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FUNDAMENTOS DE DIBUJO
PARA DISEÑO DE INGENIERÍA LIEU SORBY
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Recursos en formato digital para estudiantes y docentes
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FUNDAMENTOS DE DIBUJO
PARA DISEÑO DE INGENIERÍA Dennis K. Lieu
Sheryl Sorby
Professor of Mechanical Engineering University of California, Berkeley
Professor of Engineering Education The Ohio State University
Traducción:
Javier León Cárdenas Profesor de Ciencias Básicas Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional
Revisión técnica:
Gilberto Domingo Álvarez Miranda Universidad Autónoma Metropolitana, campus Azcapotzalco
María Teresa Cedillo Salazar Rafael Vallejo Garza Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Universidad Autónoma de Nuevo León Coordinación de Ciencias Básicas:
Norma Esthela Flores Moreno Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Universidad Autónoma de Nuevo León
A. Germán Mancera Gtz.
José Luis Fuentes Saldaña
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Monterrey
Instituto Politécnico Nacional
Alejandro Salas Flores Instituto Tecnológico de Querétaro
Benito Rodriguez Nava Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán
Luis Jorge Lagunes López Universidad Politecnica de Querétaro
Manuel Ortiz Fosado Instituto Tecnológico de Toluca
Jesús Raúl Sánchez Higuera
Miguel Ángel Avalos García
Instituto Tecnológico de Culiacán
Universidad Politécnica del Valle de Toluca
Australia • Brasil • Estados Unidos • México • Reino Unido • Singapur
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Fundamentos de dibujo para diseño de ingenierÃa, primera edición Dennis K. Lieu y Sheryl Sorby Director Higher Education Latinoamérica: Renzo CasapÃa Valencia Gerente Editorial Latinoamérica: Jesús Mares Chacón Editores: Pablo Miguel Guerrero Rosas y .DUHQb(VWUDGD $UULDJD Coordinador de manufactura: Rafael Pérez González Diseño de portada: Blanca L. Sánchez Zamora Imagen de portada: kSDYORGDUJP[QHW $GREH 6WRFN k3*0DUW 6KXWWHUVWRFN FRP &RPSRVLFLµQ WLSRJU£ȴFD .DUHQ 0HGLQD \ 'RFWRUHV GH 3DODEUDV
k ' 5 SRU &HQJDJH /HDUQLQJ (GLWRUHV 6 $ GH & 9 XQD FRPSD³¯D GH &HQJDJH /HDUQLQJ Î&#x2013;QF &DUUHWHUD 0«[LFR 7ROXFD 2È´FLQD &RO (O <DTXL 'HO &XDMLPDOSD & 3 &LXGDG GH 0«[LFR &HQJDJH /HDUQLQJp HV XQD PDUFD UHJLVWUDGD XVDGD EDMR SHUPLVR '(5(&+26 5(6(59$'26 1LQJXQD SDUWH GH HVWH WUDEDMR DPSDUDGR SRU OD /H\ )HGHUDO GHO 'HUHFKR GH $XWRU SRGU£ VHU UHSURGXFLGD WUDQVPLWLGD DOPDFHQDGD R XWLOL]DGD HQ FXDOTXLHU IRUPD R SRU FXDOTXLHU PHGLR \D VHD JU£ȴFR HOHFWUµQLFR R PHF£QLFR LQFOX\HQGR SHUR VLQ OLPLWDUVH D OR VLJXLHQWH IRWRFRSLDGR UHSURGXFFLµQ HVFDQHR GLJLWDOL]DFLµQ JUDEDFLµQ HQ DXGLR GLVWULEXFLµQ HQ Î&#x2013;QWHUQHW GLVWULEXFLµQ HQ UHGHV GH LQIRUPDFLµQ R DOPDFHQDPLHQWR \ UHFRSLODFLµQ HQ VLVWHPDV GH LQIRUPDFLµQ D H[FHSFLµQ GH OR SHUPLWLGR HQ HO &DS¯WXOR III $UW¯FXOR GH OD /H\ )HGHUDO GHO 'HUHFKR GH $XWRU VLQ HO FRQVHQWLPLHQWR SRU HVFULWR GH OD (GLWorial. 7UDGXFLGR GHO OLEUR Visualization, Modeling, and Graphics for Engineering Design. Second Edition /LHX 'HQQLV . 6KHU\O 6RUE\ 3XEOLFDGR HQ LQJO«V SRU 'HOPDU &HQJDJH /HDUQLQJ k Î&#x2013;6%1 'DWRV SDUD FDWDORJDFLµQ ELEOLRJU£ȴFD /LHX 'HQQLV . 6KHU\O 6RUE\ Fundamentos de dibujo para diseño de ingenierÃa SULPHUD HGLFLµQ Î&#x2013;6%1 45 3 9LVLWH QXHVWUR VLWLR HQ KWWS ODWLQRDPHULFD FHQJDJH FRP
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Contenido breve
Capítulo 1
Introducción a la comunicación gráfica en ingeniería
Capítulo 2
Bosquejado
Capítulo 3
Modelado sólido
Capítulo 4
Proyección ortogonal y representación en vistas múltiples
Capítulo 5
Dibujos pictóricos
Capítulo 6
Vistas en corte
Capítulo 7
Vistas auxiliares
Capítulo 8
Dimensionamiento
Capítulo 9
Asignación de tolerancias
Capítulo 10
Sujetadores
Capítulo 11
Dibujos de trabajo
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Contenido breve
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Contenido
Prefacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix Reconocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii Acerca de los autores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxv
capítulo 1
Introducción a la comunicación gráfica en ingeniería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1 1.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-2 1.02 Una historia breve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-2 1.02.01 Historia antigua 1.02.02 El período medieval 1.02.03 El Renacimiento 1.02.04 La Revolución Industrial 1.02.05 Más historia reciente
1.03 La gente y sus habilidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-15 1.03.01 Organización de las fases de duración del proyecto 1.03.02 Organización de grupos funcionales 1.03.03 Organización de habilidades 1.03.04 Ingeniería concurrente
1.04 Tecnología de las gráficas en ingeniería. . . . . . . . . 1-20 1.04.01 Los primeros años 1.04.02 Instrumentos de dibujo 1.04.03 La revolución de la computadora 1.04.04 Gráficas como herramienta de diseño 1.04.05 Gráficas como una herramienta de análisis 1.04.06 Gráficas como herramienta de presentación
1.05 La función moderna de las gráficas en ingeniería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-30 1.06 Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-32 1.07 Glosario de términos clave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-32 1.08 Preguntas de repaso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-33 1.09 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-33
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capítulo 2
Bosquejado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1 2.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2 2.02 Bosquejado en el proceso de diseño en ingeniería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2 2.03 Bosquejo de líneas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-3 2.04 Bosquejado de entidades curvas. . . . . . . . . . . . . . . . . 2-4 2.05 Líneas de construcción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-6 2.06 Sistemas coordenados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-8 2.07 Bosquejos isométricos de objetos simples . . . . . . . 2-12 2.07.01 Círculos en bosquejos isométricos 2.07.02 Agujeros circulares en bosquejos isométricos
2.08 Pictóricos oblicuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-18 2.08.01 Agujeros circulares en bosquejos pictóricos oblicuos
2.09 Sombreado y otros efectos especiales . . . . . . . . . . . 2-21 2.10 Bosquejado de objetos complejos . . . . . . . . . . . . . . 2-22 2.11 Estrategias para bosquejos pictóricos simples . . . 2-24 2.11.01 Bosquejos isométricos simples 2.11.02 Bosquejos oblicuos
Precaución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-27 2.12 Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-30 2.13 Glosario de términos clave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-30 2.14 Preguntas de repaso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-31 2.15 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-31
capítulo 3
Modelado sólido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-1 3.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-2 3.02 Herramientas para desarrollar su idea . . . . . . . . . . . 3-2 3.02.01 CAD bidimensional 3.02.02 Modelado por generación de directrices 3.02.03 Modelado de superficie 3.02.04 Modelado sólido
3.03 Un modelo sólido paramétrico. . . . . . . . . . . . . . . . . 3-10 3.03.01 Perfiles válidos 3.03.02 Creación del sólido
3.04 Haciéndolo preciso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-14 3.04.01 Orientación del bosquejo 3.04.02 Restricciones geométricas 3.04.03 Restricciones dimensionales 3.04.04 Unicidad de las restricciones 3.04.05 Restricciones asociativas y algebraicas
3.05 Estrategias para combinar restricciones del perfil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-20
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3.06 Más complejidad al utilizar sólidos constructivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-25 3.07 Dividiéndolo en características (o rasgos) . . . . . . . 3-28 3.07.01 La característica base 3.07.02 Chaflanes, redondeos y filetes 3.07.03 Agujeros 3.07.04 Cubiertas laminares 3.07.05 Nervaduras y almas 3.07.06 Otros tipos de características 3.07.07. Características cosméticas 3.07.08 Comprensión de las características y funciones
3.08 Más formas para crear geometría sofisticada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-38 3.08.01 Definición de puntos de referencia 3.08.02 Definición de ejes de referencia 3.08.03 Definición de planos de referencia 3.08.04 Encadenamiento de referencias 3.08.05 Uso de arreglos (rectangulares y circulares) 3.08.06 Uso de características reflejadas 3.08.07 Uso de combinaciones 3.08.08 Barridos
3.09 Árbol del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-49 3.10 Familias de partes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-52 3.11 Estrategias para hacer un modelo . . . . . . . . . . . . . . 3-55 3.11.01 Ejemplo 1 paso a paso. El bloque guía 3.11.02 Ejemplo 2 paso a paso. La base de montaje 3.11.03 Ejemplo 3 paso a paso. El volante de maniobra
3.12 Extracción de dibujos bidimensionales . . . . . . . . . 3-70 Precaución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-71 3.13 Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-78 3.14 Glosario de términos clave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-79 3.15 Preguntas de repaso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-81 3.16 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-82
capítulo 4
Proyección ortogonal y representación en vistas múltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-1 4.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-2 4.02 Una manera más precisa para comunicar sus ideas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-2 4.02.01 Problemas con pictóricos 4.02.02 Planos de observación 4.02.03 Proyección ortogonal 4.02.04 Realidad distorsionada
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4.02.05 Elección de los planos de observación 4.02.06 Tamaño y alineación
4.03 La caja de cristal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-11 4.03.01 Vistas estándar 4.03.02 Configuración preferida
4.04 Detalles necesarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-13 4.04.01 Líneas ocultas y líneas de centro 4.04.02 Vistas necesarias 4.04.03 Líneas ocultas contra más vistas
4.05 Proyección del primer ángulo contra proyección del tercer ángulo . . . . . . . . . . . 4-19 4.06 Estrategias para crear vistas múltiples a partir de pictóricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-22 4.06.01 Seguimiento de puntos 4.06.02 Seguimiento de bordes 4.06.03 Seguimiento de superficies
4.07 Rompiendo las reglas y por qué en ocasiones es bueno romperlas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-44 4.07.01 Partes roscadas 4.07.02 Rasgos con radios pequeños 4.07.03 Cortes pequeños en superficies curvas 4.07.04 Intersecciones pequeñas con superficies curvas 4.07.05 Rasgos simétricos 4.07.06 Representación de soldaduras
Precaución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-51 4.08 Cuando seis vistas no resultan suficientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-63 4.08.01 Rasgos en ángulos poco comunes 4.08.02 Rasgos internos
4.09 Consideraciones para el modelado tridimensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-63 4.10 Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-64 4.11 Glosario de términos clave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-65 4.12 Preguntas de repaso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-65 4.13 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-66
capítulo 5
Dibujos pictóricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-1 5.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-2 5.02 Dibujos axonométricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-4 5.02.01 Dibujo isométrico 5.02.02 Superficies inclinadas 5.02.03 Superficies oblicuas 5.02.04 Superficies cilíndricas 5.02.05 Elipses en superficies inclinadas
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Contenido 6/14
5.03 Dibujos oblicuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-17 5.03.01 Tipos de dibujos oblicuos 5.03.02 Elaboración de dibujos oblicuos 5.03.03 Elaboración de un objeto con rasgos circulares
5.04 Dibujos en perspectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-20 5.04.01 Tipos de dibujos en perspectiva 5.04.02 Dibujos en perspectiva a dos puntos de fuga 5.04.03 Elaboración de un dibujo en perspectiva a dos puntos 5.04.04 Objeto complejo en perspectiva a dos puntos de fuga
5.05 Consideraciones para el modelado 3-D . . . . . . . . . 5-28 5.06 Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-28 5.07 Glosario de términos clave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-29 5.08 Preguntas de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-29 5.09 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-30
capítulo 6
Vistas en corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-1 6.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-2 6.02 Una mirada interior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-2 6.03 Cortes por un plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-5 6.04 ¿Qué le pasa a las líneas ocultas? . . . . . . . . . . . . . . . 6-11 6.05 Los puntos finos de las líneas de cortes . . . . . . . . . 6-11 6.06 Cortes por planos paralelos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-13 6.07 Medios cortes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-14 6.08 Procedimientos para la elaboración de vistas en corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-16 6.08.01 Decisión sobre cuándo utilizar vistas en corte 6.08.02 Elaboración de una vista en corte por un plano 6.08.03 Elaboración de un medio corte 6.08.04 Vistas múltiples en corte 6.08.05 Elaboración de un corte por planos paralelos 6.08.06 Elaboración de un pictórico en corte
6.09 Secciones desplazadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-32 6.10 Secciones giradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-35 6.11 Sección local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-37 6.12 Cortes de montajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-39 6.13 Algunos atajos para simplificarle las cosas . . . . . . 6-39 6.13.01 Cortes pequeños en superficies curvas 6.13.02 Partes roscadas 6.13.03 Rasgos delgados 6.13.04 Álabes, aletas, rayos y cosas similares
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6.13.05 Simetría
Precaución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-44 6.14 Consideraciones para el modelado tridimensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-51 6.15 Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-52 6.16 Glosario de términos clave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-52 6.17 Preguntas de repaso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-53 6.18 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-54
capítulo 7
Vistas auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-1 7.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-2 7.02 Vistas auxiliares para objetos sólidos . . . . . . . . . . . . 7-2 7.03 Vistas auxiliares de superficies irregulares o curvas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-8 7.04 Estrategias para vistas auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . 7-9 Precaución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-13 7.05 Consideraciones en el modelado sólido al elaborar vistas auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-14 7.06 Técnicas de bosquejado para vistas auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-16 7.07 Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-17 7.08 Glosario de términos clave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-17 7.09 Preguntas de repaso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-18 7.10 Problemas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-18
capítulo 8
Dimensionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-1 8.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-2 8.02 ¿Es exacta la dimensión que veo en un dibujo? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-4 8.03 ¿Cuáles son las reglas para el dimensionamiento?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-5 8.03.01 ¿Milímetros, pulgadas o angstroms? 8.03.02 Tipos de dimensionamiento 8.03.03 Reglas fundamentales para el dimensionamiento
8.04 Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-7 8.05 La redundancia no tiene sentido . . . . . . . . . . . . . . . . 8-8 8.06 Correcto geométricamente, pero ¡todavía equivocado!. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-11 8.06.01 Maneras diferentes de especificar la misma geometría 8.06.02 Identificación y especificación de dimensiones críticas para la función de la parte 8.06.03 Dimensionamiento en la línea base contra dimensionamiento en cadena
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8.06.04 ¿Qué tipo de dimensiones se pueden medir y verificar?
8.07 Directrices para guiar sus líneas. . . . . . . . . . . . . . . . 8-15 8.07.01 Sólo líneas continuas 8.07.02 Colocación y espaciamiento 8.07.03 Fuente
8.08 Atajos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-18 8.08.01 Diámetros y radios 8.08.02 Chaflanes 8.08.03 Agujeros maquinados estándar: avellanados y con caja 8.08.04 Ranuras
8.09 Notas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-21 8.09.01 Notas generales 8.09.02 Notas locales
8.10 Consideraciones para el modelado tridimensional (3-D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-22 8.11 Dimensiones para el ejemplo de placa . . . . . . . . . . 8-22 8.12 Reglas fundamentales para el dimensionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-23 8.13 Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-24 8.14 Glosario de términos clave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-25 8.15 Preguntas de repaso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-25 8.16 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-26
capítulo 9
Asignación de tolerancias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-1 9.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-2 9.01.01 Relaciones entre partes diferentes 9.01.02 Problemas por la inexperiencia de los ingenieros novatos
9.02 Formatos para las tolerancias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-4 9.03 Problemas con la acumulación de tolerancias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-5 9.03.01 Acumulación de tolerancias con dimensionamiento en cadena, en la línea base y directo 9.03.02 Control estadístico de la tolerancia
9.04 Uso de tablas para ajustes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-7 9.04.01 Tipos de ajustes 9.04.02 Terminología de ajustes 9.04.03 Ajustes en el sistema inglés 9.04.04 Ajustes métricos 9.04.05 Tablas de ajustes
9.05 Asignación convencional de tolerancias contra asignación de tolerancias geométricas . . . . . . . . . 9-15 9.05.01 Rasgos con y sin tamaño
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9.05.02 Asignación convencional de tolerancias y forma 9.05.03 Ubicación de agujeros y pasadores con asignación convencional de tolerancias
9.06 Dimensionamiento y asignación de tolerancias geométricas (GD&T) . . . . . . . . . . . 9-20 9.06.01 El marco de referencia 9.06.02 Símbolos característicos de la geometría y marcos de control de rasgos 9.06.03 Orden de precedencia para referencias 9.06.04 Tolerancias de posición contra tolerancias convencionales 9.06.05 Tolerancias de forma 9.06.06 Tolerancias de perfil 9.06.07 Tolerancias de orientación o posición 9.06.08 Tolerancias de ubicación 9.06.09 Tolerancias de descentramiento o alabéo
Precaución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-44 9.07 Ejemplos de especificación de tolerancias de ajuste y geométricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-48 9.07.01 Especificación del ajuste entre dos partes 9.07.02 Adición de dimensiones geométricas
9.08 Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-53 9.09 Glosario de términos clave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-53 9.10 Preguntas de repaso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-54 9.11 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-54
capítulo 10
Sujetadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1 10.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-2 10.02 Roscas de los tornillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-2 10.02.01 Terminología de las roscas 10.02.02 Roscas simples y múltiples 10.02.03 Roscas derechas e izquierdas 10.02.04 Normas de roscas 10.02.05 Formas de roscas
10.03 Corte de roscas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-8 10.04 Modelado de roscas de tornillos . . . . . . . . . . . . . . 10-9 10.04.01 Representaciones de roscas para dibujos 10.04.02 Representación de roscas en modelos sólidos
10.05 Notas de roscas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-12 10.05.01 Roscas métricas 10.05.02 Roscas Unified National 10.05.03 Otras formas de roscas 10.05.04 Notas de roscas en un dibujo
10.06 Sujetadores roscados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-15
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10.06.01 Tornillos y tuercas 10.06.02 Tornillos para metales y tornillos de casquete 10.06.03 Tornillos sin cabeza 10.06.04 Consideraciones de diseño para sujetadores roscados 10.06.05 Tornillos opresores 10.06.06 Tornillos autorroscantes
10.07 Remaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-20 10.07.01 Clases de remaches
10.08 Arandelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-22 10.09 Pasadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-22 10.10 Anillos de retención . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-25 10.11 Chavetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-27 10.12 Sujetadores de ajuste elástico . . . . . . . . . . . . . . . .10-29 10.13 Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-30 10.14 Glosario de términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-31 10.15 Preguntas de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-32 10.16 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-32
capítulo 11
Dibujos de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1 11.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-2 11.02 Haciendo formal las cosas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-3 11.03 Tamaños de hojas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-6 11.04 Recuadro de dibujo formal en dibujos de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-8 11.05 Área del dibujo para partes manufacturadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11-14 11.05.01 Presentación de la geometría 11.05.02 Vistas de objetos 11.05.03 Notas
11.06 Partes, submontajes y montajes . . . . . . . . . . . . . .11-16 11.06.01 Dibujos de montaje desarrollados 11.06.02 Dibujos de montaje de contorno 11.06.03 Dibujos de montaje en corte 11.06.04 Lista de materiales 11.06.05 Dibujos de detalle de manufactura 11.06.06 Más ejemplos de dibujos de manufactura
11.07 Dibujos de construcción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11-37 11.07.01 ¿Por qué los dibujos de construcción difieren de los dibujos de manufactura? 11.07.02 ¿Cómo difieren los dibujos de construcción de los dibujos de manufactura?
11.08 Planos de construcción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11-42 11.08.01 Hoja de presentación 11.08.02 Plano del emplazamiento
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11.08.03 Vistas en elevación 11.08.04 Planos de cimentación y plantas 11.08.05 Cortes 11.08.06 Dibujos de construcción en detalle 11.08.07 Dibujos en planta y de perfil
11.09 Escalas en ingeniería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11-52 11.09.01 Escala de ingeniero 11.09.02 Escala métrica 11.09.03 Escala de arquitecto
Precaución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11-57 11.10 Consideraciones para el modelado tridimensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11-71 11.11 Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11-72 11.12 Glosario de términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . .11-72 11.13 Preguntas de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11-74 11.14 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11-75
Apéndice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A-1 Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .G-1
Tema adicional disponible en latinoamerica.cengage.com
Tema adicional Visualización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-1 TA.01 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-2 TA.02 Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-2 TA.03 Desarrollo de habilidades espaciales . . . . . . . . . TA-3 TA.04 Tipos de habilidades espaciales. . . . . . . . . . . . . . TA-5 TA.05 Evaluación de habilidades espaciales. . . . . . . . . TA-5 TA.06 Vistas de esquina isométricas de objetos . . . . . . . . . . simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-8 TA.07 Rotaciones de objetos con respecto a un eje . TA-11 TA.07.01 Notación TA.07.02 Rotación de objetos en más de 90 grados con respecto a un eje TA.07.03 Equivalencias para rotaciones con respecto a un eje TA.08 Rotación con respecto a dos o más ejes . . . . . TA-20 TA.08.01 Equivalencias para rotaciones de objetos con respecto a dos o más ejes TA.09 Reflejos y simetría. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-23 TA.09.01 Simetría TA.10 Secciones transversales de sólidos. . . . . . . . . . . TA-27
TA.11 Combinación de sólidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-30
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TA.12 Estrategias para desarrollar habilidades de visualización 3-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-32 TA.12.01 Bosquejo de vistas de esquina TA.12.02 Rotaciones de objetos con respecto a un eje TA.12.03 Rotaciones de objetos con respecto a dos o más ejes TA.12.04 Reflejos TA.12.05 Simetría de objetos TA.12.06 Secciones transversales TA.12.07 Combinación de sólidos
Precaución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-48 TA.13 Resumen del capítulo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-51 TA.14 Glosario de términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-51 TA.15 Preguntas de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-52 TA.16 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TA-53
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Leonardo da Vinci. Es probable que usted haya aprendido que fue un artista italiano famoso durante el Renacimiento. Es posible que se adhiera a algunas de las teorías de conspiración con respecto a códigos y sociedades secretas. Lo que quizá no sepa acerca de él es que fue uno de los primeros ingenieros. (De hecho, mucha gente lo considera ser el primer ingeniero.) Algunos incluso dicen que en realidad fue un ingeniero que en ocasiones vendía pinturas para poder poner pan en su mesa. Los artistas tuvieron una función prominente en el nacimiento de la ingeniería moderna, y algunos de los primeros ingenieros-artistas fueron Francesco di Giorgio, Georg Agricola y Mariano Taccola. Estos fueron los individuos que pudieron visualizar dispositivos nuevos que avanzaron la condición humana. Su creatividad y su deseo de probar ideas aparentemente “locas” impulsaron la tecnología hacia delante a un ritmo mucho más rápido que el que había ocurrido en los cientos de años anteriores. Este matrimonio entre el arte y la ingeniería ha disminuido un tanto desde los primeros inicios de la profesión; sin embargo, la creatividad en la ingeniería aún es de suma importancia. ¿Hubiera alunizado la nave espacial Apolo en la Luna sin el pensamiento creativo de cientos de ingenieros que diseñaron y probaron los diversos sistemas necesarios para el viaje espacial? ¿Podríamos conseguir información y comunicarnos de manera instantánea unos con otros mediante el World Wide Web sin la visión de los ingenieros y científicos que convirtieron una idea loca en realidad? ¿Existirían los aparatos de la era moderna que enriquecen y simplifican nuestras vidas,
como las lavadoras, las televisiones, los teléfonos y los automóviles sin las habilidades analíticas de los ingenieros y tecnólogos que desarrollaron e hicieron mejoras sucesivas a estos aparatos? La respuesta a todas estas preguntas es “no”. La habilidad para imaginar sistemas que nunca existieron y para diseñar dispositivos para adaptarse a las necesidades cambiantes de la población humana es la competencia de la profesión de ingeniero. La comunicación gráfica siempre ha tenido una función central en la ingeniería, tal vez debido al génesis de la ingeniería dentro de las artes o quizá debido a que las formas gráficas de comunicación transmiten ideas de diseño de manera más efectiva que las palabras escritas. Puede ser que en realidad una imagen valga más que mil palabras. Como podría esperar, la cara de las gráficas en ingeniería ha evolucionado de forma dramática desde el tiempo de da Vinci. Las gráficas tradicionales en ingeniería se han enfocado en las matemáticas, el dibujo, y el diseño gráfico 2-D; el conocimiento de las gráficas se consideró una habilidad clave para los ingenieros. Los primeros programas de ingeniería incluían gráficas como un tema integral de enseñanza, y las gráficas en ingeniería trazadas a mano de hace 50 años son trabajos de arte por derecho propio. Sin embargo, en el pasado reciente, la habilidad para crear a mano un dibujo 2-D en ingeniería se ha hecho obsoleta, debido a mejoras y avances en el hardware y software de computadoras. Más recientemente, conforme las herramientas basadas en computadora han avanzado aún más, la demanda de habilidades en modelado geométrico 3-D, moReg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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delado de montaje, animación, y administración de datos ha definido un nuevo programa de estudios de gráficas en ingeniería. Además, los modelos geométricos tridimensionales se han convertido en la base de métodos de análisis numérico avanzado, incluyendo análisis cinemático, y métodos del elemento finito para sistemas de esfuerzos, de fluidos, magnéticos y térmicos. El programa de estudios de gráficas en ingeniería también ha evolucionado al paso del tiempo para incluir un enfoque sobre el desarrollo de la habilidad de visualización espacial 3-D dado que esta habilidad particular se ha documentado como importante para el éxito de los ingenieros en el aula de clase y en el campo. La visualización espacial también está muy ligada al proceso creativo. ¿Hubiera imaginado da Vinci sus diversos aparatos voladores sin habilidades de visualización bien entrenadas? Hemos vuelto al punto de partida en la educación en ingeniería mediante la inclusión de temas como creatividad, trabajo de equipo y diseño en el programa de estudios moderno de gráficas. El fuerte enlace entre la creatividad, el diseño y las gráficas no se puede enfatizar lo suficiente. Ya no existe la necesidad de los ingenieros y técnicos que reproducen robóticamente dibujos con poca consideración en el proceso. Con herramientas computacionales modernas, podemos ingeniar soluciones creativas a problemas sin preocupación con respecto a si una línea debe estar dibujada ligeramente o trazada muy gruesa y visualizada prominentemente en la página. Es para este nuevo programa de estudios de gráficas de regreso al futuro que la visualización, el modelado y
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las gráficas para el diseño en ingeniería se han diseñado. Este libro es una mezcla de temas tradicionales así como modernos, una mezcla de pensamiento analítico y creativo, una mezcla de técnica de dibujo precisa y de bosquejo en forma libre. Disfrútelo.
Desarrollo del libro Muchos de los libros de texto actuales sobre gráficas se escribieron hace varios años con temas modernos como modelado sólido basado en rasgos incluidos como un complemento separado al material existente. En estos libros, las técnicas modernas basadas en computadora son más que una ocurrencia tardía: “Oh, por cierto, también puede utilizar la computadora para ayudarse a lograr algunas de estas tareas comunes”. De hecho, algunos de los libros más populares se escribieron casi hace un siglo, cuando las estaciones de trabajo computarizadas y el software CAD eran productos de la imaginación de algún ingeniero progresista. Los libros de esa época se enfocaban sobre la técnica del dibujo y no sobre la comunicación gráfica dentro del contexto mayor del diseño y la creatividad en la ingeniería. Los programas modernos de gráficas en ingeniería —y los libros— deben seguir lo que está sucediendo en el campo. Las técnicas modernas del desarrollo de productos permiten que los ingenieros utilicen hardware y software de computadora para examinar el ajuste y la función adecuada de un dispositivo. Los ingenieros pueden desarrollar y probar “virtualmente” un dispositivo antes de producir un modelo físico real, lo que aumenta en gran medida la velocidad y la eficiencia del proceso de diseño. Luego el modelo virtual basado en computadora facilita la creación de los dibujos de ingeniería que se utilizan en la manufactura y en la producción —una actividad que requería muchas horas de dibujo a mano apenas hace algunas décadas. En el mundo real, las prácticas modernas de CAD también nos han permitido más tiempo para enfocarlo en otros aspectos importantes del ciclo de diseño en ingeniería, incluyendo el pensamiento creativo, la ideación de productos, y las técnicas avanzadas de análisis. Algunos podrían argumentar que estos aspectos son, de hecho,
los más importantes del proceso de diseño. Los programas de estudios en gráficas en ingeniería en muchas universidades han evolucionado para reflejar este cambio en el proceso de diseño. Sin embargo, la mayor parte de los libros de texto sobre gráficas en ingeniería simplemente han agregado secciones CAD para cubrir los temas nuevos. Los libros de texto gruesos se han hecho más gruesos. Como dijo una persona sabia, “los maestros de ingeniería son muy buenos para sumar, pero malos para restar.” Cuando nos sentamos para planear este libro, queríamos producir la cota de referencia en gráficas en ingeniería del futuro —un enfoque a las gráficas en ingeniería que enseñe diseño y comunicación del diseño en vez de un libro vocacional enfocado en técnicas y estándares de dibujo. Queríamos integrar técnicas modernas de diseño en todo el libro, no tratar estos temas como una idea tardía. Un punto fuerte de este libro es su enfoque no sólo en “qué” hacer, sino también en “por qué” hacer (o no hacer) de esa manera —conceptos así como detalles. Este libro tiene la finalidad de ser una ayuda de aprendizaje así como un libro de referencia. Los tutoriales paso a paso específicos de software, que están demasiado enfocados en las técnicas, son un entrenamiento muy pobre para los estudiantes que necesitan comprender las estrategias de modelado en vez de sólo qué botones oprimir para una tarea particular. De hecho, creemos que más entrenamiento se debe abandonar a favor de una educación en los fundamentos. Los estudiantes necesitan aprender estrategia en CAD así como técnica. Los estudiantes necesitan desarrollar sus habilidades creativas y no tener estas habilidades reprimidas mediante el enfoque sobre los pequeños detalles. Con objeto de prepararse para una carrera de toda la vida en este mundo tecnológico de cambio rápido, los estudiantes necesitarán comprender los conceptos fundamentales. Por ejemplo, en el enfoque actual basado en métodos para el entrenamiento en gráficas, los estudiantes aprenden acerca del dimensionamiento y de la asignación de tolerancias geométricas. Muchos libros describen qué significan los símbolos, pero no explican cómo, por qué, y cuándo se deben emplear. No obstante, estas cuestiones de cómo, por qué, y Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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cuándo son las cuestiones con las que la mayor parte de los ingenieros jóvenes tienen problemas y son las cuestiones que se abordan de manera directa en este libro. También son las cuestiones importantes —si un estudiante sabe la respuesta a estas cuestiones, comprenderá los conceptos fundamentales en el dimensionamiento y la asignación de tolerancias geométricas. Esta comprensión fundamental servirá mucho en el futuro en donde las técnicas, y posiblemente los propios símbolos, es probable que cambien.
Organización del libro La versión íntegra de este libro de texto está organizada en doce capítulos principales. Al organizar los capítulos de este libro, tuvimos cuidado en agrupar los temas de una manera que reflejen el proceso del diseño en ingeniería moderno. A propósito no imitamos los libros clásicos de gráficas con décadas de antigüedad, que fueron escritos en una era cuando el proceso de diseño se basaba en dibujos y no en modelos en computadora, una era cuando se analizaban modelos físicos y no virtuales para verificar su integridad estructural. Por esta razón, el orden de los temas en este libro no concuerda con el de los libros de gráficas tradicionales en donde la rotulación a menudo era el primer tema de enseñanza.
Estructura de los capítulos Con algunas excepciones, cada capítulo está organizado a lo largo de líneas similares. El material se presenta con el perfil siguiente: 1. Objetivos Objetivos de apertura del capítulo que alertan a los estudiantes sobre los conceptos fundamentales del capítulo. 2. Introducción Esta sección proporciona una vista global del material que se presentará en el capítulo, y analiza por qué es importante. 3. El problema Cada capítulo aborda de manera directa una cierta necesidad o un
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problema en comunicación gráfica. Ese problema se presenta aquí como si el estudiante tuviera que enfrentarlo en el campo. La presencia de un problema real que necesita resolverse le proporciona al estudiante un incentivo adicional para aprender el material en el capítulo para resolver ese problema. Explicación y justificación de los métodos Las gráficas en ingeniería han evolucionado y continúan evolucionando a un ritmo increíblemente rápido debido a avances en el hardware y el software de computadoras. Si bien existen métodos nuevos asociados con tecnologías nuevas, estos métodos modernos deben permanecer compatibles con las prácticas convencionales de las gráficas. Esta consistencia se requiere para eliminar una posible confusión en la interpretación de los dibujos, para mantener una flexibilidad suficiente para crear diseños sin las trabas de las herramientas disponibles para documentarlos, y para reducir el tiempo y el esfuerzo requerido para crear los dibujos. Guía para la resolución de problemas Se presentan problemas de ejemplo de varios tipos en cada capítulo con soluciones detalladas, paso a paso. Precaución A menudo la gente aprende más de sus errores que de sus éxitos. Los errores más comunes —y sus consecuencias potenciales— se presentan como ejemplos en esta sección. Resumen Esta sección destila la información más importante contenida en el capítulo. Glosario de términos clave Se proporcionan definiciones formales de los términos o frases más importantes del capítulo. Cada término o frase se destaca la primera vez que se utiliza en el capítulo. Preguntas de repaso Estas preguntas prueban la comprensión del estudiante de los conceptos principales del capítulo.
10. Problemas Una variedad de problemas y ejercicios ayudan a desarrollar habilidad y destreza del material cubierto en el capítulo.
Características clave de la presentación Creemos que este libro tendrá un atractivo amplio para los estudiantes de gráficas en ingeniería en un gran espectro de instituciones. Las siguientes son las características clave del libro: ■
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Un enfoque sobre el aprendizaje y desarrollo de habilidades fundamentales, no sólo sobre definiciones, herramientas y técnicas. Este enfoque prepara a los estudiantes para aplicar el material a problemas y situaciones no familiares en vez de simplemente repetir maquinalmente el material previamente memorizado. En el mundo rápidamente cambiante en que vivimos, la comprensión de los fundamentos es una clave para aprender más y la habilidad para mantener el ritmo con las tecnologías nuevas. Desarrollo formal de habilidades de visualización como elemento clave en una etapa inicial del programa de estudios. El desarrollo de estas habilidades es importante para los estudiantes que no han tenido la oportunidad de estar expuestos a un gran número de modelos de ingeniería y dispositivos físicos. Además, el enlace entre la visualización y la creatividad es fuerte —herramientas para el éxito durante una carrera de toda la vida. Uso de un enfoque basado en problemas. Este enfoque presenta al estudiante con problemas reales al inicio de cada capítulo, muestra las soluciones gráficas, luego generaliza las soluciones. Un tono casual y un enfoque amigable para el estudiante. Es un hecho probado que los estudiantes aprenden mejor el material ¡si no se duermen rápido! Ejemplos de prácticas deficientes y las consecuencias potenciales de estos errores. La gente parece aprender más de sus errores. Al mostrar a los estudiantes los errores de
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otros, tal vez puedan minimizar los propios. Varias series de ejemplos comunes y un proyecto común que se presentan en la mayor parte de los capítulos. El libro muestra cómo se aplicó en realidad el material contenido en cada capítulo en el contexto del desarrollo del producto.
Comentarios finales Este libro de texto contiene un “núcleo” de material cubierto en un curso tradicional de gráficas en ingeniería y también una variedad de otros capítulos sobre técnicas modernas para la elaboración de gráficas. El material reunido representa más de 50 años combinados de experiencia personal en el aprendizaje, la aplicación, y la enseñanza de gráficas en ingeniería. El resultado es un libro que debe ser atractivo tanto para los programas de estudio tradicionales como contemporáneos. Nosotros, los autores, queremos agradecerle por considerar este libro. Dennis K. Lieu Profesor de ingeniería mecánica University of California, Berkeley Sheryl Sorby Profesora de ingeniería civil y medioambiental Michigan Technological University
Colabordores Holly K. Ault, Worcester Polytechnic Institute y Capítulo suplementario 4) Ron Barr, The University of Texas en Austin Judy Birchman, Purdue University Ted Branoff, North Carolina State University Pat Connolly, Purdue University (Capítulo suplementario 6) Frank Croft, The Ohio State University La Verne Abe Harris, Purdue University Kathy Holliday-Darr, Penn State Erie Tom Krueger, The University of Texas en Austin
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Ann Maclean, Michigan Technological University Kellen Maicher, Purdue University
Jim Morgan, Texas A&M University Bill Ross, Purdue University Mary Sadowski, Purdue University
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Tom Singer, Sinclair Community College Kevin Standiford, Consultor
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Reconocimientos Los autores desean agradecer a las personas siguientes por sus contribuciones al libro de texto y por su apoyo durante su desarrollo: George Tekmitchov y Darrrin Cooper de Hoyt USA por su ayuda y cooperación con el material del caso de estudio AeroTec; David Madsen por materiales de problemas; David Goetsch por materiales de problemas; George Kiiskila de U.P. Engineers y Architects por planos de construcción; Fritz Meyers por el uso del plano de su dibujo; Mark Sturges de Autodesk por materiales de gráficas; Rosanne Kramer de So-
lidworks por materiales de gráficas; Marie Planchard de Solidworks por materiales de gráficas; James DeVoe de Delmar Cengage Learning por su apoyo, confianza, persistencia, buen humor y paciencia al supervisar este proyecto hasta el final; Monica Ohlinger, editora extraordinaria, de Ohlinger Publishing Services por sus habilidades organizacionales que resultaron en la culminación de este proyecto. Además, los autores están agradecidos a los revisores siguientes por sus comentarios y criticismos cándidos en todo el desarrollo del libro:
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Tom Bledsaw, ITT Ted Branoff, North Carolina State University Patrick Connolly, Purdue University Richard F. Devon, Penn State University Kathy Holliday-Darr, Penn State University, Erie Tamara W. Knott, Virginia Tech Kellen Maicher, Purdue University Jim Morgan, Texas A & M Kellen Maicher, Purdue University William A. Ross, Purdue University Mary Sadowski, Purdue University James Shahan, Iowa State University Michael Stewart, Georgia Tech
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Acerca de los autores Dennis K. Lieu El Profesor Dennis K. Lieu nació en 1957 en San Francisco, California, en donde asistió a escuelas públicas, incluyendo la Lowell High School. Continuó su educación universitaria en la University of California en Berkeley, de donde recibió su grado de ingeniero mecánico en 1977, su grado de maestro en ingeniería mecánica en 1978, y el de doctor en ingeniería mecánica en 1982. Su campo de estudio principal fue en dinámica y control. Su trabajo de postgrado, ante la dirección del Profesor C.D. Mote, Jr., comprendió el estudio de la mecánica del esquiador/esquí y la función de unión del esquí. Después de sus estudios de postgrado, el Dr. Lieu trabajó como ingeniero consejero en la IBM en San José, California, en donde dirigió la especificación, el diseño y el desarrollo de mecanismos y componentes en los montajes de cabezas de discos duros de computadoras. En 1988 el Dr. Lieu se unió a la facultad de ingeniería mecánica de la UC Berkeley. Su laboratorio de investigación está involucrado en investigación sobre la mecánica de dispositivos electromecánicos de alta velocidad, ruido y vibración generados magnéticamente. Su laboratorio también estudia el diseño de dispositivos para evitar lesiones por traumas severos en aplicaciones deportivas, de medicina, y de aplicación de la ley. El Prof. Lieu
imparte cursos en Engineering Graphics and Design of Electro-mechanical Devices. Fue el receptor de un National Science Foundation Presidential Young Investigator Award en 1989, el Pi Tau Sigma Award for Excellence in Teaching en 1990, y el Berkeley Distinguished Teaching Award (que es el mayor honor para la excelencia en la enseñanza en el campus de la U.C. Berkeley) en 1992. Es miembro de Pi Tau Sigma, Tau Beta Pi, y Phi Beta Kappa. Sus afiliaciones profesionales incluyen la ASEE y la ASME. Los pasatiempos del Prof. Lieu comprenden Taekwondo (deporte en el que es cinta negra 4o. dan) y arquería estilo olímpico. Sheryl Sorby La profesora Sheryl Sorby no está dispuesta a revelar el año en que nació, pero afirma que es más joven que Denis Lieu. Realizó su educación superior en la Michigan Technological University, en donde obtuvo su grado de ingeniera civil en 1982, la maestría en ingeniería mecánica en 1985, el de doctora en ingeniería mecánica-mecánica en ingeniería en 1991. Fue estudiante graduada de intercambio en el Eidgenoessiche Technische Hochshule en Zúrich, Suiza, en donde estudió cursos avanzados en mecánica de sólidos e ingeniería civil. En la actualidad es profesora de ingeniería civil y medioambiental en la Michigan Technological University. La
Dra. Sorby fue Associate Dean for Academic Programs y también Department Chair of Engineering Fundamentals en el Michigan Tech. Ella también ha fungido como Program Director en la Division of Undergraduate Education en la National Science Foundation. Sus intereses en investigación incluyen varios temas sobre la educación en ingeniería, con énfasis en gráficas y visualización. Fue galardonada con el premio en investigación Betty Vetter mediante el Women in Engineering Program Advocates Network (WEPAN) por su trabajo sobre mejorar el éxito de estudiantes de ingeniería femeninas por medio del desarrollo del curso de habilidades espaciales. También fue acreedora al premio Engineering Design Graphics Distinguished Service Award, al Distinguished Teaching Award, y al Dow Outstanding New Faculty Award, todos de la ASEE. La Dra. Sorby actualmente funge como Associate Editor para el nuevo periódico en línea de la ASEE, Advances in Engineering Education. Es miembro del Michigan Tech Council of Alumnae. Ha sido una líder en el desarrollo del programa de ingeniería en el primer año y del Enterprise en el Michigan Tech y autora de numerosas publicaciones y de varios libros de texto. Los pasatiempos de la Dra. Sorby incluyen jugar al golf y tejer.
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CAPÍTULO
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INTRODUCCIÓN A LA COMUNICACIÓN GRÁFICA EN INGENIERÍA OOBBJ JE ECTTIIVVOE S
Después de estudiar este capítulo, usted podrá • Explicar e ilustrar por qué las gráficas en ingeniería son una de las herramientas especiales disponibles para el ingeniero • Definir cómo la visualización, el modelado, y las gráficas en ingeniería los utilizan los ingenieros en su trabajo • Proporcionar una historia breve sobre cómo las gráficas en ingeniería, a modo de perspectiva sobre cómo se utilizan en la actualidad, en comparación con el pasado
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1.01 introducción
Dado que las gráficas en ingeniería son una de las primeras habilidades que se enseñan de manera formal a la mayoría de los estudiantes de ingeniería, es probable que usted sea uno de ellos ya inscrito en una carrera de ingeniería, entonces sea usted ¡bienvenido! Puede ser que se pregunte por qué está estudiando esta materia y qué hará por usted como estudiante de ingeniería y, luego, como profesional. En este capítulo se explica qué es la ingeniería, cómo ha progresado a través de los años, y por qué las gráficas son una valiosa herramienta para los ingenieros. Exactamente ¿qué es ingeniería? ¿Qué hace un ingeniero? El término ingeniero proviene del latín ingenerare, que significa “crear”. Puede ser que aprecie mejor lo que hace un ingeniero si considera que ingenious también es un derivado de ingenerare. Lo siguiente sirve como una definición formal de ingeniería: Profesión en la que el conocimiento de las matemáticas y las ciencias naturales, obtenido mediante el estudio, la experiencia y la práctica, se aplica con juicio para desarrollar y utilizar económicamente los materiales y las fuerzas de la naturaleza para el beneficio de la humanidad. Una definición moderna e informal de ingeniería es “el arte de hacer que funcionen las cosas”. Una parte construida o un sistema de ingeniería no ocurren de forma natural. Es algo que ha requerido conocimiento, planeación y esfuerzo en su creación. Por tanto, ¿en dónde y cómo se intercalan las gráficas? Las gráficas en ingeniería han tenido tres funciones a través de su historia: 1. Comunicación 2. Mantenimiento de registros 3. Análisis Primero, las gráficas en ingeniería han servido como un medio de comunicación. Se han utilizado para transmitir conceptos e ideas de manera rápida y precisa de una persona a otra sin necesidad de emplear palabras. Conforme más gente se ha involucrado en el desarrollo de productos, la comunicación precisa y eficiente se ha hecho cada vez más necesaria. Segundo, las gráficas en ingeniería han servido como un medio para registrar la historia y el desarrollo de una idea al paso del tiempo. A medida que los diseños fueron haciendo más complejos, fue necesario registrar las ideas o características que funcionaron bien en un diseño de manera que se pudieran repetir en aplicaciones futuras. Y tercero, las gráficas en ingeniería han servido como una herramienta de análisis para determinar las formas y los tamaños críticos, así como otras variables necesarias en un sistema concebido. Estas tres funciones aún son vitales en la actualidad, más que en el pasado, debido a la complejidad técnica requerida para fabricar productos modernos. Las computadoras, el modelado tridimensional, y el software de gráficas han hecho cada vez más efectivo el uso de las gráficas en ingeniería como una ayuda en el diseño, la visualización, y la optimización.
1.02 Una historia breve La forma en que se hacen las cosas en la actualidad evolucionó a partir de la manera en que se hicieron en el pasado. Usted podrá comprender la manera en que se utilizan las gráficas en ingeniería en la actualidad al examinar cómo se emplearon en el pasado. Las comunicaciones gráficas han apoyado a la ingeniería a través de la historia. La naturaleza de las gráficas en ingeniería ha cambiado con el desarrollo de nuevas herramientas y técnicas gráficas.
1.02.01 Historia antigua Las primeras formas documentadas de comunicación gráfica son las pinturas rupestres, como la que se muestra en la figura 1.01, en donde se ven seres humanos representando un comportamiento social organizado, de cómo viven y cazan en grupos, el uso de heReg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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FIGURA 1.01 Pintura en una cueva sin fechar que muestra una cacería y el uso de herramientas. Fuente: ACE STOCK LIMITED/Alamy
rramientas y otros artículos fabricados por comodidad y conveniencia de vida también se comunicaban en las pinturas rupestres. Sin embargo, estas pinturas por lo general representaban un estilo de vida, en vez de ciertas instrucciones para la fabricación de herramientas, productos, o estructuras. La forma en que se hicieron los artículos aún queda a la conjetura. Las primeras estructuras grandes de importancia fueron las pirámides de Egipto y las pirámides de los indios de norteamérica. Algunos ejemplos sobrevivientes se muestran en la figura 1.02. Las pirámides de Egipto fueron construidas como tumbas para los faraones. Las pirámides de los nativos norteamericanos se erigieron para llevar a cabo ceremonias religiosas o para uso científico, a modo de observatorios. Hacer estas grandes estructuras, con un ajuste de precisión de sus partes y con las herramientas disponibles en ese tiempo, requería de mucho tiempo, esfuerzo y planeación. Incluso con herramientas y técnicas de construcción modernas, estas estructuras serían difíciles de reproducir en la actualidad. El método de construcción de las pirámides se desconoce en gran parte, los registros de la construcción nunca se han encontrado, aunque han surgido varias teorías a través del tiempo. Los jeroglíficos egipcios, que eran una forma de registro escrito, incluían la documentación de algunas habilidades ocupacionales, como la fabricación de papel y de
FIGURA 1.02. Pirámide maya, en Yucatán, México (izquierda) y pirámides de los faraones Knufu y Khafre, Giza, Egipto (derecha). Fuentes: Brand X Pictures/Alamy, izquierda; DIOMEDIA/Alamy, derecha. Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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FIGURA 1.03. Jeroglíficos egipcios antiguos que describen una historia de vida. Fuente: © Bettmann/CORBIS
agricultura, aunque, en su mayor parte, documentaban un estilo de vida. Un ejemplo de un registro sobreviviente se muestra en la figura 1.03. Como resultado de estos registros, las habilidades para hacer papel y de agricultura se podían mantener y mejorar con el paso del tiempo. Incluso la gente que carecía de una capacitación formal en estas habilidades podía desarrollarlas al consultar los registros escritos. Dos métodos de construcción ingenieriles ayudaron a la expansión del Imperio Romano al incluirlos en gran parte del mundo civilizado europeo. Estos métodos se utilizaron para crear el arco y el camino romanos. El arco romano, que se muestra en la figura 1.04, se componía de piedra que era cortada previamente a las dimensiones prescritas y se ensamblaba en un vano arqueado. La instalación de la dovela del arco en la parte superior transfería el peso de éste y la carga que soportaba hacia las piedras restantes que eran trabadas por fricción. Esta estructura aprovechó la resistencia a la compresión de la roca, lo que originó la creación
FIGURA 1.04. Acueducto romano Pont-du-Gard (izquierda), construido en el año 19 a.C. para conducir agua a través del Gardon Valley a Nimes, los claros del primer y segundo niveles son de 53-80 pies. El Ponte Fabricio en Roma (derecha) construido en el año 64 a.C. salva la orilla del Río Tíber y la isla Tíber. Fotografías de William G. Godden, Reimpresas con permiso de EERC Library, University of California, Berkeley. Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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FIGURA 1.05. Grabado que muestra la operación del tornillo de Arquímedes para elevar el agua. Cortesía de Time Life Pictures/Getty Images
de estructuras grandes en las que se utilizó mucho menos material. La arquitectura del arco romano se empleó para erigir muchos edificios y puentes grandes. Los acueductos de la era romana, que aún existen en la actualidad en España y otros países europeos, son evidencia de la solidez de este diseño. El método empleado para construir caminos romanos prescribía el uso de capas sucesivas de arena, grava y piedra (en vez de sólo una capa de la tierra natural), lo que formaba caminos lo suficientemente anchos para su uso comercial y militar. Además del método de construcción en capas, estos caminos también estaban coronados para eliminar el agua de lluvia y contaban con cunetas para desalojarla. Este método de construcción aumentó la probabilidad de que los caminos se cubrieran de vegetación y permanecieran transitables incluso en clima adverso. Como resultado, los ejércitos romanos tenían acceso confiable a todos los rincones del imperio. Hace mucho tiempo que desapareció el Imperio Romano, pero las técnicas utilizadas para la construcción del arco y los caminos romanos todavía se utilizan. La razón de la perseverancia de estos diseños fue probablemente debida a Marcus Vitruvius, quien, durante la época del Imperio Romano, procuró documentar cuidadosamente la forma en que se hicieron las estructuras. El tornillo de Arquímedes, utilizado para subir agua, es un ejemplo de una invención mecánica desarrollada durante la época del Imperio Griego. Durante muchos siglos se utilizaron variaciones del dispositivo debido a que se disponía (y aún se dispone) de diagramas que representaban su uso. Uno de estos diagramas se muestra en la figura 1.05. Estos documentos primitivos fueron los precursores de los dibujos de ingeniería modernos. Dado que los documentos comunicaban de manera gráfica cómo construir dispositivos y estructuras especiales, no eran necesarios el lenguaje ni la traducción del mismo.
1.02.02 El período medieval La construcción de edificios grandes ayudó a definir el período medieval en Europa. Su arquitectura fue más complicada que la arquitectura básica utilizada para los diseños de edificios antiguos. El arbotante, que es una modificación del arco romano, hizo posible construir edificios más largos y más altos con interiores cavernosos. Este tipo de estructura fue especialmente popular en Europa en la construcción de catedrales, como la que se muestra en la figura 1.06. Los muros de las fortalezas y de los castillos se hicieron más altos y más gruesos. Las torres se incluyeron como una parte integral de los muros, como se muestra en la figura 1.07, para defender a los moradores en muchas direcciones, incluso cuando los atacantes hubieran llegado a la base de los muros. Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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FIGURA 1.06. Construcción de arbotantes utilizados para soportar los muros exteriores de la catedral de Nuestra Señora, en París. Cortesía de Getty Images
FIGURA 1.07. El Castillo Warwick, Inglaterra, aproximadamente del año 1350, es un ejemplo de la fortificación de estilo medieval. Fuente: © Royalty-Free/CORBIS
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FIGURA 1.08. La Gran Muralla China, construida durante el período medieval, en su diseño se utilizaron principios de ingeniería simples a pesar de la gran escala del proyecto. Fuente: Nigel Hicks/Alamy
En Asia, las fortificaciones grandes, los santuarios y templos, como los que se muestran en la figura 1.08, se construyeron para que durasen cientos de años. La complejidad de las técnicas para construir dichas estructuras requería de planeación y documentación, en especial cuando la materia prima tenía que ser transportada desde grandes distancias. La construcción de estructuras de esos grandes tamaños requería de la comprensión de la transmisión de fuerzas entre los elementos de soporte y de la cantidad de fuerza que podían soportar estos elementos. Ese conocimiento fue especialmente importante cuando la madera era el material de construcción primario. Los proyectos de ingeniería civil a gran escala se iniciaron durante la era medieval. Estos proyectos fueron diseñados por los gobiernos civiles para beneficiar a los grupos grandes o a la población en general, a diferencia de los proyectos construidos para uso privado o militar. Los molinos de viento en Holanda, como los que se muestran en la figura 1.09, son ejemplo de un proyecto de ingeniería civil. Los molinos aprovechaban la energía natural del viento para bombear grandes volúmenes de agua de la vasta tierra inundada, para recuperar terrenos adecuados para la agricultura y poder habitarla. Los molinos de viento y las ruedas hidráulicas, se utilizaron para una variedad de tareas, como para moler granos y bombear agua para irrigación. Los dos inventos fueron populares en toda Europa y Asia, un hecho que es conocido debido a que se dispone de diagramas que muestran su construcción y uso.
1.02.03 El Renacimiento El inicio del Renacimiento en el siglo XIII vio el advenimiento del pensamiento científico físico, que se utilizó para predecir el comportamiento de los sistemas físicos basados en la observación empírica y en las relaciones matemáticas. La persona más prominente entre los pensadores científicos de ese tiempo fue Leonardo da Vinci, quien documentó sus ideas en dibujos. Algunos de estos dibujos, los cuales son bien conocidos en la actualidad, se muestran en la figura 1.10. Muchos de sus dispositivos propuestos no hubieran funcionado en su forma original, pero sus dibujos transmitieron ideas y propuestas nuevas, así como hechos conocidos. Antes del Renacimiento, casi todo el arte y los diagramas de estructuras y dispositivos eran registros de algo que ya existía o se extrapolaban fácilmente de algo ya probado y que se sabía que funcionaba. Cuando los inventores aplicaron la ciencia física a la ingeniería, pudieron concebir cosas que en teoría deberían haber funcionado Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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FIGURA 1.09. La red de molinos de viento en Holanda, utilizada para drenar agua de las tierras inundadas, es un ejemplo de los proyectos iniciales de ingeniería civil a gran escala. Fuente: © PaulAlmasy/CORBIS
FIGURA 1.10. Imágenes de dibujos originales de da Vinci: una máquina utilizada para la excavación de canales (izquierda) y un barco volador (derecha). Codex Atlanticus, folio 860; dibujo del Il Códice Atlántico de Leonardo da Vinci en la biblioteca Ambrosiana en Milán, Editore Milano Hoepli 1894-1904; el dibujo original se conserva en la biblioteca Ambrosiana de Milán. Fuente: © Bettmann/CORBIS Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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FIGURA 1.11. Máquina de movimiento perpetuo creada por inventores medievales: un tornillo de Arquímedes accionado por una rueda hidráulica se emplea para moler granos. Fuente: Timewatch Images/Alamy
sin haberse construido previamente. Cuando los inventores no comprendían la ciencia que había detrás de los dispositivos propuestos, éstos usualmente no funcionaban. La gran cantidad de máquinas de movimiento perpetuo propuestas en ese tiempo, como la que se muestra en la figura 1.11, son evidencia de la falta de comprensión del inventor acerca de la ciencia física y de sus intentos fallidos para construir las máquinas. Los ingenieros comenzaron a darse cuenta que el dimensionamiento preciso era un elemento de la función de una estructura o dispositivo. Los diagramas hechos durante el Renacimiento pusieron más atención a una profundidad y perspectiva precisas que en los tiempos anteriores. Como resultado, los dibujos de dispositivos propuestos y existentes parecían más realistas que en los dibujos previos. La pólvora se introdujo durante el Renacimiento, al igual que el cañón. El cañón hizo obsoletas a la mayor parte de las fortalezas construidas durante la época medieval. Los muros no podían soportar el impacto de los proyectiles lanzados por los cañones. En consecuencia, las fortalezas necesitaron ser rediseñadas para resistir el impacto de los cañones. En Francia se diseñó un nuevo estilo de fortificación más resistente. Las fortificaciones se construyeron con muros angulados que ayudaron a desviar el impacto de los cañones y a que no se derrumbaran como lo hacían los muros verticales cuando recibían impactos de frente. Las nuevas fortalezas eran geométricamente más complicadas de construir que sus predecesoras con muros verticales. Además, el perímetro de la fortaleza había evolucionado de la forma simple rectangular a la forma pentagonal con una extensión prominente en cada ápice. Esa forma perimetral, juntamente con los muros angulados, dio como resultado muros que se intersecaban en ángulos impares que no podían ser vistos ni medirse fácil o directamente. La siguiente es una lista de las preguntas que los constructores de las primeras fortalezas podían responder fácilmente, pero que los constructores de las fortalezas con muros angulados no podían: ■ ■ ■
¿Cuál es el área superficial de un muro? ¿Cuál es el volumen de relleno? ¿Cuáles son las longitudes específicas de los maderos y las vigas necesarios para construir y reforzar los muros? Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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■ ■
¿Cuáles son los ángulos de intersección reales entre ciertas superficies? ¿Cuáles son las distancias entre unas líneas y otras líneas, entre puntos y líneas, y entre puntos y superficies?
Por fortuna, los franceses tenían a Gaspard Monge, quien desarrolló una técnica de análisis gráfico denominada geometría descriptiva. Las técnicas analíticas utilizando matemáticas no eran muy complicadas en ese tiempo, ni había máquinas disponibles para llevar a cabo los cálculos matemáticos. Pero los instrumentos mecánicos, como los compases, los transportadores y las reglas, junto con el método gráfico, se empleaban para analizar problemas sin necesidad de realizar cálculos matemáticos complicados. Las técnicas de la geometría descriptiva permitieron que los ingenieros crearan cualquier vista de un objeto geométrico a partir de dos vistas existentes. Al crear la vista adecuada, los ingenieros podían ver y medir los atributos de un objeto, como la longitud real de sus líneas, la forma real de planos, y los ángulos de intersección reales. Estas habilidades eran necesarias, en especial para la construcción de fortificaciones, como se muestra en la figura 1.12. La geometría compleja, los ángulos de intersección impares, y la altura de los muros tenían la finalidad de maximizar el fuego cruzado sobre el enemigo que se aproximaba y al tiempo no se revelaba cómo era el interior de la fortaleza. Otro objetivo fue el de construir las murallas y muros moviendo la cantidad mínima de material para lograr la máxima economía. La astucia de los franceses en la construcción de fortificaciones mantuvo a Francia como la potencia militar principal en Europa hasta el siglo XVI. En ese tiempo, en Francia la geometría descriptiva era considerada como secreto de Estado y su divulgación era un delito que se castigaba con la muerte. Como resultado de la alianza entre Francia y los recién constituidos Estados Unidos, en muchas fortificaciones construidas en este país se utilizaron diseños franceses. Un ejemplo es el Fort McHenry (que se muestra en la figura 1.13), que fue construido en 1806 y que está exquisitamente preservado en Baltimore, Maryland. El Fort McHenry sobrevivió bombardeos por los británicos durante la guerra de 1812 y es significativo debido a que inspiró a Francis Scott Key a escribir el himno de E.U. “The Star Spangled Banner”. En los años de 1800, la mayor parte de la ingeniería era de tipo civil o bien militar. La ingeniería civil se especializaba en la construcción de edificios, puentes, caminos, barcos comerciales, y otras estructuras, principalmente para uso civil y comercial. La ingeniería militar se especializaba en la construcción de fortificaciones, barcos de guerra, cañones, y otros artículos de uso militar. En los dos campos de la ingeniería, conforme los proyectos se hicieron más complicados, se necesitó de más gente habilidosa en varias subespecialidades. Una comunicación clara, simple, y universal fue necesaria para coordinar y controlar los esfuerzos de los especialistas que interactuaban en un
Y
1 H
FIGURA 1.12 Uso de la geometría descriptiva para determinar el área de un plano. Cortesía de D. K. Lieu
Vista original Z
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X X Z X W Y
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Vista de la forma real
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FIGURA 1.13. Principios de diseño de una fortificación francesa (izquierda) y el Fort McHenry (derecha) en Baltimore, Maryland, cuyo diseño se basó en esos principios. Cortesía de The National Archives, College Park, Maryland, izquierda; Cortesía de The National Park Service, Fort McHenry NMHS, derecha.
mismo proyecto. La diversidad de personas especializadas necesitaban saber qué es lo que estaban haciendo otras personas a fin de que las diferentes partes y submontajes ajustasen y funcionaran apropiadamente. Para cumplir con esa necesidad, las primeras formas de dibujos a escala comenzaron a emplearse como un medio de comunicación para construir un edificio o un dispositivo.
1.02.04 La Revolución Industrial La Revolución Industrial comenzó a principios del siglo XVII con el nuevo campo de la ingeniería mecánica. Esta revolución fue, en parte, un resultado de la necesidad de tener nuevas armas militares. Antes de los años de 1800, los barcos y las armas se fabricaban uno a la vez por artesanos habilidosos. No existen planos originales de ningún barco de la era del descubrimiento, debido a que los carpinteros que los hacían no utilizaron planos dibujados en papel o en pergamino. Los únicos planos estaban en la mente del maestro carpintero, y los barcos se construían a ojo. Conforme creció la demanda de estas naves, cambiaron los métodos de producción. Resultaba mucho más económico construir muchos buques utilizando un solo diseño de partes comunes, que emplear un diseño hecho a la medida para cada nave. La construcción a partir de un diseño común requería especificaciones precisas de las partes que entraban en el diseño. Los artículos de ferretería que necesitaban los consumidores en general y los militares ya no los producían los artesanos especializados, sino que se producían en masa de acuerdo con las técnicas y máquinas especificadas por los ingenieros. Producción en masa significaba que cada producto tenía que ser idéntico a todos los otros productos, tenía que ser fabricado dentro de tiempos de producción predecibles y breves, tenía que hacerse a partir de partes que fueran intercambiables, así como producirse económicamente en volúmenes mucho mayores que en el pasado. Los movimientos consistentes y repetitivos de las máquinas requerían de una producción eficiente y a gran escala, lo que reemplazó a las operaciones de manufactura que habían requerido de los movimientos habilidosos de los artesanos. Además, se requirió que los motores, calderas y los recipientes a presión proporcionaran potencia a las máquinas. Una de las primeras instalaciones de manufactura con máquinas herramienta y una de las primeras máquinas a vapor se muestran en la figuras 1.14 y en la figura 1.15, respectivamente. La creación no sólo de un producto, sino también de las máquinas para producirlo estaba más allá de las habilidades de los artesanos, probablemente cada uno con un conjunto de habilidades diferentes necesarias para la producción de un solo producto. La alta demanda para crear máquinas, así como productos, significaba que la relación existente de maestro-aprendiz ya no podía suministrar la demanda de estas habilidades. Para cumplir con la demanda creciente, las escuelas de ingeniería tenían que enseñar cursos de física básica, de diseño de máquinas herramienta, del movimiento físico y transferencia de energía. Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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FIGURA 1.14. Fotografía que muestra las condiciones en las primeras fábricas durante la Revolución Industrial. Cortesía de Time Life Pictures/Getty Images
FIGURA 1.15. Dibujo esquemático de una máquina de vapor de James Watt, que era de uso común para accionar maquinaria de producción durante los primeros años de la Revolución Industrial. Fuente: North Wind Picture Archives/Alamy
La comunicación era necesaria para coordinar y controlar los esfuerzos de personas específicas con habilidades diferentes. Cada artesano, así como cada trabajador que desempeñaba un proyecto, necesitaba saber lo que hacían los demás de manera que las diversas piezas, dispositivos, estructuras o sistemas ajustasen y funcionaran de manera apropiada. Las ideas del maestro diseñador tenían que transferirse sin malinterpretación por parte de quienes trabajaban en todos los niveles de funciones de apoyo. En la etapa de diseño, antes de que realmente se construyeran las cosas, una vez empleados los diagramas pictóricos pronto se concluyó que eran insuficientes e imprecisos cuando se construían nuevas estructuras con novedosas técnicas. Esta necesidad finalmente condujo a la creación del dibujo moderno de ingeniería, con su presentación en vistas múltiples, identificación de tamaños y especificación de erros permisibles. En la época de la Revolución Industrial, las patentes empezaron a hacerse importantes. Como un método para estimular la innovación en una sociedad industrializada, muchos gobiernos ofrecieron patentes a los inventores. A los propietarios de las patentes se les garantizaban los derechos exclusivos de manufactura para el dispositivo que amparaba la patente durante cierto número de años prescrito siempre que indicara cómo operaba el dispositivo. Dado que una sola invención exitosa patentada podía enriquecer al propietario, mucha gente se inspiró para crear nuevos productos. Desde un principio, la diferencia entre los dibujos de patente y los de ingeniería ha sido que los dibujos de ingeniería se preparan para ser consultados por quienes están formalmente capacitados en habilidades ingenieriles, así como para mostrar tamaños y ubicaciones precisas. Por otro lado, los dibujos de patente se hacen para enseñar a otros cómo y por qué opera un dispositivo. En consecuencia, los dibujos de patente con frecuencia no muestran los tamaños reales o en escala de las partes. De hecho, es común que los tamaños se distorsionen para hacer el dispositivo más difícil de copiar por los posibles competidores. Un ejemplo de un dibujo de patente se muestra en la figura 1.16.
1.02.05 Más historia reciente Conforme fue avanzando la tecnología con el paso del tiempo, surgieron especialidades adicionales de ingeniería. A finales del siglo XVII, a medida que la energía eléctrica se hizo más popular y más disponible, nació la ingeniería eléctrica. La ingeniería eléctrica en dicho tiempo tenía que ver con la producción, distribución y utilización de la energía eléctrica. La información derivada del estudio de los motores eléctricos, generadores Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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FIGURA 1.16. Dibujo de patente de Estados Unidos que muestra la función, pero no necesariamente los tamaños reales de las partes. Cortesía de D. K. Lieu
(como se muestran en la figura 1.17), conversión de potencia, y líneas de transmisión necesaria para su diseño, fue más de lo que otros ingenieros —no específicamente ingenieros eléctricos— podían haber esperado saber y utilizar. La ingeniería química, como una disciplina especial de la ingeniería, surgió al inicio del siglo XX por la necesidad de la producción a gran escala de productos del petróleo en refinerías, como se muestra en la figura 1.18, y la síntesis de productos químicos sintéticos. Durante la década de 1950, la ingeniería industrial y la ingeniería de manufactura emergieron por la necesidad de mejorar la calidad, control y eficiencia de la producción. La ingeniería nuclear surgió como resultado de la energía nuclear y de los programas de armas nucleares. Algunas de las disciplinas más recientes de la ingeniería incluyen la bioingeniería, ciencias de la información y computacionales, sistemas microelectromecánicos (MEMS) y nanoingeniería. El diseño de un dispositivo de un sistema microelectrónico
FIGURA 1.17. Durante la época de la Revolución Industrial, las máquinas a vapor se reemplazaron por las accionadas por energía eléctrica, por ejemplo, mediante estos generadores en el Long Island Railway que se muestran (aproximadamente 1907). Había nacido la energía eléctrica. Cortesía de la SMITHSONIAN INSTITUTION Neg.#44191D
FIGURA 1.18. La demanda de productos químicos y de derivados del petróleo condujo a la construcción de plantas sofisticadas y refinerías y a las disciplinas de la ingeniería química y petrolera. Cortesía de DOE/NREL, fotografía de David Parsons.
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FIGURA 1.19. Esta válvula de un sistema microelectrónico se diseñó con un modelador sólido y se fabricó utilizando técnicas de procesamiento de semiconductores. Cortesía del Berkeley Sensor and Actuator Center, University of California.
FIGURA 1.20. Este nano-dispositivo para clasificar moléculas en realidad no aparece como se muestra, pero el uso de gráficas ayuda a comprender sus principios de operación. Cortesía de Kenneth Hsu.
(por ejemplo, la válvula que se muestra en la figura 1.19) requiere habilidades tanto de la ingeniería eléctrica como de la mecánica. Un dispositivo nano-concebido no se puede ver con la óptica convencional. Su apariencia supuesta, como la que se muestra en la figura 1.20, y su función se basan en conjeturas empleando herramientas gráficas de ingeniería. Con el surgimiento de una nueva disciplina viene una capacitación formal intensiva, en particular en la disciplina específica, a diferencia de la capacitación en una subespecialidad dentro de una disciplina existente. La mayor parte de los proyectos de
FIGURA 1.21. Los proyectos complejos de ingeniería, como las misiones espaciales interplanetarias, requieren de habilidades de ingeniería interdisciplinarias. Fuente: NASA/JPL/ Cornell University.
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ingeniería complejos actuales requieren de las habilidades combinadas de ingenieros de una variedad de disciplinas. Los ingenieros de cualquier disciplina no pueden lograr el alunizaje de un astronauta en la Luna o el del amarizaje de un vehículo robótico, como el que se muestra en la figura 1.21, en Marte.
1.03 La gente y sus habilidades En la actualidad existen pocos proyectos de ingeniería en donde una sola persona o un grupo pequeño de personas sea el responsable de todos los aspectos de un proyecto desde su inicio hasta el final. Mucha gente con muchos tipos diferentes de habilidades técnicas y no técnicas participan en las etapas del desarrollo y de la producción de un proyecto. Ya sea que esa persona sea el ingeniero que concibe la idea global o el fabricante que hace las piezas individuales o el técnico que ensambla las partes para hacer que el sistema opere, todos ellos tienen estas preguntas comunes: ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
¿Qué se supone que debe hacer esta parte, dispositivo, o estructura? ¿Cómo se supone que debe lucir? ¿Cuáles son las geometrías y tamaños precisos de sus características? ¿De qué está hecha? ¿Cómo se hace? ¿Cómo se ensambla en otras partes, dispositivos o estructuras? ¿Cómo puedo saber si todo está hecho de la manera en que se diseñó?
Para responder a estas preguntas, debe tener lugar un flujo de comunicación claro, continuo y no ambiguo, como se representa en la figura 1.22. El objeto imaginado por el ingeniero debe ser el mismo objeto producido por el fabricante y el mismo objeto ensamblado en el sistema funcional por el técnico. La comunicación gráfica que sigue los estándares y normas universalmente aceptados para representar formas y tamaños hace que esto suceda.
FIGURA 1.22. En el diseño convencional de un producto (arriba), las fases del ciclo de desarrollo ocurren secuencialmente. La ingeniería concurrente (abajo) combina dos o más fases para acelerar el ciclo. Cortesía de D. K. lieu
Diseño conceptual
Diseño del producto
Operación
Diseño de las máquinas herramienta
Producción
Diseño conceptual
Diseño de las máquinas herramienta
Diseño del producto
Producción
Operación
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1.03.01 Organización de las fases de duración del proyecto Un proyecto de ingeniería puede ser tan simple como un abrelatas de una pieza o tan complejo como una misión espacial interplanetaria —o cualquier cosa intermedia. El número de personas implicadas puede ser de sólo una o tantas como varios cientos. Sin importar la complejidad del proyecto o del número de personas, cualquier proyecto se puede dividir en varias fases durante su duración; estas fases son como sigue: ■ ■ ■ ■ ■ ■
Concepto Diseño Fabricación Instalación Operación Desecho
Por ejemplo, considere una instalación para generar electricidad por acción del viento, ubicada en Altamont Pass, en California, aproximadamente a 100 km al este de San Francisco. Esta instalación, compuesta de aproximadamente 7 200 turbinas de viento grandes que cubre un área de varios cientos de kilómetros cuadrados, es una de las instalaciones de generación de energía por acción del viento más grandes del mundo. Muchas de las lecciones aprendidas en la construcción y operación de la instalación Altamont se incorporaron en los planos para construir una nueva instalación de generación de electricidad generada por acción del viento para el área de Solano County, que está cerca del delta del río Sacramento, en California. Una parte pequeña de la instalación de Solano se muestra en la figura 1.23.
FIGURA 1.23. Algunas de las turbinas eólicas de 100 metros de altura en la instalación de generación de electricidad por acción del viento (arriba) y una de las turbinas en el suelo antes de su montaje (abajo). Cortesía de D. K. Lieu
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Antes de construir la instalación, se tenía que decidir durante la fase del concepto, si el proyecto sería económicamente viable y aceptable tanto en lo social como ambiental. Otras decisiones comprendieron el tamaño y la densidad de las turbinas. Durante la fase de diseño, se seleccionaron los tipos de turbinas, se desarrollaron las formas y tamaños de las diversas partes de las turbinas y sus estructuras de soporte, así como un esquema para colectar, controlar y distribuir la energía eléctrica que se produciría. Las partes que no se pudieron comprar como unidades terminadas fueron construidas a la medida durante la fase de diseño. Durante la fabricación de las partes a la medida para cualquier proyecto, se seleccionan los procesos de manufactura apropiados para reducir los costos tanto como sea posible. En los proyectos grandes, es común utilizar proveedores extranjeros y domésticos para partes prefabricadas, así como para las fabricadas a la medida. La fase de instalación comprende tomar las partes individuales y ensamblarlas para crear turbinas que funcionen de manera individual. Las turbinas individuales necesitaron que se conectaran en una red para suministrar la energía como un sistema completo. La fase de operación no sólo incluye el control del sistema, sino también el mantenimiento de las turbinas individuales y de la red de energía enlazada. Cuando las partes se desgastan o se dañan, se deben reparar o reemplazar. Por último, cuando toda la instalación ha alcanzado el fin de su vida útil, debe haber un plan en la fase de desecho para remover la instalación, desechar o reciclar sus componentes y adecuar el terreno para otros usos.
1.03.02 Organización de grupos funcionales Entre mayor es el número de personas involucradas en cada fase y entre fases, mayor será la necesidad de una comunicación efectiva. En un proyecto complejo de ingeniería, el trabajo necesita dividirse en muchas subespecialidades que suelen realizarse por diferentes organizaciones. Por lo general, el personal involucrado en cada fase de un proyecto se puede organizar en las siguientes funciones: ■ ■ ■ ■ ■ ■
Investigación y desarrollo Diseño Manufactura Ventas y/o compras Mantenimiento Subcontratistas
Dependiendo de la complejidad del proyecto, una misma persona puede manejar cada función como una especialidad, o un grupo completo de individuos puede ser responsable de cada función. En el caso de la instalación en Solano para la electricidad generada por el viento, examinemos una de las fases del proyecto. Durante la fase de diseño, ciertas personas fueron responsables de buscar y evaluar los materiales, dispositivos, y nuevas tecnologías que tendrían uso inmediato en el diseño y la construcción de las turbinas. Estas personas desempeñaron la función de investigación y desarrollo. Otras personas en la función de diseño fueron responsables de especificar las formas y los tamaños de las partes prefabricadas y hechas a la medida de manera que se ajustasen y funcionarán según su propósito. Los expertos que en realidad fabricaron las partes o bien las montaron en prototipos funcionales llenaron la función de manufactura. Los artículos prefabricados o la materia prima que se tuvo que comprar es responsabilidad del personal de compras. El personal de mantenimiento fue responsable de operar los prototipos y, si fuese necesario, reunir los datos necesarios para evaluar el diseño para mejorarlos. Los subcontratistas suministraron los artículos o los servicios que se pudieran producir más rápida y eficientemente por terceros. Para las fases relacionadas con la duración del proyecto, se podrían identificar responsabilidades similares para cada una de las funciones antes mencionadas.
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1.03.03 Organización de habilidades Dentro de cada función de cada fase del proyecto, la responsabilidad del personal de ingeniería se puede dividir aún más como sigue: ■ ■ ■ ■ ■ ■
Ingenieros Diseñadores Dibujantes Fabricantes Inspectores Técnicos
Los ingenieros son los responsables de asegurar que los sistemas y los dispositivos hayan sido especificados para funcionar dentro de los límites teóricos, al especificar los tamaños de las partes y los montajes de manera que no ocurran fallas, indicando los métodos en los cuales los dispositivos se mantienen y funcionan, y al evaluar y preparar el entorno en el que se deben colocar los proyectos grandes. Los diseñadores son los responsables del ajuste y terminado del proyecto, es decir, especifican la geometría y los tamaños de los componentes de forma que se acoplen apropiadamente unos con otros y que sean ergonómica y estéticamente aceptables dentro del entorno de funcionamiento. Los dibujantes son los responsables de la documentación, es decir, los registros gráficos formales de partes y montajes que se requieren, no sólo para la manutención de registros, sino también para una comunicación no ambigua entre quienes trabajan en el proyecto. Los fabricantes son los responsables de producir las partes de acuerdo con las especificaciones de los ingenieros y diseñadores, al utilizar como guía la documentación proporcionada por el dibujante. Los inspectores son los responsables de verificar el trabajo; toman las partes hechas por los fabricantes y comparan los tamaños reales de las características de las partes con los tamaños deseados. Esto se hace para asegurar que las partes estén hechas de manera adecuada y que se ajusten y funcionen tal como se propuso. Algunos proyectos se instalan sobre extensas áreas de terreno. En esos casos, los inspectores aseguran que el terreno haya sido preparado de manera adecuada y que los diversos elementos que componen el proyecto se hayan hecho e instalado de acuerdo con las especificaciones de los ingenieros. Los técnicos son los responsables de la operación y del mantenimiento; por lo general, ensamblan varios componentes para crear dispositivos o estructuras de trabajo, los operan y les dan mantenimiento. Dependiendo de la fase particular del proyecto y del grupo funcional particular dentro de esa fase, un grupo tendrá diferentes combinaciones de personal de ingeniería. Por ejemplo, la fase de diseño de la instalación para generar electricidad por medio del viento disponía de muchos ingenieros y diseñadores pero pocos técnicos. Sin embargo, durante la fase de operación, la instalación contaba mayormente con técnicos y sólo con algunos ingenieros. Un problema interesante que los ingenieros enfrentaron durante la fase de operación de la instalación para la generación de electricidad eólica en Altamont Pass, fue cómo se podría reducir el número de las aves, incluyendo los predadores grandes, los cuales morían cada año al chocar contra las palas de las turbinas. Nadie consideró este problema durante las primeras fases del proyecto. Se tuvieron que consultar a expertos aviares durante la fase de operación para que sugirieran a los ingenieros las soluciones posibles. A estos mismos expertos se les consultó durante la fase de diseño de la instalación de energía eólica en Solano. Las nuevas turbinas empleadas en Solano fueron diseñadas para velocidades menores de rotación de las palas, y sus torres se diseñaron para evitar que las aves formaran allí sus nidos. Sin importar cómo se forma un grupo de ingenieros, cuando cierto número de gente participa en cualquier aspecto de un proyecto, como en el diseño y la construcción de una parte, todos deben saber cómo se supone que debe lucir la parte, de qué material está hecha y qué se supone que debe hacer.
1.03.04 Ingeniería concurrente No debe usted concluir con la sección anterior pensando en que la única manera en que se elaboran los proyectos de ingeniería, o incluso la forma preferida para hacerlos, Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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FIGURA 1.24. Ingreso a la escotilla de mantenimiento en una de las torres de una turbina de viento en Solano. Cortesía de D. K. Lieu
es mediante la organización formal de grupos funcionales y de separar las habilidades. La separación de funciones y habilidades puede ser la forma clásica de hacer las cosas, pero en muchos productos modernos se utiliza la ingeniería concurrente para reducir el tiempo necesario en los ciclos de diseño y producción del artículo. La ingeniería concurrente es un proceso en el cual se combinan el diseño y ciertos aspectos de las fases de fabricación. Los ingenieros responsables del diseño de un producto y los ingenieros responsables de la manufactura o de la construcción del mismo trabajan muy estrechamente. Así pues, conforme se concibe una parte, su método de fabricación y de montaje en otras partes se le da una consideración cuidadosa. Luego el diseño de la parte se modifica para facilitar su fabricación y, cuando sea económicamente posible, se hace su montaje en un sistema mayor. La ingeniería concurrente también considera el método de desecho una vez que la parte ha llegado al final de su vida útil. Como un ejemplo de ingeniería concurrente considere la torre de soporte para una de las turbinas de viento en la instalación en Solano. Esta estructura soporta la turbina, la caja de engranajes de la transmisión y el generador, también proporciona acceso (por medio de una escalera muy larga) a los dispositivos para su mantenimiento, como se muestra en la figura 1.24. Suponga que usted es el diseñador de esta estructura y que desea fabricarla de acero. Dado que varias de estas estructuras pueden necesitarse para las muchas instalaciones de energía eólica alrededor del mundo, necesita considerar la economía de su fabricación. Utilizando un enfoque de cronograma convencional de ingeniería, se necesita determinar el material y la geometría requeridos, luego hacer los dibujos para la estructura. Solicitaría que se fabricase un prototipo, que se instalara en un prototipo de una turbina eólica, y probarlo para demostrar que hará para lo que usted lo diseño y, en especial, que no fallará. Luego entregaría la parte y sus dibujos a un ingeniero de manufactura para que determine la mejor manera y económica de fabricar grandes cantidades de las estructuras para satisfacer las necesidades mundiales de instalaciones de generación eólica de electricidad. Por ejemplo, una forma de fabricar la torre sería a partir de muchas placas de acero curvadas y pequeñas, soldadas todas juntas. Pero puede ser más económico producir secciones grandes de tubos con el diámetro de la torre y después conectar estas secciones. Sin embargo, el costo de cualquier diseño y fabricación de herramientas especiales requeridas para hacer y transportar los tubos grandes, lo cual necesitaría incluirse en el costo final de la estructura. Para hacer las secciones se dispone de procesos de fabricación diferentes. Cada proceso presenta ventajas y desventajas en cuanto a su costo y eficiencia. En la ingeniería concurrente, los ingenieros que participan en todas las fases del proyecto trabajan como un conjunto. Los ingenieros que por lo general se involucran Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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más tarde en el proceso se reúnen con el diseñador en las primeras etapas del diseño. Por ejemplo, el ingeniero de manufactura asesora al diseñador de la parte sobre cómo cambiarla de manera que sea más fácil de fabricarse o manejarse. Casi al mismo tiempo, el ingeniero de manufactura empezaría a diseñar cualesquiera herramientas especializadas que se necesitarían para fabricar, manejar y montar la parte en grandes cantidades. Cuando el prototipo de la parte se está fabricando, también se construirían estas herramientas especiales. La ventaja de la ingeniería concurrente es que se reduce el desarrollo del producto. La desventaja es que los errores grandes de diseño son costosos debido a cualquier cambio en el diseño también requieren de cambios en el diseño y fabricación de las herramientas para su producción.
1.04 Tecnología de las gráficas en ingeniería Los instrumentos de dibujo mecánico han sido una ayuda enorme para la creación de gráficas en ingeniería. Estos instrumentos mejoran en gran medida la precisión con la que se pueden producir y reproducir las gráficas, porque reducen alguna distorsión y hacen los análisis más fáciles y precisos. Al paso de los años la mejora de la tecnología de las gráficas en ingeniería ha sido un factor importante en mejorar los diseños y en la comunicación en ingeniería.
1.04.01 Los primeros años Hasta la era del Renacimiento, la mayor parte de los dibujos se hacía a mano sin dispositivos mecánicos, dado que no se disponía de ninguno. Como resultado, muchos de los dibujos que se hicieron para representar algún tipo de dispositivo de ingeniería estaban distorsionados. La cantidad de distorsión dependía de la habilidad de la persona que hacía el dibujo. Los dibujos bidimensionales (2-D) eran comunes debido a que eran fáciles de hacer. Los intentos para dibujar objetos que mostraran su profundidad tenían resultados mixtos. Leonardo da Vinci fue uno de los pocos que era diestro en esto, pero él también fue un artista habilidoso. Sin embargo, en general, los dibujos hechos a mano eran buenos para transmitir ideas y hasta cierto punto tamaños aproximados. Eran deficientes cuando se necesitaba precisión, principalmente debido a que no era posible determinar los tamaños exactos a partir de ellos. De hecho, la pulgada y el pie como unidades de medición en Europa no se estandarizaron sino hasta el siglo XII, y el metro se determinó hasta el siglo XVIII. Como resultado, cuando diferentes artesanos construían un mismo artículo, los tamaños de las partes resultaban ligeramente diferentes. Estas diferencias hacían que las partes no se pudieran intercambiar, y por tanto extremadamente difícil de producirlos en masa.
1.04.02 Instrumentos de dibujo Los primeros instrumentos utilizados para hacer dibujos incluían las reglas con escalas graduadas, compases y divisores, y transportadores. Solían ser artículos hechos a mano sólo para quienes podían pagarlos. Los instrumentos mecánicos de dibujo no estuvieron ampliamente disponibles, sino hasta la Revolución Industrial, cuando, por un costo razonable, mediante máquinas se podían producir instrumentos precisos tanto para el dibujo como para la medición. Las unidades estandarizadas y los dibujos de precisión hicieron posible que fabricantes diferentes hicieran la misma parte. Con especificaciones cuidadosas, las partes se podían intercambiar entre los dispositivos en los que funcionaban. Ahora que el dibujo en ingeniería hizo posible fabricar la misma parte por diferentes fabricantes, el dibujo en ingeniería se convirtió en un valioso medio de comunicación. Desde la Revolución Industrial hasta finales del siglo XX, los instrumentos de dibujo fueron mejorando lentamente en cuanto a su calidad y resultaron menos costosos. La tecnología de los instrumentos de dibujo alcanzó su nivel de uso más efectivo y más alto durante la década de 1970. En la actualidad algunas compañías e individuos aún tienen, e incluso prefieren, utilizar instrumentos mecánicos para hacer dibujos de ingeniería. Los instrumentos de dibujo clásicos, algunos de los cuales se muestran en la figura 1.25, están disponibles en tiendas de artículos de arquitectura, arte, e ingeniería; entre estos instrumentos se incluyen los siguientes: Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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FIGURA 1.25. Herramientas para dibujo instrumental (izquierda) y una máquina de dibujo (derecha). Fuentes: © Peter Harboldt/SuperStock, izquierda; © Françoise Gervais/CORBIS, derecha.
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Tablero (restirador) de dibujo, o sea una mesa larga y plana con bordes rectos y en escuadra para alinear los instrumentos de dibujo Vitela de dibujo, papel rugoso, estable dimensionalmente, y resistente al paso del tiempo sobre el que se hacen los dibujos cuando se colocan sobre el tablero de dibujo Regla T, instrumento que se utiliza para trazar líneas horizontales y verticales empleando los bordes del tablero de dibujo como referencia Escuadra, instrumento para trazar líneas a ángulos comunes Transportador, instrumento que se emplea para trazar líneas a ángulos comunes Escalímetro, instrumento que se utiliza para medir distancias lineales Máquina de dibujo, máquina especial que se emplea para retener escalas a ángulos arbitrarios mientras que se permite que las escalas se trasladen a través del dibujo que reemplaza de esta manera muchos de los instrumentos antes mencionados Compás, instrumento que se utiliza para trazar círculos y arcos Pistola de curvas, instrumento que se emplea para trazar curvas Plantilla, instrumento que se emplea para trazar formas comunes
Al utilizar lápiz o tinta, los ingenieros utilizan instrumentos para dibujar directamente sobre la hoja de vitela con el tamaño deseado. Los dibujos grandes se reproducen en máquinas de copiado especiales. Hasta la década de 1980, los estudiantes de ingeniería a menudo estaban limitados por tener que aprender cómo utilizar los instrumentos de dibujo.
1.04.03 La revolución de la computadora Durante la década de 1970, muchas compañías grandes, en particular las de las industrias automotrices y aeroespaciales, reconocieron las ventajas de los dibujos y las gráficas basadas en computadora: facilidad de almacenamiento y transmisión de datos, dibujos precisos, y facilidad para manipular los datos cuando se necesitaba modificar los dibujos. Varias compañías importantes comenzaron a desarrollar herramientas de dibujo asistido por computadora (CAD) para su uso propio. Las computadoras centrales apenas estaban alcanzando el punto en donde su costo, potencia de cómputo y capacidad de almacenamiento soportaría el dibujo basado en computadora. Los sistemas CAD consistían en terminales conectadas a una computadora central. Sin Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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embargo, la conversión al dibujo basado en computadora era lenta. Las computadoras centrales eran costosas, y el usuario debía poseer ciertas habilidades computacionales, el hardware y el software de computadora no eran muy confiables, y eran necesarios dispositivos de entrada y salida especiales. Así que el ingeniero o dibujante promedio tenía dificultades al hacer la transición de herramientas mecánicas a herramientas basadas en computadora. A finales de la década de 1970 y a principios de la década de 1980, varias compañías especializadas en CAD desarrollaron estaciones de dibujo en computadora autónomas basadas en computadoras pequeñas independientes denominadas estaciones de trabajo. Estas compañías comercializaron el hardware y software de computadora como una unidad completa, lista para operarse conocida como sistema “llave en mano”. El enfoque de la estación de trabajo al CAD hizo el software más accesible para las compañías pequeñas. Además, el software CAD se hizo más sofisticado y más fácil de usar. Su popularidad comenzó a crecer. A medida que las computadoras personales (PC) comenzaron a proliferar en la década de 1980, se popularizó el software CAD hecho específicamente para correr en PC. Una compañía que se convirtió en líder en esta aplicación fue Autodesk, con su software AutoCAD. Las compañías que antes suministraban sistemas CAD basados en computadoras centrales o de “llave en mano” adaptaron rápidamente sus productos para el uso en computadoras personales o cerraron sus negocios. Conforme las computadoras personales se hicieron más poderosas, baratas, más fáciles de usar y más prolíficas, el software CAD hizo lo mismo. Los tableros (restiradores) de dibujo fueron reemplazados por las computadoras personales. Un ejemplo de un sistema CAD basado en una computadora personal se muestra en la figura 1.26.
FIGURA 1.26. Las estaciones de gráficas por computadora han reemplazado a los instrumentos mecánicos de dibujo en la mayor parte de las aplicaciones. Un dibujo CAD se puede crear por sí mismo o se puede extraer a partir de un modelo sólido. Cortesía de D. K. Lieu
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1.04.04 Gráficas como herramienta de diseño El modelado tridimensional (3-D) basado en computadora como una herramienta de diseño en ingeniería se inició en la década de 1980. CAD era de gran utilidad, pero sólo producía dibujos. En este sentido, CAD era sólo un instrumento muy preciso para hacer dibujos. La representación tridimensional de un objeto lo tenía que visualizar la persona que leía el dibujo. Era lo mismo para cualquier ajuste o función de un montaje, la persona tenía que visualizarlo. Un problema era que no todos los lectores visualizaban un dibujo de la misma manera. El modelado tridimensional abordó estos problemas de manera directa. A diferencia de un dibujo 2-D CAD, que era una agrupación de objetos 2-D utilizado para representar vistas específicas de un objeto, los modelos sólidos basados en computadora tenían propiedades 3-D. El campo de la ingeniería mecánica rápidamente adoptó el modelado 3-D, denominándolo modelado sólido, para el diseño y análisis de partes y montajes mecánicos. La extrusión o revolución de formas 2-D creaban geometrías 3-D simples. Las geometrías más complejas se creaban mediante operaciones booleanas con geometría simple. La computadora calculaba una imagen pictórica 3-D de la parte, la cual el ingeniero podía ver en el monitor de computadora. La ventaja mayor del modelado sólido sobre el CAD era que permitía ver un objeto 3-D desde diferentes perspectivas, facilitando en gran medida la visualización de un objeto propuesto. Partes múltiples se podían ver en conjunto como un montaje y examinar para ver si tenían un ajuste apropiado. Con el modelado sólido, las gráficas se convirtieron en más que una herramienta de diseño, en lugar de solamente en una herramienta de dibujo. Un ejemplo de un modelo sólido para una parte individual se muestra en la figura 1.27 y en la figura 1.28 se muestra un modelo de montaje. Como ya se habrá dado cuenta, el modelado sólido requería más potencia computacional y memoria para procesar archivos que el CAD. Esa es la razón por la que el modelado sólido se introdujo originalmente en estaciones de trabajo computacionales utilizando sistemas operativos UNIX, los cuales eran relativamente costosos en ese tiempo. A finales de la década de 1980, un algoritmo nuevo de software aumentó la utilidad del modelado sólido al hacer posible enlazar los tamaños y ubicaciones de características en un objeto a variables que se pudieran ingresar y cambiar con facilidad. El proceso se conoció como diseño paramétrico. Estos productos facilitaron al
FIGURA 1.27. El modelado sólido permite visualizar fácilmente una parte propuesta en una variedad de orientaciones. Cortesía de D. K. Lieu
FIGURA 1.28. Modelo de montaje de un motor Ommica V-6 de 3.2 litros, hecho a partir de un conjunto de partes de modelado sólido. Cortesía de SolidWorks Corporation
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FIGURA 1.29. Interfaz gráfica del usuario de un programa de software de modelado sólido. Cortesía de SolidWorks Corporation
ingeniero agregar, eliminar o cambiar la geometría y los tamaños de las características en una parte y ver los resultados casi de inmediato. La observación dinámica, que permitió que el ingeniero torciera y girara la imagen de la parte en tiempo real, también fue una característica de software poderosa. Una calidad particular de ese software, o sea la extracción rápida y fácil de dibujos de ingeniería a partir del modelo tridimensional hizo del paquete de software una herramienta de dibujo valiosa, así como una herramienta de modelado. Conforme las computadoras personales se hicieron más poderosas, en la década de 1990, el modelado sólido se introdujo como un producto de software para computadoras personales. La migración del modelado sólido de estaciones de trabajo costosas a computadoras personales de costo más bajo popularizó el software entre compañías pequeñas e individuos. El desarrollo posterior de interfaces gráficas del usuario, como la que se muestra en la figura 1.29, a diferencia de los menús de texto prevalecientes en ese tiempo, facilitó el uso del modelado sólido, incluso para usuarios casuales. El modelado sólido basado en computadoras personales con interfaces gráficas del usuario pronto se hizo estándar.
1.04.05 Gráficas como una herramienta de análisis Con anterioridad a la década de 1970, antes de los días de las computadoras digitales y de las calculadoras manuales baratas, muchos tipos de problemas matemáticos se resolvían utilizando técnicas gráficas. Estos tipos de problemas incluían el análisis vectorial gráfico, las raíces e intersecciones de funciones no lineales y el cálculo gráfico. En la actualidad las técnicas numéricas resuelven estos problemas más rápida y fácilmente que las técnicas gráficas, por lo que las técnicas gráficas ya no se emplean mucho. Si bien el modelado sólido ha disminuido la utilidad de la geometría descriptiva como una herramienta analítica en muchas aplicaciones de ingeniería mecánica, la geometría descriptiva aún tiene aplicaciones útiles en algunos proyectos civiles grandes, arquitectónicos y mineros. En su mayor parte los tableros de dibujo (restiradores) se han reemplazado por computadoras y software CAD, lo que ha mejorado considerablemente la precisión, así como la facilidad de su uso. Sin embargo, los métodos clásicos para determinar distancias, áreas, inclinaciones e intersecciones utilizadas para la caracterización y modificaciones de terrenos aún se utilizan. En muchos proyectos recientes Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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FIGURA 1.30. El diseño de muchas estructuras grandes, como el puente Forth Road, Inglaterra, que se muestra aquí, aún requiere del uso de técnicas de dibujo y análisis bidimensional clásicas. Fuentes: Fotografía de William G. Godden, reimpresa con permiso de la EERC Library, University of California, Berkeley, arriba. Fotografía de Frederick T. Godden, reimpresa con permiso de la EERC Library, University of California, Berkeley, abajo.
de construcción y paisajismo a gran escala, como el que se muestra en la figura 1.30, se utilizaron métodos de análisis y presentación gráfica 2-D. Al utilizar el modelado sólido, el cálculo de propiedades mecánicas importantes de partes y montajes se puede hacer con facilidad. El volumen que ocupa una parte o montaje suele calcularse con un solo comando después de construido el modelo en computadora. También se pueden calcular las propiedades del volumen, como masa, centro de gravedad, momentos de inercia, productos de inercia y los ejes principales. Sin un modelador sólido, el cálculo de estas propiedades sería laborioso, en especial para geometrías complejas. La capacidad de análisis del modelado tridimensional (3-D) también lo ha hecho popular para ciertos tipos de análisis en aplicaciones de ingeniería civil. Los mapas topográficos bidimensionales, como el que se muestra en la figura 1.31, indica las elevaciones del terreno en emplazamientos de desarrollo para áreas residenciales propuestas antes y después de la adición de caminos y bases de construcción. Las curvas de nivel Reg. 300 VS © D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
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Fundamentos de dibujo para diseño de ingenierÃa es una UHIHUHQFLD E£VLFD HQ JU£ȴFDV GHO IXWXUR XQ HQIRTXH HQ HO GLVH³R GH LQJHQLHU¯D \ FRPXQLFDFLµQ JU£ȴFD 8Q SXQWR IXQGDPHQWDO GH HVWH OLEUR HV VX PHWRGRORJ¯D EDVDGD HQ È&#x160;TX«È&#x2039; \ È&#x160;SRU TX«È&#x2039; KDFHU R QR KDFHU (QWUH VXV SULQFLSDOHV FDUDFWHU¯VWLFDV GHVWDFDQ
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ISBN-13: 978-607-526-845-3 ISBN-10: 607-526-845-6
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14.06.2019