Prefacio
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“Los ingenieros, a diferencia de los físicos, buscan artefactos útiles y deben predecir el rendimiento de los objetos que diseñan”.
“La organización de acuerdo con las ideas de volumen de control no solo es más simple sino que aporta una comprensión más clara de los principios físicos comunes a situaciones que de otro modo serían dispares”.
“Al final los requisitos que han inclinado la balanza a favor del análisis de control-volumen radican en el objetivo o misión del ingeniero: diseñar y producir artefactos útiles”.
“Los ingenieros en ejercicio siempre están en la búsqueda de herramientas más efectivas con las que pensar y hacer”.
“Al organizar el conocimiento de acuerdo con leyes físicas en lugar de problemas conocidos, ayuda a reconocer un problema de volumen de control cuando se encuentra en un disfraz desconocido”.
“El análisis control-volumen, al establecer un método explícito de contabilidad para las diversas cantidades de flujo, proporciona tal procedimiento para los muchos ingenieros que deben tratar con dispositivos fluido-mecánicos”.
“El análisis control-volumen es útil precisamente porque proporciona un marco y un método para pensar claramente en una gran clase de los problemas a menudo confusos que surgen en el diseño de ingeniería”.
— Walter G. Vincenti en Lo que saben los ingenieros y cómo lo saben\ (^1\
Las palabras anteriores se escribieron originalmente sobre el desarrollo del volumen de control\(^2\) como herramienta de análisis en termodinámica y mecánica de fluidos. Sin embargo, si reemplaza las frases “ideas de control-volumen” y “enfoque de control-volumen” por la frase “enfoque de sistema, contabilidad y modelado”, las palabras se aplican igualmente bien al empuje de este libro de texto.
El libro de texto actual se basa en un paradigma diferente para organizar un núcleo de ciencias de la ingeniería, un enfoque de sistema, contabilidad y modelado, que enfatiza los conceptos comunes y subyacentes de la ciencia de la ingeniería. Si bien este enfoque no es necesariamente nuevo, ya que la mayoría de los estudiantes de posgrado se han visto impactados por esta idea en algún momento de su educación de posgrado, su uso como principio organizador para un plan de estudios de pregrado es nuevo. Al enfocarse en los conceptos subyacentes y enfatizar las similitudes entre materias que a menudo son percibidas por los estudiantes (y el profesorado) como temas no conectados, este enfoque proporciona a los estudiantes un marco para reconocer y construir conexiones a medida que aprenden nuevo material.
Antecedentes
En 1988, un grupo de profesores de la Universidad Texas A&M comenzó a trabajar en un nuevo plan de estudios integrado para reemplazar los cursos básicos de ciencias de ingeniería en un plan de estudios típico. El resultado fue una secuencia interdisciplinaria de cuatro cursos llamados Texas A&M/NSF Engineering Core Curriculum\(^3\) y organizados en torno a lo que llamaron el principio de conservación y contabilidad. Glover, Lundsford y Fleming produjeron un libro de texto introductorio\(^4\) que utilizó este enfoque. Más recientemente Holtzapple y Reece han introducido este enfoque en un texto de primer año. \(^5\)Recientemente, el autor también ha aprendido de un enfoque similar que está siendo promovido y desarrollado por el Prof. W. C. Reynolds de la Universidad de Stanford para un curso llamado ME10: Introducción al Análisis de Ingeniería. \(^6\)Los llamados a considerar un enfoque sistémico también han venido de físicos. \(^{7, \ 8}\)
En 1993, siete escuelas se unieron como la Coalición de la Fundación (FC) bajo los auspicios del Programa de Coaliciones de Educación de Ingeniería de la NSF. Uno de los principales ejes del FC fue la integración curricular. Basándose en el trabajo anterior en Texas A&M, Rose-Hulman desarrolló un nuevo plan de estudios de ingeniería de segundo año: el plan de estudios de ingeniería de segundo año de Rose-Hulman/Foundation-Coalition (SEC). El plan de estudios es actualmente requerido para todos los estudiantes de Rose-Hulman con especialización en ingeniería mecánica, ingeniería eléctrica e ingeniería informática.
El plan de estudios de ingeniería de segundo año
La SEC es una\(^9\) secuencia obligatoria de ocho cursos de ciencias de la ingeniería y matemáticas concluidos durante el segundo año. La SEC abarca material enseñado tradicionalmente en dinámica, mecánica de fluidos, termodinámica, circuitos eléctricos, dinámica de sistemas, ecuaciones diferenciales, álgebra matricial y estadística. Dos equipos profesor-alumno desarrollaron el plan de estudios y su contenido durante los veranos de 1994 y 1995. El plan de estudios se impartió por primera vez en el otoño de 1995. Actualmente la SEC consta de los ocho cursos que se muestran en la siguiente tabla:
| Plan de estudios de segundo año de ingeniería | Horas de Crédito Trimestrales |
|---|---|
|
Trimestre de Otoño MA 221 Ecuaciones Diferenciales y Álgebra Matricial I (4) ES 201 Principios de Conservación y Contabilidad (4) |
8 |
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Trimestre de Invierno MA 222 Ecuaciones Diferenciales y Álgebra Matricial II (4) ES 202 Sistemas Fluidos y Térmicos (3) ES 203 Sistemas Eléctricos (3) ES 204 Sistemas Mecánicos (3) |
13 |
|
Cuarto de Primavera MA 223 Estadística para Ingenieros (4) ES 205 Análisis y Diseño de Sistemas de Ingeniería (5) |
9 |
| Total | 30 |
Una de las características únicas de la SEC es la secuencia 1—3—1 para los cursos de ciencias de ingeniería. La secuencia inicia con el curso general ES 201 en el otoño. En el invierno, los cursos son más disciplinos/fenómenos específicos con ES 202, 203 y 204. Finalmente en la primavera, el foco vuelve a ser más general con ES 205.
Este libro de texto
Este libro de texto se basa en más de cinco años de experiencia en la docencia del primer curso de ciencias de la ingeniería en la SEC, denominado ES 201: Principios de Conservación y Contabilidad. ES 201 se toma durante el primer trimestre del segundo año e introduce el enfoque de sistemas, contabilidad y modelado como base para el análisis de ingeniería. El contenido de ES 201 mapeado a los cursos tradicionales de ciencias de la ingeniería se muestra en la siguiente tabla:
| Mapa de contenido para ES 201 — Principios de Conservación y Contabilidad | |
|---|---|
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Mecánica de Fluidos
Termodinámica
Balanzas de Materiales y Energía
|
Circuitos Eléctricos
Estática de Ingeniería
Dinámica de Ingeniería
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Después de una discusión general del enfoque en los dos primeros capítulos, se formulan seis leyes físicas fundamentales utilizando los sistemas y el marco contable. Las leyes fundamentales están relacionadas con seis propiedades extensas: masa, carga, momento lineal, momento angular, energía y entropía. En cada caso, se introduce la ley física respondiendo a cuatro preguntas sobre la propiedad extensa pertinente:
- ¿Cuál es la propiedad en cuestión?
- ¿Cómo se puede almacenar en un sistema?
- ¿Cómo se puede transportar a través del límite del sistema?
- ¿Cómo se puede generar o consumir dentro del sistema?
Las respuestas a estas preguntas proporcionan la información para formular cada ley dentro de un marco de sistemas y contabilidad. Una vez respondidas estas preguntas, el comportamiento de la propiedad para un sistema puede describirse utilizando una ecuación contable (o saldo). Todas menos una de las leyes físicas son principios de conservación. Aunque no es un principio de conservación, la sexta ley (contabilidad de entropía) es importante porque la entropía solo puede producirse o conservarse en el límite de un proceso internamente reversible. En el apéndice se puede encontrar un resumen de las leyes físicas básicas formuladas en el marco de sistemas y contabilidad.
Una vez desarrolladas las ecuaciones gobernantes, el énfasis cambia al análisis del comportamiento del sistema. Con las leyes básicas formuladas de manera consistente, el problema se convierte en uno de identificar el sistema apropiado, seleccionar y aplicar las ecuaciones contables pertinentes y construir un modelo específico del problema. A lo largo del texto se enfatiza un enfoque consistente de resolución de problemas independientemente de las leyes físicas subyacentes. Nuevamente esto se basa en una serie de preguntas genéricas como se muestra en las tablas siguientes:
| Formato escrito | Preguntas Típicas |
|---|---|
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Este es otro beneficio de utilizar los sistemas y el marco contable para organizar el material. Como ejemplo, todos los problemas que involucran impulso lineal parten de la conservación de la ecuación de impulso lineal. A partir de este único punto de partida, se pueden obtener formas específicas del problema aplicando suposiciones de modelado apropiadas, por ejemplo, sistema cerrado frente a sistema abierto y transitorio frente al estado estacionario frente al tiempo finito. Usando suposiciones apropiadas y específicas de problemas, podemos recuperar rápidamente cualquiera de las formas “estándar”, por ejemplo\(F = ma\)\(\sum F = 0\), la ecuación impulso-impulso y el equilibrio de momento lineal en estado estacionario para la mecánica de fluidos. En cada caso, el énfasis no está en la forma final de la ecuación sino en los supuestos de modelado y cómo cambian las ecuaciones básicas.
Una Solicitud de Alumnos y Facultad
Como primer esfuerzo para generar un libro de texto completo a partir de un conjunto de notas en crecimiento, seguramente hay errores y omisiones en el texto. Por estos el autor toma todo el crédito y pide tu ayuda para identificar errores en este texto. Para eliminarlos en futuras ediciones, se le anima a contactar directamente con el autor ante cualquier error u omisión que identifique.
También se le anima a ponerse en contacto con el autor y compartir sus puntos de vista sobre el enfoque de sistemas, contabilidad y modelado que forma la base de este texto. Es la firme creencia del autor que este enfoque tiene mucho que aportar a la educación en ingeniería y que sólo hemos comenzado a explorar y explotar su impacto potencial. Una fortaleza importante del enfoque radica en cómo forma una base para el trabajo avanzado. Se anima a los profesores a explorar cómo pueden usar lo que los estudiantes aprenden de este texto como trampolín para aprender en cursos relacionados y avanzados.
Fuentes
\(^1\)Extractos del Capítulo 4, “Una herramienta teórica para el diseño: análisis control-volumen, 1912-1953”, en Lo que los ingenieros saben y cómo lo saben, The Johns Hopkins University Press, Baltimore, 1990.
\(^2\)Un volumen de control es una región en el espacio a diferencia de una cantidad fija de materia que se utiliza para el análisis. En mecánica, el uso de un volumen de control se denomina enfoque euleriano, mientras que el uso de una masa de control, o una cantidad fija de materia, se denomina enfoque lagrangiano.
\(^3\)C. J. Glover, C. A. Erdman, “Overview of the TAMU/NSF Engineering Core Curriculum Development”, presentado en la conferencia ASEE/IEEE Frontiers in Education 1992, 11-14 de noviembre de 1992, Nashville, Tennessee. Consulte también http://ww-chen.tamu.edu/uesc/ sobre el Núcleo Unificado de Ciencias de la Ingeniería.
\(^4\)C. J. Glover, K. M. Lunsford y J. A. Fleming, Conservation Principles and the Structure of Engineering, 5th Ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1996.
\(^5\)M. T. Holtzapple y W. D. Reece, Fundamentos de Ingeniería, McGraw-Hill, Boston, 2000.
\(^6\)W. C. Reynolds, Introducción al Análisis de Ingeniería: Una aproximación integrada a los principios fundamentales que subyacen a todo análisis de ingeniería. Notas en desarrollo del Prof. W. C. Reynolds de la Universidad de Stanford.
\(^7\)H. Burkhardt, “Física de sistemas: un enfoque uniforme de las ramas de la física clásica”, American Journal of Physics, Vol. 55, pp. 344-350.
\(^8\)H. U. Fuchs, La dinámica del calor, Springer-Verlag, Nueva York, 1996.
\(^9\)Ocho cursos en un sistema trimestral para un total de treinta horas trimestrales repartidas en tres trimestres.