50 temas clave de la ingeniería

GUÍA BREVE

N

50 TEMAS CLAVE DE LA INGENIERÍA ÁMBITOS, MÉTODOS Y PRINCIPIOS H

H

H

GUÍA BREVE

50 TEMAS CLAVE DE LA INGENIERÍA ÁMBITOS, MÉTODOS Y PRINCIPIOS Colaboradores Roma Agrawal John Blake Colin Brown George Catalano Doug Cooper Kate Disney Roger Hadgraft Jan Hayes Marlene Kanga Gong Ke John Krupczak Raj Kurup Julia Lamborn Andrew McVeigh Seán Moran

Paul Newman Hung Nguyen Jenn Stroud Rossmann Veena Sahajwalla Tomás A. Sancho Jonathan Scott Tim Sercombe Paul Shearing Donglu Shi Matthew L. Smith Jorge Spitalnik Neill Stansbury Ilustraciones Nicky Ackland-Snow

James Trevelyan

Título original 30-Second Engineering Edición Susan Kelly, Katie Crous Dirección creativa Michael Whitehead Dirección editorial Tom Kitch Dirección artística James Lawrence Diseño Ginny Zeal Ilustraciones Nicky Ackland-Snow Traducción Dr. Alfonso Rodríguez Arias Ingeniero Industrial

Coordinación de la edición en lengua española Cristina Rodríguez Fischer Primera edición en lengua española 2019 © 2019 Naturart, S.A. Editado por BLUME Carrer de les Alberes, 52, 2.º, Vallvidrera 08017 Barcelona Tel. 93 205 40 00 e-mail info@blume.net © 2019 Quarto Publishing plc, Londres I.S.B.N.: 978-84-17757-41-0 Impreso en China Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, sea por medios mecánicos o electrónicos, sin la debida autorización por escrito del editor.

WWW.BLUME.NET

C104723

CONTENIDO

6 Introducción 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Métodos de la ingeniería GLOSARIO Divide y vencerás Aplicación de las matemáticas Más allá de la ciencia Diseño para resolver problemas Normas y especificaciones De las ideas a la realidad Formas de pensamiento Perfil: Charles Yelverton O’Connor Ingeniería civil y ambiental GLOSARIO Ingeniería civil Perfil: Fazlur Rahman Khan Principio del equilibrio de fuerzas Ingeniería geotécnica Ingenieros y arquitectos Ingeniería y civilización El control de los grandes ríos La ética de la ingeniería Ingeniería ambiental

52 Ingeniería mecánica, de materiales y mecatrónica 54 GLOSARIO 56 Ingeniería mecánica 58 Perfil: William John Macquorn Rankine 60 Ingeniería de materiales 62 Mecatrónica 64 Defensa 66 De los cojinetes de empuje a los terabytes 68 Energía eólica 70 Robótica y automatización 72 Ingeniería química y generación de energía 74 GLOSARIO 76 Ingeniería química 78 Generación y almacenaje de energía 80 Energía nuclear 82 Seguridad organizativa 84 Seguridad de las plantas de proceso 86 Plásticos y fertilizantes 88 Perfil: Fritz Haber y Carl Bosch 90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110

Ingeniería eléctrica y electrónica GLOSARIO Ingeniería eléctrica Ingeniería electrónica Ingeniería informática Ingeniería de software Perfil: Grace Brewster Hopper Nanotecnología Información y telecomunicaciones Procesamiento de señales Ingeniería biomédica

112 Ingeniería aeroespacial y del transporte 114 GLOSARIO 116 Ingeniería ferroviaria 118 Perfil: Liang Jianying 120 Plataformas flotantes 122 Fundamentos de la aerodinámica 124 Materiales para la industria aeroespacial 126 Lecciones del espacio 128 Automóviles sin conductor 130 132 134 136 138 140 142 144 146 148 150

Ingeniería del futuro GLOSARIO Pensar diferente Innovación Perfil: Ernst Dieter Dickmanns Energía y finanzas Escasez de recursos Alimentación de nuestro mundo Seguridad del agua Control de la contaminación Barcos robot: el transporte del futuro

152 154 156 158 160

Apéndice Fuentes Notas sobre los colaboradores Índice Agradecimientos

INGENIERÍA AMBIENTAL la base en 30 segundos Los ingenieros ambientales evalúan los

NÚCLEO EN 3 SEGUNDOS

Los ingenieros ambientales aplican los principios científicos y de ingeniería para desarrollar soluciones a fin de combatir la contaminación y prevenir sus efectos dañinos en el medio ambiente global.

IDEA EN 3 MINUTOS

La Evaluación de Impacto Ambiental (EIA) examina las consecuencias de un proyecto, tanto positivas como negativas, que cubren todos los aspectos del mismo, incluida su planificación, construcción, operación y el final de su vida útil. En la mayoría de los países, este proceso se rige por la legislación vigente e incluye aportaciones del público.

El resultado de este proceso requiere que quienes toman las decisiones tengan en cuenta los valores, los estudios ambientales detallados y los impactos potenciales para las actuales generaciones y las futuras.

50 g Ingeniería civil y ambiental

proyectos de ingeniería en términos de la eficiencia energética; los efectos sobre el aire, el agua, la tierra, la flora y la fauna; los riesgos para la salud humana; las emisiones de ruido; las medidas de conservación y uso de los recursos naturales. Influyen en los diseños de ingeniería, los planos de construcción, los procesos y la economía del proyecto para maximizar la protección ambiental. Analizan los proyectos como parte de un sistema cerrado en la Tierra, basándose en perspectivas multidisciplinares y de pensamiento crítico. Usan modelos informáticos de los flujos de los materiales y de la energía, la atmósfera y el clima, el ciclo del agua y el ciclo del carbono, todo para predecir cómo se expandirá la contaminación en el suelo, las vías fluviales y la atmósfera. Estos modelos se construyen utilizando ecuaciones basadas en principios físicos, químicos y bioquímicos como, por ejemplo, el de la conservación de la masa y la energía.

Las evaluaciones del impacto social se basan en los principios de desarrollo sostenible y en los métodos de investigación de las ciencias sociales, como el grupo focal. Los ingenieros ambientales trabajan en proyectos de diseño urbano y, a menudo, utilizan sus conocimientos para encontrar formas inteligentes de mejorar los entornos urbanos, como convertir los drenajes de agua en complejos parques y reservas naturales, al tiempo que proporcionan medios de almacenaje de agua para reducir los flujos en los máximos de las inundaciones.

TEMAS RELACIONADOS

Véanse también PENSAR DIFERENTE pág. 134 ESCASEZ DE RECURSOS pág. 142 CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN pág. 148

MINIBIOGRAFÍAS ELLEN SWALLOW RICHARDS

1842-1911 Ingeniera civil estadounidense y primera mujer admitida en el MIT (Instituto tecnológico de Massachusetts), pionera de trabajos de ingeniería sanitaria, suministro de agua y salud pública.

RACHEL CARSON

1907-1964 Bióloga marina estadounidense, autora y conservacionista, que atrajo la atención mundial al resaltar el impacto de los pesticidas en el medio ambiente e inició el movimiento de la conciencia ambiental global.

TEXTO EN 30 SEGUNDOS Julia Lamborn

Los ingenieros ambientales crean soluciones sostenibles para ayudar a la gente y a nuestro planeta.

PLÁSTICOS Y FERTILIZANTES la base en 30 segundos La producción de fertilizantes

NÚCLEO EN 3 SEGUNDOS

Los plásticos y los fertilizantes sintéticos baratos ayudan a sostener a la sociedad moderna, pero han sido causa de una contaminación inaceptable.

Con incentivos apropiados, la ingeniería química puede encontrar alternativas para reducir la contaminación.

IDEA EN 3 MINUTOS

Los termoplásticos son ligeros, fuertes, baratos y se moldean fácilmente.

Los fertilizantes minerales siguen siendo esenciales para la producción de alimentos a gran escala.

Las alternativas que reducen los desechos y/o la contaminación son más caras. La acción política podría imponer «costos externos» para cambiar la economía de los plásticos y fertilizantes, alentando el desarrollo de alternativas de menor costo. Los gobiernos pueden fomentar la producción de plásticos alternativos y fertilizantes menos contaminantes.

86 g Ingeniería química y generación de energía

nitrogenados que utilizan el nitrógeno del aire y el hidrógeno del petróleo o del gas es uno de los grandes éxitos de la ingeniería química. En 1909, el químico alemán Fritz Haber sintetizó amoniaco en el laboratorio. Con Carl Bosch creó un proceso industrial que produce 450 millones de toneladas anuales de fertilizantes a base de amoniaco. Los fertilizantes y los insecticidas de amoniaco han cuadruplicado la productividad de las tierras agrícolas. En 1907, el químico Leo Baekeland produjo el primer plástico de la ingeniería, la baquelita; una mezcla que cuando se calienta se solidifica con la forma del molde que lo contiene. Es un material aislante muy resistente que transformó la ingeniería eléctrica. La mayoría de los plásticos actuales son polímeros termoplásticos: largas cadenas de pequeñas moléculas producidas a partir del petróleo y del gas natural; calentándolos se pueden moldear o extruir en formas lineales o en láminas delgadas. La contaminación ambiental debida a los fertilizantes y a los plásticos es muy controvertida.

Los primeros se disuelven en el agua y se descargan en los ríos; los plásticos sintéticos se degradan muy lentamente, y contaminan los océanos. La elaboración de plástico reciclado es más cara y de menor calidad que el material nuevo. Los biofertilizantes producidos a base de desechos son más caros que los fertilizantes químicos industriales. Por lo tanto, son necesarias regulaciones e impuestos que fomenten el reciclaje de los plásticos y la producción de biofertilizantes.

TEMAS RELACIONADOS

Véanse también INGENIERÍA QUÍMICA pág. 76 ESCASEZ DE RECURSOS pág. 142 ALIMENTACIÓN DE NUESTRO MUNDO pág. 144

MINIBIOGRAFÍAS DIANNE DORLAND

1948Ingeniera química estadounidense y primera presidenta del American Institute of Chemical Engineers, reconocida por sus trabajos para reducir la contaminación por mercurio en la producción de papel y para la enseñanza de la ingeniería.

ISATOU CEESAY

1972Llamada «Reina del reciclado del plástico» en Gambia, Ceesay desarrolló esquemas de reciclado de plásticos para una comunidad de mujeres.

TEXTO EN 30 SEGUNDOS Seán Moran

A pesar de su exitosa historia, los fertilizantes y los plásticos son peligrosos para el medio ambiente.

N H

H H

¿Ha cruzado alguna vez un puente? ¿O bebido un vaso de agua? Claro que sí, pero ¿sabe por qué ha podido hacerlo? En el trasfondo de todo lo que vemos, tocamos, comemos y bebemos hay un equipo de ingenieros que dan forma a nuestro mundo. Desde los edificios hasta el transporte, del software a la inteligencia artificial, este libro presenta los conceptos integrales y las personas que constituyen el núcleo de estas empresas progresistas.

divide y vencerás aplicación de las matemáticas más allá de la ciencia diseño para resolver problemas normas y especificaciones de las ideas a la realidad formas de pensamiento ingeniería civil principio del equilibrio de fuerzas ingeniería geotécnica ingenieros y arquitectos La producción de fertilizantes ingeniería y civilización que utilizan el nitrógeno del aire y 50 temas clave de la ingenieríanitrogenados examina el control de los grandes ríos los métodos y las aportacioneseldehidrógeno los diversos del petróleo o del la gasética es uno deingeniería los de la ámbitos de la ingeniería, de la civil y la mecánica, grandes éxitos de la ingeniería química.

En 1909, ingeniería ambiental NÚCLEO EN 3 SEGUNDOS TEMAS RELACIONADOS deLos la química dequímico la eléctrica y de Fritz Haber sintetizó ingeniería mecánica plásticosyyla losde materiales, el alemán amoniaco en el Véanse también lafertilizantes electrónica.sintéticos Ayuda a entenderlaboratorio. los fundamentos deindustrial materiales INGENIERÍA QUÍMICA Con Carl Bosch creóingeniería un proceso pág. 76 baratos ayudan sostener e informa cómo, con científi cos de la aingeniería mecatrónica que produce 450 millones de toneladas anuales de sociedadtecnológicos, moderna, defensa losa laavances los ingenieros de hoy ESCASEZ DE RECURSOS fertilizantes a base de amoniaco. sido causalas de infraestructuras una deLos los fertilizantes cojinetes de empujepág. a los 142 terabytes nopero solohan remodelan existentes, contaminación inaceptable. y los insecticidas de amoniaco han cuadruplicado energía eólica sino que también crean sistemas avanzados de ALIMENTACIÓN Con incentivos apropiados, la productividad de las tierras agrícolas.

1907, el robóticaEn y automatización transporte producción.

DE NUESTRO MUNDO la ingenieríay química puede Cada uno de los temas ingeniería químicade pág. 144 químico Leo Baekeland produjo el primer plástico seencontrar expone de una manera concisa en menos alternativas para generación y almacenaje de energía ingeniería, que cuando se dereducir 300 palabras y una imagen, ylahacen fácilesladebaquelita; una mezcla la contaminación. energía nuclear MINIBIOGRAFÍAS examinar los revolucionarios logros de lase ingeniería calienta solidifica con la forma del molde que lo seguridad organizativa DIANNE DORLAND IDEA EN 3 MINUTOS y las innovaciones que cambiancontiene. nuestra vida.

Es un material aislanteseguridad muy resistente de las que plantas 1948de proceso Los termoplásticos son Ingeniera química transformó la ingeniería eléctrica.

La mayoría de los plásticos y fertilizantes ligeros, fuertes, baratos estadounidense y primera James Trevelyan es profesor emérito de la ingeniería eléctrica presidenta del American plásticos actuales y se moldean universidad defácilmente.

Australia Occidental, donde enseñóson polímeros termoplásticos: Institute of Chemical Engineers, ingeniería electrónica Los fertilizantes minerales largas cadenas producidas reconocida por sus trabajos para ingeniería durante 41 años. También es autor de pequeñas moléculas ingeniería informática reducir la contaminación por siguen siendo esenciales a partir del petróleo y del gas natural; calentándolos depara ThelaMaking of an Expert Engineer. Dirigió ingeniería de software mercurio en la producción de producción de papel y para la enseñanza se pueden moldear o extruir en formas lineales o en elalimentos desarrollo de robots para esquilar ovejas a gran escala. nanotecnología de la ingeniería. y de seguridad para La contaminación delgadas. ambiental debida Lasherramientas alternativas quey equipos deláminas información y telecomunicaciones CEESAY los de desechos lareducen remoción minasy/o terrestres.a En actualidady a los plásticosprocesamiento de señalesISATOU los la fertilizantes es muy controvertida.

1972contaminación son de másClose Comfort, una empresa esladirector ejecutivo biomédica Llamada «Reina del reciclado Los primeros se disuelven en elingeniería agua y se descargan caras.

La acciónclimatizadores política ingeniería ferroviaria del plástico» en Gambia, que desarrolla de aire con alta en los ríos; los plásticos sintéticos se degradan muy desarrolló esquemas podría imponer «costos plataformas flotantes Ceesay eficiencia energética. de reciclado de plásticos para externos» para cambiar la lentamente, y contaminan los océanos.

La elaboración una comunidad de mujeres. fundamentos de la aerodinámica economía de los plásticos de plástico reciclado es más caramateriales y de menorpara calidad la industria aeroespacial y fertilizantes, alentando lecciones del espacio que el material nuevo. Los biofertilizantes producidos TEXTO EN 30 SEGUNDOS el desarrollo de alternativas automóviles sin conductor Seán Moran a base de desechos son más caros que los fertilizantes de menor costo. Los pensar diferente gobiernos pueden fomentar químicos industriales. Por lo tanto, son necesarias innovación Preservamos el medio ambiente la producción de plásticos A pesar de su regulaciones e impuestos que fomenten el reciclaje • Reciclamos y reutilizamos. energía y finanzas alternativos y fertilizantes exitosa historia, • Usamos papel de bosques gestionados losresponsable. plásticos y la producción escasez de biofertilizantes. dede manera de recursos menos contaminantes. los fertilizantes y los

PLÁSTICOS Y FERTILIZANTES

la base en 30 segundos

ISBN 978-84-17757-41-0

86 g Ingeniería química y generación de energía 9 788417 757410

alimentación de nuestro plásticos mundo son peligrosos seguridad del agua para el medio ambiente. control de la contaminación barcos robot: el transporte del futuro