preguntas de revisión

    Las siguientes preguntas te ayudarán a evaluar tu comprensión del ¿Cuál es el papel de la ciencia y las matemáticas en la ingeniería? sección. Puede haber una, dos, tres o incluso cuatro respuestas correctas a cada pregunta. Para demostrar su comprensión, debe encontrar todas las respuestas correctas.

    1. Modelos matemáticos
      1. describir fenómenos científicos
      2. puede evaluar el costo
      3. requieren una calculadora
      4. son más fáciles de construir que los modelos físicos
    2. Los ingenieros utilizan las matemáticas y la ciencia para
      1. entender el mundo
      2. resolver problemas
      3. construir modelos
      4. diseñar un proceso
    3. Un ejemplo de un modelo matemático es
      1. el presupuesto para el desarrollo de productos
      2. dibujos utilizados para diseñar un producto
      3. el proceso de diseño de ingeniería
      4. velocidad del flujo de agua a través de una manguera

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