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TEMA: LOS MATERIALES Y SUS PROPIEDADES ÍNDICE 1. MATERIAS PRIMAS, MATERIALES Y PRODUCTOS TECNOLÓGICOS. 2. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS MATERIALES DE USO TÉCNICO. 3. LA ELECCIÓN DE LOS MATERIALES. 4. PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES 5. EJERCICIOS
Gran parte de los cables eléctricos se fabrican con hilos de cobre, un material conductor de la electricidad. ¿De dónde procede el cobre?, ¿de qué forma se ha transformado en hilos?, ¿por qué es necesario recubrir los hilos de cobre con un plástico para fabricar el cable?
En esta unidad estudiaremos los principales materiales que se utilizan para fabricar los productos que usamos en nuestro día a día, cómo se clasifican estos materiales y cuáles son las propiedades que les caracterizan.
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1. MATERIAS PRIMAS, MATERIALES Y PRODUCTOS TECNOLÓGICOS Llamamos materias primas a aquellos recursos naturales a partir de los cuales obtenemos los materiales que empleamos en la obtención de productos. Se extraen directamente de la naturaleza y atendiendo a su origen, se pueden clasificar en: • Materias primas de origen animal: pieles, seda, cuero, grasas, leche; etc. • Materias primas de origen vegetal: madera, corcho, lino, pigmentos, resinas; etc. • Materias primas de origen mineral: pizarra, mármol, arena, arcilla, minerales de hierro, cobre, …; etc.
A partir de las materias primas, una vez transformadas y mediante procesos variados, se obtienen los materiales que se utilizan en la fabricación de productos. Estos materiales han sufrido una transformación y ya son distintos de las materias primas de origen (piensa por ejemplo en los plásticos o polímeros que se obtienen del petróleo).
Con los materiales de uso técnico podemos fabricar objetos, utensilios o sistemas (producto tecnológico) que satisfacen las necesidades del ser humano. Ese plástico obtenido a partir del petróleo puede utilizarse para fabricar una botella de agua. De la misma manera las distintas piezas de un mismo producto pueden estar elaboradas con distintos materiales.
Observa que los distintos materiales que se han utilizado para fabricar cada pieza de los productos anteriores tienen unas propiedades especiales. A lo largo del tema veremos cuáles son y por qué se han utilizado en cada uno de los objetos anteriores.
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Un ejemplo: de la extracción del petróleo a la fabricación de una botella de agua... ✔ El PET es uno de los plásticos más utilizado en la fabricación de botellas de agua. Se obtiene a partir de materias primas derivadas del petróleo. Estas materias primas han debido ser transformadas previamente a temperatura y presión muy elevadas. De la resina de PET se obtienen unos gránulos que posteriormente se emplearán en la fabricación de los envases. Mediante el proceso llamado “inyección” se obtiene la “preforma” y mediante el “soplado automático” la forma definitiva de la botella que todos conocemos.
Piensa en algún proceso similar, en el que a partir de varias materias primas podamos obtener un producto tecnológico.
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2. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS MATERIALES DE USO TÉCNICO Materiales MADERAS
Clasificación y ejemplos • • •
Maderas naturales: abeto, chopo, haya, roble, caoba, … Derivados de la madera: contrachapado, aglomerado, táblex, … Transformados de la madera: papel, cartón, …
METALES
PLÁSTICOS
• •
Metales férricos: hierro, acero y fundiciones... Metales no férricos: aluminio, cobre, plomo, cinc, níquel, titanio, ...
•
Polietileno, Polipropileno, Metacrilato, PVC, PET, resinas fenólinas, PUR, Siliconas, …
• •
Naturales: Lana, Seda, Algodón, Lino, ... Sintéticas: Licra, Rayón, Nailon, Poliéster, ...
• • • •
Materiales Pétreos: mármol, pizarra, granito, … Materiales Aglutinantes: yeso, cemento, … Materiales Compuestos: mortero, hormigón, … Materiales Cerámicos: loza, porcelana, gres, refractarios, arcillas cocidas … Vidrios
TEXTILES
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
• MATERIALES COMPUESTOS •
Fibra de vidrio, fibra de carbono, plásticos rellenos, cermets, fibrocemento, ...
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3. LA ELECCIÓN DE LOS MATERIALES •
¿ Qué factores hay que tener en cuenta a la hora de elegir un material?
El diseño y la fabricación de cualquier producto están pensados para que éste cumpla perfectamente su función. Ello requiere la elección del material adecuado. Pensemos en un producto cualquiera: una silla. La silla debe ser lo suficientemente resistente para soportar diferentes pesos, sin que ello suponga que pese demasiado. Es estable, dura y no se rompe fácilmente¿Nos gusta cómo combina en nuestro salón, cocina o dormitorio? Me encuentro cómodo sentado en ella y la relación calidad-precio es buena. Es un producto relativamente fácil de fabricar. Además, podemos reciclarla cuando nos cansemos de ella o por su uso se encuentre deteriorada. Podemos pensar en tres modelos de sillas, fabricadas con materiales distintos y diseñadas para espacios diferentes.
•
Observa: ¿qué características tienen?, ¿cuál o cuáles son más adecuadas para exteriores?, ¿qué propiedades deberían de tener estos materiales?, ¿qué silla te parece que ha costado más?, ¿podrían reciclarse o reutilizarse para otros usos?
PLÁSTICO
METAL
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MADERA
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4. PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES PROPIEDADES 4.1.-FÍSICAS
Densidad Conductividad eléctrica Conductividad térmica Propiedades ópticas Conductividad acústica
4.2.-QUÍMICAS
Oxidación Corrosión
4.3.-MECÁNICAS
Dureza Tenacidad y fragilidad Elasticidad y plasticidad Maleabilidad y ductilidad
4.4.-ESTÉTICAS
Diseño, tacto, color, brillo, textura, olor, ...
4.5.-ECONÓMICAS
Calidad-precio, costes de extracción y transporte, ...
4.6.-ECOLÓGICAS
Contaminantes, reciclables, renovables, biodegradables, ...
4.1.-Propiedades físicas: Describen el comportamiento de un material cuando éste está sometido a la acción de diferentes estímulos como el calor, la electricidad, la luz o determinado tipo de fuerzas. Vamos a ver cuáles son estas propiedades: •
Densidad: La densidad es la cantidad de masa que contiene un material por cada unidad de volumen. El aluminio, por ejemplo, es más ligero que el hierro. Para determinadas aplicaciones, como el caso de la “navegación aérea” esta propiedad resulta determinante para elegir uno u otro material.
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Conductividad eléctrica: Tienen esta propiedad los materiales que dejan pasar fácilmente la electricidad a través de ellos. Se distinguen así los materiales conductores, que sí permiten el paso de la corriente eléctrica a través de ellos, y los materiales aislantes en el caso contrario. Todos los metales son buenos conductores de la electricidad, a diferencia de la madera, plástico o vidrio, que se consideran aislantes.
•
Conductividad térmica: Tienen esta propiedad los materiales que dejan pasar fácilmente el calor a través de ellos. Los materiales cerámicos son aislantes térmicos, como el plástico o la madera.
•
Propiedades ópticas: Según estas propiedades los materiales pueden clasificarse en … ✗
Transparentes, cuando dejan pasar la luz y ver a través de ellos (algunos plásticos pueden utilizarse para fabricar lentes).
✗
Translúcidos, cuando dejan pasar la luz pero no se ve a través de ellos (algunas telas finas, vidrios o plásticos).
✗
Opacos, cuando no dejan pasar la luz (madera, metal, cerámicas,...)
También el brillo o el color son propiedades ópticas que podemos apreciar sensorialmente y que nos pueden ayudar a identificar determinados materiales.
•
Conductividad acústica o sonora: Tienen esta propiedad los materiales que dejan pasar el sonido fácilmente a través de ellos. ¿Cuántos instrumentos musicales de plástico conoces?
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4.2.-Propiedades químicas: Describen el comportamiento de un material cuando es sometido a la acción de determinados agentes químicos o atmosféricos. •
Oxidación: Cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos, se dice que experimenta una oxidación. Los metales tienen mayor facilidad de oxidarse que otros materiales, es decir, son más sensibles a la oxidación. Sin embargo, algunos se oxidan más rápidamente que otros. La adición de cromo en los llamados aceros dulces produce una aleación inoxidable que todos conocemos: aceros inoxidables.
•
Corrosión: Cuando la oxidación se produce en un ambiente húmedo o en presencia de algunas sustancias muy agresivas como un ácido o agua salada, el material puede sufrir un proceso de corrosión que produce pequeñas fisuras, grietas o roturas del material.
4.3.-Propiedades mecánicas: Describen el comportamiento de un material cuando es sometido a la acción de fuerzas exteriores. Las más importantes son: •
Dureza: Es la resistencia que oponen los materiales a ser rayados. Un material puede ser más duro o más blando que otros si los comparamos entre ellos. El cuarzo, por ejemplo, es más duro que el yeso, pero menos que el diamante. El yeso, a su vez, es más duro que el talco. El talco es el material más blando en la denominada ESCALA DE MOHS.
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Tenacidad y fragilidad: Cuando un material aguanta los golpes sin romperse decimos que es tenaz (como el bronce de una campana). Sin embargo, cuando se rompe con facilidad, decimos que es frágil (como la porcelana de una vajilla).
•
Elasticidad y plasticidad: Algunos materiales recuperan su tamaño y forma originales cuando ha dejado de actuar sobre ellos la fuerza que los estaba deformando. Una goma, por ejemplo, es un material elástico. Una bola de chicle o de plastilina se deforma sin volver a su forma inicial cuando hemos aplicado sobre ellas una fuerza exterior. Son materiales plásticos.
•
Maleabilidad y ductilidad: Cuando un material puede extenderse o conformarse en láminas sin romperse decimos que es maleable. Los plásticos o el vidrio, en estado pastoso, son fácilmente maleables. ¿Y si puede extenderse o conformarse en hilos? Decimos que el material es dúctil. Algunos metales como el oro, el cobre o el aluminio, son dúctiles.
4.4.-Propiedades estéticas: Cuando un material se utiliza para una determinada aplicación , además de poseer determinadas propiedades físicas, químicas y mecánicas, debe tener ciertas propiedades que agraden a sus usuarios. Tacto, color, brillo, textura, olor, además de un diseño que se adapte a las necesidades del ser humano.
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4.6.-Propiedades ecológicas: ¿Qué impacto produce la obtención, uso y deshecho de este material sobre el medio ambiente? Pensemos, por ejemplo, en la carcasa de un móvil. Algunos de los plásticos más utilizados en la fabricación de estos productos son los conocidos como “Polietileno” o “Policarbonato”. Ambos plásticos son “reciclables”, sin embargo, tanto en su producción como en su desecho posterior si no se gestionan adecuadamente pueden resultar “nocivos, tóxicos o contaminantes”.
Algunos materiales pueden ser biodegradables, es decir, se descomponen naturalmente sin agredir al medio ambiente ya que sirven de alimento a bacterias, hongos y otros organismos vivos. Una bolsa de plástico no biodegradable puede tardar en desaparecer unos 100 o 200 años, mientras que una bolsa de cartón o papel tardaría como mucho un año. A algunos “compuestos plásticos” se les están añadiendo determinados componentes, como el almidón de maíz, para ayudar en el proceso de degradación natural y reducir este proceso a los dos años.
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5. EJERCICIOS 1. Investiga: ¿Qué materiales podrían utilizarse para la fabricación de los siguientes objetos? a) una raqueta de tenis b) una bicicleta de carreras c) un casco de motociclista
2. Explica las diferencias fundamentales entre materia prima, material de uso técnico y producto tecnológico. Pon uno o varios ejemplos ilustrativos que aclaren estas diferencias. 3. Indica de qué materia prima proceden los siguientes materiales: ladrillo, vidrio, papel, cuero, estaño, contrachapado, porexpan. 4. Investiga: El aceite de oliva (así como otros productos) puede envasarse utilizando diferentes materiales (plástico, vidrio, tetrabrik, …). Analiza las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos basándote en sus propiedades.
5. Clasifica los siguientes materiales: • Metacrilato • Aglomerado • Bronce • Lycra • Cemento • Porcelana • Aluminio • Cartón • PVC
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6. Piensa: ¿Qué propiedades debería tener un material que se va a utilizar para fabricar la “funda de una tablet”?
7. ¿Qué es la escala de MOHS?, ¿a qué propiedad hace referencia?, ¿qué materiales nos permite clasificar?
8. Completa la siguiente tabla:
MATERIAL - PROPIEDAD
DIFERENCIAS
Material duro – tenaz
Material elástico – plástico
Material aislante – conductor
Material maleable – dúctil
Material transparente – translúcido
Material biodegradable – reciclable
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EJEMPLOS
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9. Indica si son ciertas (V) o falsas (F) las siguientes afirmaciones. En este último caso justifica por qué no son ciertas. a) b) c) d) e) f) g) h) i) j)
El aluminio es un material maleable. Se utiliza para fabricar papel de aluminio. La densidad del agua es superior a la densidad del aceite. El vidrio es un material duro y tenaz. La propiedad fundamental de la plastilina es la elasticidad. El corcho es un buen aislante acústico. La pizarra es una materia prima y una teja es un producto tecnológico. El acero inoxidable es un buen aislante térmico. Los metales son materiales que se oxidan, al contrario que los plásticos. La propiedad contraria a la dureza es la fragilidad. El PVC es un excelente conductor eléctrico.
10. Investiga: a) b) c) d)
¿qué es la “uralita” ¿qué materiales componen el “cermet”? ¿qué es la “fibra kevlar”?, ¿para qué se utiliza? ¿qué materiales se utilizan en la fabricación de un tetrabrik?
11. El hormigón es un material compuesto empleado en la construcción de edificios y otras estructuras. Busca en Internet algún vídeo que muestre cuál es su composición y cómo se fabrica. 12. Dibuja las piezas fundamentales de un monopatín, indicando de qué material están hechas. ¿Cómo justificarías la elección de estos materiales basándote en sus propiedades principales? 13. Busca información sobre algún material tóxico o nocivo para el medio ambiente ¿Existe alguna manera de “minimizar su impacto”?
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