I.- Introducción
La Ingeniería Mecánica comprende el diseño, construcción, supervisión, instalación, mejoramiento y mantenimiento de sistemas mecánicos relacionados con las actividades industriales, agrícolas y comerciales, usando eficientemente los recursos con que cuenta el medio.
Esta carrera ha jugado un papel muy importante en el desarrollo del país a partir de la década de 1960. Antes de esa época, la Ingeniería Mecánica como disciplina dentro del campo de la Ingeniería no tenía tradición y era poco conocida.
A mediados de los años 60 se comenzó a ofrecer en algunas universidades nacionales la carrera de Ingeniería Electromecánica de acuerdo a la escuela mejicana, para llenar la demanda del crecimiento económico basado en empresas con tecnología intensiva en capital.
Prototipo de suspensión y dirección modelado en computadora
Debido a la complejidad creciente de los análisis que se realizan en todas las ramas de la Ingeniería Mecánica, el cálculo asistido por ordenador ha ido adquiriendo siempre mayor protagonismo. Se ha producido una evolución en la representación de los sistemas físicos, pasando de esquematizar partes del sistema en modo aproximado a reproducir todo el conjunto en modo detallado. Este proceso ha sido posible en gran parte debido a la constante mejora de las prestaciones de de los equipos informáticos, y a la mejora de los programas de cálculo.
En el diseño de nuevos componentes, el uso de estas herramientas permite en la mayoría de los casos obtener resultados más precisos y sobre todo una reducción de costes al permitir analizar virtualmente el comportamiento de nuevas soluciones.
En el proceso de análisis y diseño se utilizan herramientas de cálculo como el análisis mediante elementos finitos (FEA por sus siglas en inglés) o la dinámica de fluidos computacional (CFD). El diseño de procesos de fabricación con ayuda de computadores (LEVA), permite que los modelos generados se puedan utilizar directamente para crear "instrucciones" para la fabricación de los objetos representados por los modelos, mediante máquinas de control numérico (CNC) u otros procesos automatizados, sin la necesidad de dibujos intermedios.
En el campo de Análisis y Simulación existen asociaciones independientes que proporcionan información y elaboran normas de cálculo. Una de las más importante es la National Agency for Finite Element Methods and Standards (NAFEMS), organización sin ánimo de lucro constituida por más de 700 compañías de todo el mundo.
Paquetes de software de análisis y diseño más extendidos.
En gran medida los componentes fabricados con mecánica de precisión sirven para la creación, la trasmisión, la grabación, la transformación, la supervisión y el procesamiento de señales ópticas y acústicas, eléctricas, hidráulicas y neumáticas para el funcionamiento de aparatos como grabadores de casetes, discos de CD, cámaras, microscopios, sistemas láser, mesas de medición, componentes de PC o aparatos domésticos.
La Microtécnica/Ingeniería de microsistemas une componentes microelectrónicas, micromecánicas y optoelectrónicas como microprocesadores inteligentes, sensores y actores para formar sistemas técnicos extremadamente miniaturizados. Las aplicaciones van desde sistemas de navegación en vehículos hasta complejos sistemas químicos de análisis de mínimas dimensiones, p.ej. para la navegación espacial, pasando por válvulas y bombas para la dosificación de medicamentos en el cuerpo. La Optoelectrónica ofrece las bases técnicas conjuntas para televisores, reproductores de CD, aparatos digitales de fotografía, máquinas láser, sistemas de visualización nocturna y muchos otros bienes industriales.
Los ingenieros especializados en Mecánica de Precisión suelen colaborar con físicos, químicos, informáticos e ingenieros de otros campos. Los estudios de Ingeniería de Mecánica de Precisión están estrechamente relacionados con la Electrotecnia, la Ingeniería Mecánica, y la Informática.
Desarrollos significativos de la mecánica de precisión
- Control numérico de maquinas herramientas.
La operación y control de las ya clásicas maquinas herramientas mediante instrucciones dadas a la máquina mediante un ordenador asociado a la misma .
- Robótica
Se denominan robots a los elementos que son capaces de realizar cualquier trabajo físico o mental estando asistidos por un programa de ordenador Técnicamente, existe un primer nivel de robots, diseñados para ejecutar respectivamente una secuencia de operaciones mecánicas controladas por un programa . Básicamente son brazos o manipuladores mecánicos, poco estáticos, que realizan con precisión e incansablemente tareas como la soldadura de piezas, colocación de pernos, pintura de carrocerías u operaciones más peligrosas como alimentación de hornos y de prensas de forjar.
- Robots cibernéticos
En un segundo nivel, los robots poseen importantes dispositivos adicionales, particularmente "ojos" constituidos por cámaras de televisión. A través de ellas, el robot toma del medio ambiente un difuso patrón de luces, sombras y colores y alimenta a una computadora. Esta realiza un análisis de escenas y registra así en su memoria los objetos que lo rodean. A partir de esa información, el robot guiado por la inteligencia artificial instrumentada en la computadora planifica su actividad, generando y comparando secuencias de operaciones y eligiendo aquella que ejecutara para cumplir con el objetivo de trabajo ordenado. Se trata de auténticos ingenios cibernéticos, cuyo funcionamiento está automáticamente controlado y ajustado en función de las variaciones del entorno, aplicando para ello, en el mundo de la tecnología, el principio de realimentación de la información. Este segundo y más avanzado nivel de robots tiene, respecto del primero, una importantísima propiedad: la versatilidad.
Ingeniería civil
La ingeniería civil, es la rama de la ingeniería que aplica los conocimientos de física, química y geología a la elaboración de infraestructuras, principalmente edificios, obras hidráulicas y de transporte, en general de gran tamaño y para uso público.
Tiene también un fuerte componente organizativo que logra su aplicación en la administración del ambiente urbano principalmente, y frecuentemente rural; no solo en lo referente a la construcción, sino también, al mantenimiento, control y operación de lo construido, así como en la planificación de la vida humana en el ambiente diseñado desde la ingeniería civil. Esto comprende planes de organización territorial tales como prevención de desastres, control de trafico y transporte, manejo de recursos hídricos, servicios públicos, tratamiento de basuras y todas aquellas actividades que garantizan el bienestar de la humanidad que desarrolla su vida sobre las obras civiles construidas y operadas por ingenieros.
Debido a la gran importancia de estas infraestructuras para el desarrollo de un Estado, esta rama de la ingeniería está reconocida en todos los países, independientemente del nombre concreto que se dé a su titulación. En España, por ejemplo, está dividida en dos carreras que gozan de gran prestigio: Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos (ICCP) e Ingeniería Técnica de Obras Públicas (ITOP), siendo la primera una ingeniería de ciclo largo (5 años) y la segunda una ingeniería de ciclo corto (3 años). Con la reforma universitaria debida a la convergencia europea, dichos estudios se extinguirán para dar a una única titulación de cuatro años de duración denominada Grado en Ingeniería Civil.
Su campo de aplicación es muy amplio. Estarían, por ejemplo, las infraestructuras del transporte:
Las obras hidráulicas:
- Alcantarillado
- Azudes
- Canales para el transporte de agua potable o regadío
- Canales de navegación
- Canalizaciones de agua potable
La intervención sobre problemas de estabilidad del terreno.
Las estructuras que componen las obras anteriores.
En general, las obras de Ingeniería Civil implican el trabajo una gran cantidad de personas (en ocasiones cientos y hasta miles) a lo largo de lapsos que abarcan desde unas pocas semanas o meses hasta varios años.
Debido al elevado coste de los trabajos que se acometen (piénsese en el coste de una autovía o de una línea de ferrocarril) buena parte de los trabajos que se realizan son para el Estado, o bien para grandes compañías que pretenden la explotación de una infraestructura a largo plazo (autopistas y túneles de peaje, compañías de ferrocarril, etcétera). Sin embargo, sus técnicas son también aplicadas para obras semejantes a las anteriores pero de más pequeña escala, como podrían ser:
- La contención de un terreno difícil en la excavación para la cimentación de un edificio.
- La ejecución de la estructura de un edificio.
- El diseño y ejecución de los sistemas de distribución de agua potable y alcantarillado de una pequeña población (incluyendo las estaciones de tratamiento de agua potable (ETAP), equipos de bombeo, estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR), etc.
- El diseño y urbanización de las calles de una pequeña población
Además, son también competencia de un Ingeniero Civil:
- La planificación, diseño y control de los sistemas de transporte urbano, incluyendo el diseño de intercambiadores y la creación de nuevas líneas o modificación de las existentes.
- Adopción de nuevos sistemas de transporte que no existan en ese momento, como líneas de metro o metro ligero (más comúnmente conocido como tranvía).
- Planificación, ejecución y administración de plantas de tratamiento o incineración de residuos y vertederos.
- Labores auxiliares de ingeniería (control de calidad, ensayos de laboratorio, supervisión de temas de seguridad y salud).
- Mantenimiento de todas las anteriores
De esta forma, un Ingeniero Civil no se limita a las grandes obras de infraestructura, muy raras debido a su elevado coste.
Áreas del conocimiento
Obra civil: retroexcavadora trabajando.
Los conocimientos necesarios para ejercer de ingeniero civil son:
- Conocimientos de cálculo de esfuerzos en estructuras ante diferentes solicitaciones (comportamiento de las vigas de un puente ante el paso de un tren, de una presa ante la presión hidrostática del agua que retiene, de una zapata al transmitir el peso de la estructura que sustenta al terreno.
- Conocimientos de los materiales que se utilizarán en la ejecución de la obra (resistencia, peso, envejecimiento, etc.).
- Conocimientos del comportamiento del terreno ante las solicitudes de las estructuras que se apoyen en él (capacidad portante, estabilidad ante dichas solicitaciones, etc.).
- Conocimientos de Hidrología para el cálculo de avenidas o caudales para el diseño de presas o azudes, dimensionamiento de luces de puentes, etc.
- Conocimiento de técnicas de cálculo de aforos para el dimensionamiento de las carreteras, etc.
- Conocimientos de estética, de historia, de arte, del paisaje, etc.
- En España, al igual que en Francia, conocimientos de urbanismo y de ordenación del territorio, que le permiten comprender las fuertes implicaciones territoriales y de ordenación poblacional que suponen las grandes obras de infraestructura.
- Y, por supuesto, conocimiento de los procedimientos, técnicas y maquinaria necesarios para la aplicación de los conocimientos anteriores.
En general, existe un gran número de posibles soluciones técnicas para un mismo problema y muchas veces ninguna de ellas es claramente preferible a otra. Es la labor de un Ingeniero Civil conocer todas ellas para descartar las menos adecuadas y estudiar únicamente aquellas más prometedoras, ahorrando así tiempo y dinero. Es también labor del Ingeniero Civil el conocimiento de las posibles formas de ejecución de la solución adoptada o de la maquinaria disponible para ello. Debe, además, tener los conocimientos necesarios para evaluar los posibles problemas que se puedan presentar en la obra y adoptar la decisión correcta, considerando, entre otros, aspectos de carácter social y medio ambiental.
Por todo ello, además de una sólida formación, es vital en la labor de un Ingeniero Civil una dilatada experiencia laboral, que le permita reconocer a simple vista el problema y adoptar soluciones que hayan demostrado su fiabilidad en el pasado.
Praxis de la Ingeniería Civil
Obra civil: metro ligero en Bilbao.
El trabajo de un Ingeniero Civil comienza al advertirse una determinada necesidad (un nuevo dique en un puerto, la ampliación o construcción de una carretera, una presa que de continuidad y estabilidad al caudal de un río…). En esta etapa de planificación, los ingenieros civiles trabajan en forma integrada con otros profesionales y autoridades nacionales o locales con poder de decisión.
Entra entonces el trabajo de recopilación de los datos necesarios para el diseño de una solución a dicha necesidad, datos que pueden ser topográficos (medición de la superficie real del terreno), hidrológicos (pluviometría de una cuenca, caudal de un río, etc.), estadísticos (aforos de las carreteras o calles existentes, densidades de población), etcétera.
Para esta finalidad los diseños de las obras y sistemas más complejos se hacen en varias etapas. La primera etapa denominada de pre-factibilidad, se encarga de analizar el mayor número de soluciones posibles. Es en esta etapa en la cual los organismos competentes decidirán por ejemplo: el emplazamiento de un puerto, el trazado general de una carretera o tomarán la decisión respecto a si construir una vía férrea para transporte de minerales o un mineroducto. Para la toma de decisiones se consideran, entre otros, los siguientes puntos de vista: dificultad de la obra; costo de la obra; impacto ambiental producido por la obra. El estudio de pre-factibilidad involucra un equipo multidisciplinar de técnicos, donde además de ingenieros civiles participan ingenieros eléctricos, mecánicos, geólogos, economistas, sociólogos, ecologistas. Como resultado de esta fase se escogen 2 ó 3 soluciones para detallarlas en la etapa siguiente.
En la siguiente etapa, llamada factibilidad técnico- económica, ya se avanza mucho en los detalles constructivos, en la determinación de los costos, en el cronograma de construcción y en el flujo de caja necesario para la ejecución de la obra. En esta etapa tienen mucho peso las investigaciones de campo para detectar dificultades específicas relacionadas con la geología de las áreas en las que se intervendrá, y se detallarán los impactos ambientales, incluyendo tanto la parte física como la biótica y la social. En general es en esta fase que se escoge la solución definitiva, que será detallada en la etapa de diseño definitivo o proyecto ejecutivo.
Viene entonces el trabajo real sobre el terreno: acondicionar éste para que sea capaz de soportar las estructuras que se van a construir sobre él (llegándose en ocasiones a sustituir el terreno por otro de mayor capacidad portante si el existente no cumple las condiciones necesarias), movimientos de tierras (desmontes y terraplenes), construcción de las estructuras (pilotes, zapatas, pilares, estribos, vigas, muros de contención…)…
Sin embargo, todos estos pasos rara vez se dan de forma fluida ni, mucho menos, competen a un mismo equipo de Ingeniería. Así, a menudo son los ingenieros de la Administración correspondiente los que detectan la necesidad que se tratará de solventar, mientras que en otras ocasiones la obra viene incluida dentro de un plan de actuación político (no siempre con una clara justificación técnica).
Si la obra a acometer es de gran envergadura la Administración no la ejecuta, sino que sus ingenieros elaboran un anteproyecto que es sacado a subasta pública. Entonces son los ingenieros de las diferentes empresas constructoras los que, a partir de las prescripciones técnicas del anteproyecto, elaboran diferentes alternativas. Las alternativas ofrecidas por las constructoras pueden ser muy distintas al anteproyecto y entre sí, pues cada empresa hace uso de la maquinaria y procedimientos que le son más conocidos, y la Administración elegirá la más barata de las opciones que cumplan las exigencias.
Los ingenieros que lleven a cabo la obra no tienen por qué ser (ni, generalmente, son) los que la hayan diseñado. La empresa constructora puede decidir también subcontratar diferentes trabajos a otras empresas, con lo que puede llegar a haber a diferentes empresas para una misma obra (una ejecuta los movimientos de tierras, otra las estructuras de hormigón…) cada una con su correspondiente departamento de Ingeniería y su correspondiente equipo de Ingenieros en obra.
Muy a menudo, debido a lo imprevisible del terreno se producen problemas a pie de obra que obligan a realizar modificaciones en el proyecto; en otras ocasiones la Administración puede decidir variar algunas condiciones o exigencias a medida que la obra se desarrolla y se observan problemas o posibilidades que no se habían estudiado o que en el momento en que se elaboró el anteproyecto no se consideraron importantes. Puede ocurrir que una nueva infraestructura obligue a hacer modificaciones o surja la posibilidad de que dos obras diferentes, construidas por empresas diferentes (por supuesto con diferentes equipos de Ingenieros) sean ejecutadas en conjunto….
