4.1 Propiedades de los materiales

Los diseñadores deben elegir materiales cuidadosamente para optimizar el rendimiento, durabilidad y usabilidad de sus productos. El material correcto puede mejorar la resistencia, peso, seguridad, comodidad y longevidad de un producto. Comprender las propiedades de los materiales ayuda a los diseñadores a innovar y refinar sus productos para aplicaciones del mundo real.

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MATERIALES

Las propiedades físicas de un material son aquellas que pueden determinarse sin daño o destrucción y se relacionan con la interacción del material con la energía y la materia en sus diversas formas.

Masa vs. Peso: Por qué Importan en el Diseño

Masa

Qué significa:

• La cantidad de materia en un objeto, medida en kilogramos (kg)

• La masa es constante independientemente de la ubicación

• Un marco de bicicleta de 2kg tiene la misma masa en la Tierra que en Marte

Relevancia en el diseño:

• La masa afecta cómo se maneja y funciona un producto

• Las bicicletas, drones y autos de carrera deben equilibrar masa con rigidez y resistencia para eficiencia óptima

Peso

Qué significa:

• El peso es una fuerza que depende de la gravedad, medida en Newtons (N)

• Se calcula mediante: P = m × g (donde g = 9.8 m/s² en la Tierra)

• Un objeto de 2kg en la Tierra pesa aproximadamente 19.6N, pero en Marte pesa solo 7.4N

Relevancia en el diseño:

• Las aeronaves, cohetes y naves espaciales deben considerar diferencias de peso en diferentes entornos gravitacionales

• Las mochilas y equipajes se diseñan para ser ligeros mientras maximizan la capacidad de almacenamiento

Volumen: Consideraciones de Espacio en el Diseño

Qué significa:

• La cantidad de espacio 3D que ocupa un objeto (medido en litros o metros cúbicos)

• 1 m³ = 1,000 litros; 1 dm³ = 1 litro

Relevancia en el diseño:

• El volumen es crucial para productos de almacenamiento como mochilas, maletas o empaques de alimentos

• Los diseñadores de interiores y arquitectos optimizan el volumen para eficiencia espacial

Ejemplos:

• Las mochilas de senderismo se diseñan con medidas de volumen precisas (40L, 60L)

• Los empaques de bebidas siguen tamaños estándar (500mL, 1L)

Densidad: Equilibrando Masa y Volumen

Qué significa:

• La masa por unidad de volumen (ρ = m/V), medida en kg/m³

• Un material de alta densidad es pesado para su tamaño

Relevancia en el diseño:

• Importante para el peso y tamaño del producto (transporte)

• Los materiales aeroespaciales usan compuestos ligeros de alta resistencia

Ejemplo:

• Los colchones de espuma viscoelástica usan múltiples capas de diferentes densidades para optimizar comodidad y soporte

• Contextos de diseño para densidad: Fideos instantáneos empacados se venden por peso y volumen

Resistividad y Conductividad Eléctrica

Resistividad:

• La resistencia específica de un material al paso de corriente eléctrica

• Se mide en ohm•metro (Ω•m)

• Valor alto = mal conductor; valor bajo = buen conductor

Conductividad:

• La capacidad para dejar pasar corriente eléctrica (σ = 1/ρ)

• Se mide en Siemens/metro (S/m)

Relevancia en el diseño:

• Importante para elegir materiales conductores o aislantes

• Los componentes eléctricos deben usar conductores para cableado y aislantes para seguridad

Ejemplo:

• Las escaleras de fibra de vidrio se usan cerca de electricidad para prevenir descargas

• El cableado de cobre se envuelve en aislamiento plástico

Conductividad y Expansión Térmica

Conductividad Térmica

Qué significa:

• La capacidad de un material para transferir calor

• Alta en metales, baja en cerámicos y polímeros

Relevancia en el diseño:

• Importante para objetos que se calientan o requieren aislamiento térmico

Expansión Térmica

Qué significa:

• El incremento en volumen cuando aumenta la temperatura

• Importante cuando se unen materiales diferentes que experimentarán cambios de temperatura

Ejemplo:

• Los puentes incluyen juntas de expansión para prevenir pandeo por calor

• El vidrio borosilicato tiene baja expansión térmica, ideal para cambios extremos de temperatura

• Contextos para expansión térmica: Puertas de horno, tapas de vidrio para ollas con bordes metálicos

Dureza

Qué significa:

• La resistencia a penetración, abrasión y rayado

Relevancia en el diseño:

• Importante cuando se requiere resistencia frente a penetración o arañazos

Ejemplo:

• Las baldosas cerámicas son extremadamente duras y resistentes a arañazos

• Las pantallas de smartphones usan vidrio endurecido (Gorilla Glass)

PROPIEDADES MECÁNICAS EN EL DISEÑO

Las propiedades mecánicas describen cómo los materiales responden a fuerzas como tirar, empujar, doblar e impacto. Se miden usando pruebas destructivas.

Tensión de Rotura y Esfuerzo de Compresión

Tensión de Rotura (Resistencia a la Tracción)

Qué significa:

• La capacidad para soportar fuerzas de tracción sin romperse

• Se mide en Pascales (Pa) o Megapascales (MPa)

Relevancia en el diseño:

• Importante para cuerdas y cables (ej. ascensores)

• Los cables de puentes colgantes deben tener alta resistencia a la tracción

• Contextos para resistencia a la tracción: Líneas de pesca

Esfuerzo de Compresión

Qué significa:

• La resistencia a ser aplastado o comprimido

Relevancia en el diseño:

• Los cimientos de concreto deben soportar compresión sin agrietarse

Rigidez

Qué significa:

• La resistencia a la deformación cuando se aplica fuerza

• Relacionada con el Módulo de Young

Relevancia en el diseño:

• Importante cuando mantener la forma es fundamental (ej. alas de avión)

• Los marcos de bicicleta deben ser rígidos para transferir energía eficientemente

Tenacidad

Qué significa:

• La capacidad de deformarse sin romperse bajo impacto

• Lo contrario es la fragilidad

Relevancia en el diseño:

• Los parachoques de autos deben absorber energía de impacto

• Los cascos deportivos requieren tenacidad para proteger contra impactos repetidos

• Contextos para tenacidad: Parachoques de automóviles donde es probable el impacto

Módulo de Young, Tensión Mecánica y Deformación

Módulo de Young

Qué significa:

• Medida de la rigidez de un material (relación estrés/deformación)

• Alto Módulo de Young = material muy rígido

• Bajo Módulo de Young = material flexible

Tensión Mecánica

Qué significa:

• La fuerza por unidad de área (σ = F/A)

• Se mide en Pascales (Pa)

Deformación

Qué significa:

• El cambio en dimensiones expresado como porcentaje

• Deformación elástica: Se recupera al quitar la carga

• Deformación plástica: No se recupera (permanente)

Fórmula específica:

• Módulo de Young = estrés/deformación = (F × L₀)/(A × (Ln - L₀))

• Donde F = fuerza, L₀ = longitud original, A = área transversal, Ln = nueva longitud

Valores específicos:

• Aluminio: aproximadamente 1.0 × 10⁷ psi, o 7.0 × 10¹⁰ N/m²

• Acero: aproximadamente tres veces mayor que el aluminio

• Esto significa que se requiere tres veces más fuerza para estirar una barra de acero la misma cantidad que una barra de aluminio de forma similar.

Relación de Poisson:

Cuando una barra metálica bajo tensión se alarga, su ancho se reduce ligeramente. Esta contracción lateral constituye una deformación transversal.

• Relación de Poisson para aceros: 0.28 promedio

• Relación de Poisson para aleaciones de aluminio: 0.33 promedio

Resistencia a la Fluencia (Yield Strength):

• Es el valor más utilizado en cálculos de ingeniería

• Da un valor de estrés en MPa que un material puede soportar antes de la deformación plástica

• Antes del punto de fluencia, un material recupera su forma anterior al quitar la carga

• Después de exceder el punto de fluencia, la deformación es permanente

Resistencia a la Tracción - Ejemplos Específicos:

• Acero y bambú: ambos son materiales de alta resistencia a la tracción

• Pernos y partes de automóviles: ejemplos de productos hechos usando acero de alta tracción

Ejemplos Específicos de Propiedades:

Maleabilidad:

• Joyería de oro: ejemplo de material maleable

Ductilidad:

• Alambre: ejemplo de material dúctil

• Cobre: excelente ejemplo de material dúctil para fabricación de alambres

Tenacidad:

• Cargadores de cantera: ejemplo donde se requiere tenacidad

• Arrojar rocas enormes en contenedores resulta en deformaciones, no grietas, si el material es tenaz

Dureza - Métodos de Medición:

La dureza se mide por rayado, rebote o indentación. Los métodos más comunes incluyen:

• Dureza Brinell

• Dureza Vickers

• Dureza Rockwell

Nota importante: Para comparar materiales con valores de dureza en diferentes sistemas, primero deben convertirse al mismo tipo (ej. Vickers).

LA GRÁFICA ESTRÉS-DEFORMACIÓN

Regiones Clave:

1. Región Elástica (O-A): El material regresa a su forma original

2. Límite Proporcional (A): Último punto de proporcionalidad directa

3. Punto de Fluencia (B): Comienza deformación permanente

4. Región Plástica (B-C): Deformación sin rotura

5. Resistencia Última (D): Máxima carga soportada

6. Punto de Fractura (E): El material se rompe

Comportamiento por Tipo de Material:

• Materiales Frágiles: Región elástica corta, rotura súbita

• Materiales Dúctiles: Región plástica grande, se estiran antes de romperse

• Materiales de Alta Resistencia: Soportan cargas máximas altas

MATERIALES INTELIGENTES

Los materiales inteligentes cambian sus propiedades cuando se exponen a estímulos externos.

Piezoelectricidad

Qué significa:

• Emite descarga eléctrica cuando se deforma

• Se expande hasta 4% cuando pasa corriente eléctrica

Aplicaciones:

• Sensores de airbag en vehículos

• Generación de electricidad al caminar

Memoria Geométrica (Shape Memory Alloys - SMA)

Qué significa:

• "Recuerdan" su forma original y regresan a ella con calor o electricidad

• Tienen pseudoelasticidad

Aplicaciones:

• Marcos de gafas que se doblan sin romperse

• Extremidades robóticas para movimientos suaves y realistas

• Stents médicos que se expanden con temperatura corporal

Fotocromatismo

Qué significa:

• Cambio reversible de color cuando se expone a luz UV

Aplicaciones:

• Lentes de transición que se oscurecen al sol

• Tejidos sensibles a UV para indicar exposición solar

Materiales Magnetoreostáticos

Qué significa:

• Fluidos que cambian de líquido a sólido con campo magnético

Aplicaciones:

• Amortiguadores de choque ajustables en automóviles

• Armaduras corporales flexibles que se endurecen al impacto

Materiales Electroreostáticos

Qué significa:

• Fluidos que se endurecen con corriente eléctrica

Aplicaciones:

• Válvulas ajustables en equipos médicos y robótica

• Embragues y soportes de motores para reducir ruido

Termoelectricidad

Qué significa:

• Genera electricidad directamente del calor

• Requiere unión de dos conductores distintos

Aplicaciones:

• Sondas espaciales para alimentar transmisores

• Vehículos híbridos para capturar calor del motor y recargar baterías

GRÁFICA DE SELECCIÓN DE MATERIALES (MÓDULO DE YOUNG vs. DENSIDAD)

Categorías de Materiales:

• Metales y Aleaciones: Alta rigidez, alta densidad

• Cerámicos: Muy rígidos, frágiles, densidad moderada-alta

• Compuestos: Alta relación resistencia-peso

• Maderas: Rigidez moderada, baja densidad

• Polímeros: Flexibles, ligeros, resistencia moderada

• Cauchos: Extremadamente flexibles, absorben energía

• Espumas: Ultra-ligeros, absorben choques

Guía de Selección:

• Ligero pero rígido: Compuestos (fibra de carbono)

• Resistencia y rigidez extremas: Metales y cerámicos

• Flexibilidad y absorción de energía: Cauchos y polímeros

• Aislamiento térmico y bajo peso: Espumas y cerámicos porosos

Mentalidad Internacional:

Es probable que los materiales inteligentes se desarrollen en regiones/países específicos y sus beneficios pueden estar limitados globalmente a corto plazo.

REFLEXIÓN

Preguntas de Autoevaluación:

1. ¿Cómo influyen las propiedades físicas y mecánicas en la selección de materiales en el diseño?

2. ¿Puedes pensar en un producto que use materiales inteligentes y cómo mejoran su funcionalidad?

3. ¿Por qué es importante considerar las propiedades estéticas junto con las físicas y mecánicas?

Conclusión: La comprensión integral de las propiedades de los materiales permite a los diseñadores crear productos que no solo funcionan correctamente, sino que también proporcionan experiencias de usuario superiores y soluciones innovadoras a problemas complejos.

Algo extra

Preguntas de práctica - Paper 2

1. Indique dos propiedades requeridas en los materiales utilizados en un reloj inteligente. [2]

2. Explique dos formas en que el uso de sistemas de manufactura robótica puede ayudar en la producción de relojes inteligentes. [6]

3. Explique una razón por la cual el reloj inteligente es un ejemplo de tecnología convergente. [3]

4. Explique cómo la innovación sostenible, la innovación disruptiva y la innovación de proceso se aplican al desarrollo del reloj inteligente. [9]