CO M P ÓS I T O S

Módulos Mundo de los MaterialesUn Programa Educacional de Ciencia y Tecnología Basado en la Indagación

M Ó D U L O

Manual del Maestro

 

AutoresMatthew Hsu, Northwestern UniversityLaura Walhof, Glenbrook High SchoolKen Turner, Schaumburg High School

Prueba de Campo

Douglass HalstedProfesor de QuímicaEvanston Township HighSchool Evanston, IL.

Julie Collins, Profesora de QuímicaGlenbrook North High SchoolNorthbrook, IL.

Ann Brandon, Profesora de FísicaRobert DeYoung, Profesor de QuímicaArt Glaser, Profesor de QuímicaDave Hooper, Profesor de QuímicaDebby Lojkezt, Profesora de FísicaJoliet West High SchoolJoliet, IL.

Ken Doody, Profesor de QuímicaDespina Economou, Profesora deQuímicaIrene Hahn, Profesora de QuímicaRon Harris, Profesor de QuímicaPreston Hayes, Profesor de QuímicaAndy Merutka, Profesor de QuímicaJohn Motzko, Profesor de QuímicaCheryl Probst, Profesor de QuímicaGlenbrook South High SchoolGlenview, IL.

Laszlo TothProfesor de Educación TécnicaNiles North High SchoolSkokie, IL.

Bill Lederhouse, Profesor de FísicaRon Williams, Profesor de QuímicaKrista Wright, Profesora de BiologíaSchaumburg High SchoolSchaumburg, IL.

Howard Fogel, Profesor de QuímicaNiles West High SchoolSkokie, IL.

Karen Lindebrekke, Profesora deBiología y de Ciencias del AmbienteSan Viator High SchoolArlington Heigths, IL.

Debby Kray, Profesora de QuímicaHoffman Estates High SchoolHoffman Estates, IL.

Tammy Shibayama, Profesora deQuímicaSullivan High School, Chicago, IL.

Charles Jones, Profesor de QuímicaBrian Zimmerman, Profesor deQuímicaHononegah High School, Rockton, IL.

Tom Young, Profesor de FísicaWaukesha High SchoolWaukesha, WI.

Programa MWM

DirectorProf. Robert P. H. Chang

Desarrollo de los MódulosPatrice L. Washington

Diseño de InstruccionesProf. Brian Reiser

Coordinador del ProgramaRuth Rozen

Apoyo Docente a los MaestrosEric Baumgartner

Difusión/DistribuciónBarbara Pellegrini

Consultor en EducaciónRichard Goodspeed

Red de ComunicaciónLisa Singh

ContralorLinda Steward

Diseño del ProductoEditor, Elizabeth KaplanDiseños Gráficos, Maria MariottiniReproducción, Dale BedaProducción, Patricia Parr

Derecho de Autor © 1996, 1998Northwestern UniversityEste trabajo no puede reproducirse o transmitirseen ninguna forma o por ningún medio electrónicoo mecánico, incluyendo fotocopias o grabacioneso por ningún sistema de almacenamiento o repro-ducción sin la previa autorización escrita de laUniversidad Northwestern, a menos que esareproducción esté permitida expresamente por lasleyes federales del derecho de autor.

Este proyecto fue financiado en parte, por la

National Science FoundationLas opiniones expresadas en este documento son

propias de los autores y no necesariamente son las dela Fundación

Equipo de los Módulos Mundo de los Materiales

Programa Módulos Mundo de los Materiales

México

Traducción, Adaptación e Instrucción

Centro de Investigación en Materiales

Avanzados, S.C.

Coordinador Técnico

Luis Fuentes Cobas

Titular del Módulo de Compósitos

Adriana Ramos Palomino

Roberto Sánchez MartínezMaria Elena Montero Cabrera

Amando Zaragoza ContrerasAntonino Pérez HernándezFrancisco Espinosa MagañaJosé Martin Herrera RamirezSión Federico Olive Méndez

Edición del Módulo

Programa Financiado por la Secretaría de

Educación, Cultura y Deporte del Gobierno

del Estado de Chihuahua. Edición 2012-2013

Jorge Mario Quintana Silveyra

Secretario de Educación, Cultura y

Deporte

Director de Educación Media Superior

y Superior

Salomón Maloof Arzola

Secretario Técnico de la CEPPEMS

(Comisión Estatal para la Planeación y

Programación de la Educación Media Superior)

Victor Hugo López de Lara Chávez

Supervisor Operativo del Proyecto

Carlos González Herrerra

Ricardo Cervantes Sixtos

Subsecretario de Educación, Cultura y

Deporte

Centro de Investigación enMaterialesAvanzados, S.C.

Jesús González HernándezDirector General

Alfredo Aguilar ElguezabalDirector Académico

Gob i e r no de l E s t ado

Secretaría de EducaciónCultura y Deporte

ISBN: 978-607-8272-01-3Compositos, Manual del Maestro

T3

Contenido de la Edición del Maestro

Introducción T4Otros Módulos del Mundo de los Materiales T7

USANDO SU MÓDULO COMPÓSITOS

Antecedentes de los Compósitos..................................T8Conexiones con el Plan de Estudios.............................T12Resumen del Módulo Compósitos................................T13Usando las Actividades y Proyectos de Diseño……......T14Un Vistazo al Módulo………………............................T18

Flexibilidad de Uso……………………….................T20Apoyando DiscusionesBasadas en la Indagación……...………..................T22Opciones de Evaluación………...………....…..........T23Una Nota Sobre Seguridad…...…………................T2SBibliografía sobre Compósitos…...………................T24

ACTIVIDADES

Guía de Planeación Actividad 1.............................................1AActividad 1...........................................................................1Guía de Planeación Actividad 2.............................................4AActividad 2............................................................................6Guía de Planeación Actividad 3.............................................10AActividad 3............................................................................2Guía de Planeación Actividad 4.............................................16AActividad 4...........................................................................18Guía de Planeación Actividad 5.............................................24Actividad 5...........................................................................24

PROYECTOS DE DISEÑO

Guía de Planeación Proyecto de Diseño1................................26Proyecto de Diseño 1............................................................27Guía de Planeación Proyecto de Diseño 2...............................31AProyecto de Diseño 2............................................................31

APÉNDICE

Minipedia

Biología y Compósitos..........................................A2

Química y Compósitos.........................................A4

Física y Compósitos.............................................A7

Diseño de Compósitos...........................................A10

Compósitos y Materiales Deportivos ......................A13

Compósitos y Naves Aéreas..................................A16

Actividades de ExtensiónFísica..................................................................A9Matemáticas........................................................A19Actividad de Extensión 1Orientación de Capas de Fibras paraRefuerzo..............................................................A22

Actividad de Extensión 2Examinando la Geometría de un Mezcladorde Café................................................................A25Actividad de Extensión 3Haciendo un Compósito usando un Polímero Reforzado con Capas de Fibra.................A27

Formatos Impresos A33Indice A71

T4

Y luego ¿Qué son?

Esta es una pregunta que sus estudiantes pueden hacer frecuentemente. Los Módulosdel Mundo de los Materiales pueden ayudarle a responderla, sin importar si usted esun veterano o un novato en ciencias, matemáticas o un profesor de educación técnica.Combinando instrucciones claras con actividades innovadoras y proyectosinteresantes, podemos ayudar a sus estudiantes a conectar lo que están aprendiendoen la escuela con experiencias de la vida diaria.

“¿Qué tiene que ver ésto CONMIGO y conmi mundo?”

La mayoría de la gente nunca ha

oído hablar de la ciencia de los

materiales. Pero sin ella, nuestro

mundo moderno no sería como lo

conocemos. No habría fibras

ópticas para transmitir las llamadas

telefónicas. No tendríamos

computadoras, videocaseteras ni

muchos otros aparatos eléctricos.

Los autos aún se parecerían al

modelo A y los rascacielos de vidrio

que se encuentran en nuestras

ciudades sólo existirían en la

imaginación. La ciencia de los

materiales es un campo

interdisciplinario que emplea las

herramientas de la ciencia, la

tecnología y las matemáticas en la

búsqueda de nuevos materiales

útiles. En su exploración por

descubrir los secretos del diseño de

materiales, los científicos que se

dedican a su estudio han

analizado las alas de las libélulas en

secciones transversales, han

examinado la microestructura del

coral y han experimentado con el

super pegamento que los mejillones

utilizan para adherirse a las rocas.

Al introducir a los estudiantes a la

ciencia de materiales a través de los

Módulos del Mundo de los

Materiales, usted les dará la

oportunidad de entender el mundo

que los rodea de una forma que

nunca antes han experimentado.

Conociendo el Mundo a Través de la Ciencia de los Materiales

T5

¿Cómo funcionan los Módulos del Mundo de losMateriales?Los Módulos del Mundo de los Materiales están construidosalrededor de una estructura común. Cuatro o másactividades introducen un tema importante en la ciencia demateriales contemporánea. A través de estas actividades, losestudiantes aprenden investigando las características clavede los materiales que son el objeto de estudio del módulo.Después, usan lo que han aprendido al realizar lasactividades para participar en un Proyecto de Diseño. Esteproyecto los motiva a diseñar, construir, probar y rediseñarun producto que incorpora los materiales objeto del módulo.

Los Módulos del Mundo de los Materiales fueron diseñadosteniendo en mente los siguientes objetivos. Los cuales soncongruentes con los de la "National Science Standards*" de EstadosUnidos e incluyen:

• Desarrollo de habilidades necesarias para realizar investigacióncientífica. Estas incluyen la habilidad de generar preguntas,diseñar y conducir investigaciones científicas, formular modelos,analizar modelos alternativos y comunicar y defenderexplicaciones.

• Entender la investigación científica. Para lograrlo, ésta se enfocaen explicaciones lógicamente consistentes, basadas en elconocimiento común y complementadas con matemáticas ytecnología.

• Familiarizarse con la ciencia de materiales. Desarrollar suentendimiento a partir del conocimiento de las ciencias físicas,de la vida y de la tierra para crear materiales con propósitosespecíficos.

• Tomar parte en un diseño interactivo. Proporcionaroportunidades para identificar problemas tecnológicos,proponer diseños, escoger entre soluciones alternativas,implementar y evaluar una solución, rediseñar el producto ycomunicar el problema, el proceso y la solución.

• Entender la relación entre ciencia y tecnología. Entender lasdiferencias entre los propósitos y la naturaleza de los estudioscientíficos y tecnológicos y la interrelación entre estos campos.

• Entender los problemas actuales. Apreciar el uso de la ciencia yla tecnología para enfrentarse a retos locales, nacionales yglobales, incluyendo problemas de salud personal ycomunitaria, recursos naturales, calidad ambiental y riesgoscreados por los humanos.

• Presentar una perspectiva histórica. Ver la historia y lanaturaleza de la ciencia como un esfuerzo humano,produciendo conocimiento nuevo respaldado por el desarrollotecnológico.

Enseñando Ciencia a Través de laIndagación

La ciencia no es una colección dehechos fríos y atemporales sino unabúsqueda continua de cada vezmejores explicaciones de lo quevemos y experimentamos a nuestroalrededor. Los Módulos del Mundode los Materiales dan al estudiantela oportunidad de actuar comocientífico, participando en el procesode encontrar explicaciones a losfenómenos que los intrigan. Esteproceso de investigación comienzacon una pregunta.Después de buscar la respuesta, losestudiantes pueden profundizarsobre su pregunta original ycontinuar el proceso.Para ayudar a incentivar lainvestigación y el descubrimiento, labúsqueda y el aprendizaje, losMódulos del Mundo de los Materialesincluyen preguntas al inicio y alfinal de cada Actividad y en las hojasde la Bitácora de Diseño que vienencon cada Proyecto de Diseño. Estaspreguntas se pueden usar como:

• Inicio de discusiones.• Punto clave del objetivo de

aprendizaje.• Enfocar preguntas.• Instrucciones de laboratorio.• Herramienta de evaluación.• Estímulo a los estudiantes para

generar preguntas.

A medida que use los Módulos delMundo de los Materiales, irágenerando respeto por la pregunta ypor quién la realiza en cadaencuentro de aprendizaje.

*Consejo Nacional de Investigación. Estandares Nacionales de Educación en Ciencia. Washington, D. C.Academia Nacional de Prensa, 1996.

¿Los Módulos del Mundo de los Materiales?

T6

Los Autores

¿Qué diría si...?un grupo de profesores universitarios lellamaran y preguntaran, "¿Qué podemos hacerpara mejorar la educación en ciencias en suescuela?" El profesor Robert Chang y elinvestigador en ciencias de materiales MatthewHsu de la Universidad Northwestern lointentaron. De sus llamadas iniciales,lograron reunirse con más de 20 profesores eny supervisores de curricula del norte de Illinoisy sudeste de Wisconsin. En las reuniones, losprofesores hicieron una lista de formasmediante las cuales los científicos yeducadores de la Universidad deNorthwestern podrían ayudarlos a alcanzarsus metas.Los Módulos del Mundo de los Materialesse desarrollaron teniendo en cuenta esa listade deseos. Profesores como ustedes,participaron en el diseño y desarrollo de todoslos módulos. De hecho, los profesores soncoautores de muchos de los módulos junto concientíficos y educadores de la Universidad deNorthwestern. Los módulos se han sometido auna extensa prueba de campo en un grannúmero de preparatorias, en la cual hanparticipado cientos de estudiantes.

Mathew Hsu Supervisa todos losaspectos del desarrollo de losMódulos del Mundo de losMateriales. Trabaja con maestros yestudiantes de todo Estados Unidos.Recibió su título de Dr. en Ciencia deMateriales en la UniversidadNorthwestern en 1991. Antes detrabajar en su doctorado, diseñó yprobó materiales compositos para laNASA.

Ken Turner Ha sido Profesor deQuímica por 6 años en laEscuela Schaumburg. Escribióuna versión para estudiantes deuno de los Módulos del Mundode los Materiales e hizo laprueba piloto. El Equipo de laUniversidad vió esta versión y lopuso a trabajar desarrollandomuchos módulos más.

Laura Walhof se graduó delInstituto Tecnológico deMassachusetts (MIT) en 1992. Suprimer trabajo después de lalicenciatura fue la enseñanza dequímica en la preparatoriaGlenbrook South. En 1993, seinvolucró en el programa pilotoprobando los Módulos del Mundode los Materiales y prontodesarrolló nuevos módulos para elproyecto.

LLiissttaa ddee bbuueennooss ddeesseeooss ddee llooss pprrooffeessoorreess

NNooss gguussttaarrííaa::

°° OOffrreecceerr aa llooss eessttuuddiiaanntteess aaccttiivviiddaaddeess eessttiimmuullaanntteess

qquuee rreellaacciioonneenn llaa cciieenncciiaa ccoonn ssuu eexxppeerriieenncciiaa ddiiaarriiaa..

°° UUssaarr tteemmaass uunniiffiiccaaddooss ppaarraa iinntteeggrraarr llaass cciieenncciiaass,, llaa

tteeccnnoollooggííaa yy llaass mmaatteemmááttiiccaass..

°° EEnnccoonnttrraarr mmééttooddooss pprrááccttiiccooss ppaarraa pprroommoovveerr eell

aapprreennddiizzaajjee ccoollaabboorraattiivvoo eenn eell ssaallóónn ddee ccllaasseess..

°° CCeerrrraarr llaa bbrreecchhaa eennttrree llaa cciieenncciiaa eenn eell ssaallóónn ddee

ccllaasseess yy llaa cciieenncciiaa eenn llaass ffrroonntteerraass ddee llaa

iinnvveessttiiggaacciióónn..

°° TTeenneerr aacccceessoo aa llooss rreeccuurrssooss ddee llaa UUnniivveerrssiiddaadd

NNoorrtthhwweesstteerrnn ssoobbrree cciieenncciiaa yy eedduuccaacciióónn eenn cciieenncciiaa

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cciieenncciiaass yy eedduuccaacciióónn eenn cciieenncciiaass aa lloo llaarrggoo ddeell

ppaaííss yy cciieennttííffiiccooss yy eedduuccaaddoorreess eenn cciieenncciiaass eenn llaa

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T7

Los profesores han reportado que losestudiantes se han emocionado mucho con losmódulos. Gozan especialmente con los Proyectosde Diseño, en los cuales se les pide que diseñen,construyan y prueben sus propios materiales yproductos.El desarrollo inicial de los Módulos del Mundode los Materiales ha sido auspiciado por laFundación Nacional para la Ciencia de losEstados Unidos. El proyecto continúa enexpansión, con la producción de videocasetes yotros materiales de apoyo. Usted puedeinvolucrarse en el diseño o prueba de campo demódulos futuros contactando a:

Program CoordinatorMaterials World ModulesNorthwestern University2115 North Campus DriveEvanston, IL 60208-2610(847) 467-2489e-mail: mwm@nwu.edu

El Director

Profesor Robert P. Chang Veterano en Investigación enMateriales, el Profesor Chang trabajó en los LaboratoriosBell en Nueva Jersey (EEUU) por más de 15 años antes devenir a la Universidad Northwestern en 1986. Comodirector del Centro de Investigación en Materiales, admite:“en investigación en ciencia de materiales los resultados seven muy lentamente. Pero la recompensa es inmediata aldirigir estos módulos. Veo brillar el interes de los jóvenespor la ciencia. Es uno de los trabajos más excitantes quehe hecho en mi vida.”

Materiales BiodegradablesLos estudiantes hacen,prueban y evalúanpelículas y gelatinasbiodegradables. Utilizansu conocimiento paradiseñar dispositivos queliberan una tinta, demanera controlada, amedida que se degradan.

BiosensoresInvestigan el uso demoléculas biológicascomo materiales y utilizanenzimas como sensoresquímicos en el diseño depruebas de diagnósticopara peróxido, colesterol yglucosa.

CerámicosEstudian lamicroestructura de loscerámicos y simulan lasíntesis de cerámicos dealta temperatura. Loscerámicos se utilizan parafabricar dispositivosprotectores de voltaje.

CompósitosDescubren qué materialescompósitos hay y losprueban para conocer susventajas sobre losmateriales puros.Diseñan un materialcompósito nuevo paraconstruir una caña depescar resistente y ligera.

Un Material deInfraestructura: ConcretoExaminan una variedadde estructuras y realizanpruebas de reacción encemento. Construyen unconcreto flexible parausarse en tejas ligeraspara techo.

Materiales y elMedio AmbienteExperimentan

de primera mano concuestiones ambientales amedida que evalúan losefectos que diferentesmateriales producen enel medio ambiente.

Diseño Eficiente deExperimentosDiseñan experimentosque involucran elmonitoreo de diversasvariables al mismotiempo. El objetivo delexperimento es un pastelde caramelo.

Diseño de MaterialesUtilizando una base dedatos electrónica, seinvestiga y después sediseña una soldaduralibre de plomo. Fabricanla soldadura y pruebansu dureza y durabilidad.

PolímerosSintetizan y pruebanacetato de polivinilo.Utilizando este material,diseñan y prueban unsensor de humedad.

Sensores InteligentesInvestigan elcomportamiento depelículas piezoeléctricas.Utilizan estos materialespara construir undispositivo contador demonedas.

Materiales en DeportesSe prueban y analizandiversos materialesutilizados en equipos paraatletas. Diseñan unmaterial adecuado paraun nuevo juego que ellosinventan.

Otros Módulos del Mundo de los Materiales

T8

Primero fue la Edad de Piedra.Luego vino la Edad de Bronce,seguida rápidamente por laEdad de Hierro.Miles de años después, estamosentrando a una nueva era.Algunas personas la llaman laEdad de los Compósitos.

Aunque tal vez no losreconozca, están en todaspartes. La tablaroca que formaparte de las paredes de muchosedificios es un compósito. Lasdefensas y la carrocería demuchos autos los incluyen. Elequipo deportivo moderno noexistiría sin ellos. Cada día seinventan compósitos y nuevosusos para los mismos. Dehecho, esta industria seencuentra entre las de mayorcrecimiento en el mundo.Siendo materialesomnipresentes, puede parecerextraño que los científicos enmateriales y los ingenieros nose hayan puesto de acuerdo enuna definición única y precisa.La palabra lleva en sí misma laidea principal: algo hecho dedos o más componentesdistintos. Algunos científicos

aceptarían componentes hastaun nivel atómico e incluiríanlas aleaciones (mezclas demetales) y termoplásticos(mezclas de polímeros); otroscientíficos excluirían estos"microcompósitos", que al igualque los laminares, son

materiales hechos de hojasseparadas y pegadas demateriales compósitos.La definición usada en estemódulo es la siguiente:materiales hechos de dos omás sustancias visiblementedistintas. Esta definición esconcisa, ampliamenteaceptada y permitirá a losestudiantes simplemente

observar un material (o susección transversal) paradeterminar si es uno de ellos.Muchos compósitos estánformados de una matrizclaramente identificable,que es el materialprincipal. Elmaterial o losmaterialescombinadoscon la matrizseidentificancomomaterialesconstituyentes. Se puedenclasificar en tres grandesgrupos, basados en cómo losconstituyentes se combinancon la matriz: loscompósitos partículadoscomo el concreto,tienen partículasmezcladasuniformemente a lolargo de la matriz;los reforzados con

fibras, tienen fibras embebidasen la matriz; los laminares,como el cartón y el fibracel,tienen a la matriz y a losconstituyentes formando capasen forma de emparedados. Latabla que se encuentra en laspáginas T10 y T11 enlista losdiferentes tipos de materialescompósitos, identifica la matrizy los constituyentes, así comolos usos y ventajas de cadauno.

Durante miles de años, gentede todo el mundo se ha dadocuenta de que los compósitosofrecen mayores ventajas quelos materiales hechos de unasola sustancia. Los fabricantesde ladrillos en el antiguo Egiptomezclaban paja con lodo paraevitar que las fracturas sepropagaran en los ladrillosque secaban al aire libre.

Antecedentes de los Compósitos

Los compósitos se usan comúnmente enmuchos artículos deportivos, incluyendolos patines en línea.

Las espadas de lossamuráis se hacen deacuerdo a un antiguoritual japonés. Elcompósito de lacuchilla está hechode dos tiposdiferentes de acero.

T9

Aún antes del año 1000 D.C.,los artesanos japonesesfabricaban espadas de samuráiafiladas y flexibles, forjandodiferentes tipos de acero;estirando, doblando y volviendoa doblar el acero hasta que seformaban miles de láminasultra-delgadas. Por ese tiempo,los mongoles combinabanmadera, seda y tendones deganado vacuno para fabricararcos fuertes, flexibles yconfiables. Los creadores delvidrio veneciano de los años1500s reforzaron sus delicadasvasijas y jarrones con hilos devidrio que formaban unatelaraña reforzante.Los compósitos más avanzadoshoy en día están hechos defibras de varias clasesembebidas en una matrizmetálica, cerámica o en unpolímero. Entre las principalesventajas destacan el que sonmuy resistentes y rígidos enrelación con su peso. En

consecuencia, muchos han sidodesarrollados para la industriaaeroespacial. El primeraeroplano que se fabricócompletamente de materialescompósitos fue el "Lear Fan"modelo 2100, un avión conturbopropulsor. Se redujo supeso a una tercera parte del deotros aviones similares, necesitasólo la mitad del combustibleque usan los modelos fabricadosprincipalmente de metal. Losmilitares encontraron otrasventajas de los compósitos sobrelos metales tradicionales: losaviones hechos principalmentede ellos, no sólo son másligeros, sino también muchomás difíciles de detectar por elradar. Esta fue una de lasprincipales razones por las queel bombardero Stealth seconstruyó con compósitos comoparte sustancial del fuselaje.¿Cómo se usarán en el futuro?El motor del jet de turbo-hélicetendrá muchos componenteshechos de compósitos,diseñados para soportar lasaltas temperaturas necesariaspara hacer funcionar estasmáquinas. Los aviones paragrandes alturas pueden teneruna superficie de compósitosligeros y resistentes al calorpara evitar que la aeronave seincendie al regresar a la partebaja de la atmósfera. Seencontrarán ciertamente en lasestaciones espaciales. (Puedenincluso fabricarse en el espacio).Las prótesis y las partesartificiales para el cuerpohumano los usrán con mayorfrecuencia, porque puedenimitar las característicasesenciales del tejido humano.

Tanto los robots personalescomo los industriales, tendránmuchos componentes hechos decompósitos. En la medida que

nuestra tecnología parafabricarlos avance, tambiénellos lo harán. Sus usos tienentantas posibilidades como elfuturo mismo.

Usando su Módulo CompósitosContenido

Antecedentes de losCompósitos…….......................T8

Compósitos comunes y suscomponentes…….....……........T10

Conexiones con el plan de estudios……................…...T12

Resumen del Módulo deCompósitos…..................…....T13

Usando las Actividades y Proyectos de Diseño……...…...T14

Un vistazo al Módulo..…….....T18

Flexibilidad deUso…………......................….T20

Apoyando DiscusionesBasadas en Indagación…....….T22

Opciones deEvaluación..........................….T23

Una Nota de Seguridad….......T24

Bibliografía sobreCompósitos…......................…T24

La industria aeroespacial ha sido pioneraen el desarrollo de muchos tiposdiferentes de compósitos, algunos de loscuales se usan en el Concorde.

T10

Compósitos Comunes y sus Componentes

Concreto

Espuma de Plástico (poliestireno)

Lija

Capas de polímeros

Vidrio Laminado de seguridad

Cartón corrugado

Triplay

Panel con estructura de espuma

Metal cubierto con Teflón

Caucho reforzado

Compósito de caucho/tela

Polímeros duros

Polímeros reforzados

piedras, arena, grava y cemento

matriz de poliestireno y burbujas de aire

arena, grava o partículas de cerámicaembebidas en papel o tela

acetato de vinil etileno, caucho, espuma depoliuretano

hojas de vidrio laminado con hojas delgadas de plástico y adhesivos

papel corrugado, emparedado en hojas depapel liso

Capas de madera laminada pegada conadhesivo

laminado de espuma de plástico y hojas depapel liso

cubierta de Teflón sobre una base de metal

hoja de caucho laminado con nylon,poliester y materiales de rayón, vidrio yfibras de acero

goma dura cubierta de tela fibrosa ylanuda

cubierta de policarbonato o ABS* yespuma de poliuretano

carbón, grafito, boro o fibras de vidrio enepoxy

fibras de carbón o grafito en matriz depolímero

fibras de vidrio embebidas en epoxy y otramatriz de polímero

*ABS es poliacrilonitrilo-butadieno-estireno

fuerte, durable y barato

ligero, buen aislante

bueno para rebajar, moler o suavizar superficies

bueno para amortiguar y cubrir, buenas característicaselásticas y de soporte; impermeable

evita que las partículas de vidrio vuelen cuando se quiebran

barato, buena resistencia y rigidez

fuerte, rígido y barato

ofrece una superficie suave para exposiciones gráficas.Barato y resistente

buena conducción del calor, suave, anti-adherente

resistencia al desgaste

elasticidad, rebote y buen control

resistencia al impacto, desvanece la energía

buena resistencia y rigidez, bajo peso, reduce la vibración,flexibilidad para el diseño

bajo peso, lo que conduce a una alta eficiencia decombustible

ligero, resistente a la corrosión

altamente rígidos, bajo peso y alta eficiencia delcombustible

Materiales Componentes Ventajas del Compósito

Compósitos Particulados

Compósitos Laminados

Compósitos Fibro-reforzados

T11

estructuras, escaleras, cimientos, caminos, pavimentos

materiales aislantes, vasos y platos desechables

herramientas para moler y lijar

suela de zapatos deportivos

vidrio de seguridad para parabrisas

cajas de cartón y material de empaque

cubiertas para mesas y muebles, construcción decasas habitación

panel plano para exhibición

ollas y sartenes, cojinetes lubricados

llantas para vehículos

pelota de tenis

cascos y otros artículos protectores para la cabeza

ARTICULOS RECREATIVOS: raquetas de tenis, palosde golf, esquíes, cañas de pescar, palos de hockey,estructuras para biciletasAERONAVES: puertas, tren de aterrizaje, alerones

PLOMERIA: tubos, tanques y depósitos presurizados

AUTOMOTRIZ: carrocería, defensas, puertas y otroscomponentes

ponentVentajas del Compósito

estructural

funcional

funcional

funcional

funcional

estructural

estructual

funcional, estruc-tural

funcional

funcional

funcional

funcional

estructural

estructural

funcional

estructural

MATRIZ: aglutinante, moldeable PARTICULAS: aumenta resistencia

MATRIZ: ligera BURBUJAS DE AIRE: buen aislante

MARIZ: buena resistencia y flexibilidad ARENA: abrasividad

CAPA DE GOMA: elástica e impermeable POLIURETANO: amortigua

MATRIZ: fuerte y transparente CAPAS: adhesivo, flexible,transparente

MATRIZ DE CARTON CORRUGADO: fuerte y ligero HOJAS DEPAPEL: ligero y barato

CAPAS DE MADERA: fuertes en la dirección de la fibra ADHESIVO: adherencia

ESPUMA: fuerte y ligero SUPERFICIE DE PAPEL: bueno paraexhibición gráfica

TEFLÓN: superficie anti-adherente, METAL: buen conductor del calor,fuerte y duroGOMA DE CAUCHO: habilidad para generar fricción y resistenciaal desgaste FIBRAS: resistencia

CENTRO DE GOMA: elasticidad TELA FIBROSA: genera fricciónpara mayor control

POLICARBONATO O ABS*: duro e inastillable. ESPUMA DE POLIURETANO: absorbe el impacto

MATRIZ: aglutinante ligero FIBRAS: resistencia y rigidez

MATRIZ: aglutinante ligero FIBRAS: resistencia y rigidez

MATRIZ: aglutinante ligero FIBRAS: resistencia y rigidez

MATRIZ: aglutinante ligero FIBRAS: resistencia y rigidez

*ABS es poliacrilonitrilo-butadieno-estireno

Usos Clasificación Ventajas de Cada Componente

Estructura de los Sólidos.Materiales basados en carbono.Polímeros.Estructura de moléculas.Enlaces:

Metálicos.Covalentes.Fuerzas de Van der Waals.

T12

Conexión con el Plan de Estudios

No importa el tema de ciencia o tecnología que usted enseñe, el módulo deCompósitos puede reforzar su plan de estudios. En la siguiente tabla se muestrauna lista de materias que enlazan las Actividades y Proyectos de Diseño en estemódulo. Se dan algunos consejos específicos de enseñanza para cada materia. Lasección Minipedia en el Apéndice provee información extra que relaciona loscompósitos con diferentes disciplinas, en el cual se incluyen también Actividadesde Extensión que enriquecen el contenido.

Química

Consejos p. 20, 25Minipedia pp. A4-A6

Actividades de Extensión pp.A27-A31

Medidas.Gráficas:

Generar y leer gráficas.Análisis gráfico.

Construcción de modelos a escala. Desviación Estándar.

Consejos p. 21Actividades de Extensión pp.

A19-21, A24, A25-A26,A31

Educación Técnica

Diseño y Bosquejos:Planeación y dibujo.Evaluación de eficiencia.Análisis de costo/beneficio.Control de calidad.

Materiales:Maderas.Metales.Plásticos.Laminados.

Estructuras y Códigos:Construcción de aeronaves.Sistemas de suspensión.Enderezado de carrocerías.

Consejos p. 7Minipedia pp. A10-

A18Actividades de Extensiónpp. A20-A2, A22-A24,

A27-A31

Geología y Ciencias de la Tierra

Formación y composición de rocas:Rocas sedimentarias.Intrusiones metamórficas.

Minería y uso de recursos minerales:Rocas como material de construcción.Productos derivados delpetróleo.

Consejosp. 7

Física y Ciencias Físicas

Fuerzas:Cargas y tensiones.Fuerzas de expansión y compresión.

Torque.Interacciones Elásticas. Vectores.

Consejos p. 15 Minipedia pp. A7-A8

Actividades de Extensiónpp. A9, A22-A24

Estructura y Función:Huesos, músculos y tejidos conectivos.Alas y plumas.Hojas, tallos y raíces.

Evolución:Eficiencia del diseño.

Biología y Ciencias de la Vida

Consejos p. 13Minipedia pp. A2-A3

Matemáticas

T13

Panorama del Módulo Compósitos

A través de las siguientes actividades, los estudiantes aprenderán acerca de los

atributos y ventajas de los materiales compuestos. Cuando completen las

actividades, estarán listos para los Proyectos de Diseño donde diseñan,

prueban y evaluan sus compósitos. Se les retará a participar en el concurso de

caña de pescar o a inventar uno nuevo. El Apéndice incluye Actividades de

Extensión para reforzar o ampliar los conceptos estudiados en el módulo. Usted

puede considerar el uso de una o más de las Actividades de Extensión, además

de la Actividades y Proyectos de Diseño aquí descritos.

1 Probando Diferentes Tipos deHieloComparando hielo puro conhielo reforzado con papel debaño, aprenderán qué son loscompósitos y descubrirán surigidez relativa.

2 A Cazar CompósitosBuscarán a su alrededorobjetos hechos de compósitos(no tienen que ir muy lejos).Obtendrán ideas sobrealgunas de sus ventajas.

3 Explorando la Diferencia entreResistencia y RigidezResistencia y rigidez son dospropiedades importantes demuchos compósitos. Seprobarán una variedad demateriales, comparando estasdos propiedadesindependientes.

4 Probando la Resistencia yRigidez de un Compósito deEspumaCuando una tira depoliestireno puro se refuerzaen las partes superior e inferiorcon una tira de papel grueso,el compósito resultante esmucho más resistente y rígidoque la tira original. Probarán ytambién observarán algunaslimitaciones de los compósitos.

5 Investigando los CompósitosCon este proyecto deinvestigación independiente,van a la biblioteca a buscarinformación sobre loscompósitos modernos. Cómose desarrollaron, cómo sefabrican y para qué los usa lagente. Tendrán una visión deprimera mano de lasinterconexiones íntimas queexisten entre ciencia,tecnología y sociedad.

Actividades

1 Diseñando una Caña de PescarSobre la base de lo queaprendieron acerca de resistencia,rigidez y prueba y construcción decompósitos, participarán en unconcurso para construir la caña depescar más resistente, flexible yligera. No debe haber ganchos,cuerdas o plomadas volando en elsalón de clase. El prototipo de cañade pescar se hará en miniatura,utilizando popotes de plástico comobase.

2 Diseñando un Nuevo MaterialSe fortalecen la individualidadconforme diseñan, prueban,evalúan y rediseñan un compósitode su invención para cualquier usoque consideren apropiado. Elproyecto simula el proceso que losingenieros utilizan cuando trabajanen nuevos diseños, lo cual puedemotivar al estudio una carrera enciencias aplicadas.

Proyectos de Diseño

En cada Actividad, los estudiantes exploran y pruebanT14

Usando las Actividades y los Proyectos de Diseño

Todos los módulos en la serie del Mundo de los Materiales contienen unconjunto de actividades relacionadas que conducen a proyectos de diseñocentrados en la investigación, que enlazan los conceptos que se enseñan enlas actividades.

Introducción: En todas, excepto en la primera y la última Actividad, seproveen antecedentes útiles que sirven como introducción para losestudiantes. La cual ayuda a conectar los conceptos impartidos en lasActividades con el mundo real. Brinda a los estudiantes una forma atractivapara enfocarse en lo que pueden aprender al llevar a cabo la Actividad.

Recuerda el punto principal de laActividad previa.

Puede asignar la introducción comotarea, o pueden leerla en voz alta oen silcencio.

Las ilustraciones refuerzan las ideaspresentadas en la introducción condiagramas que instruyen, fotografías queilustran y caricaturas que retransmitenconceptos clave con humor.

Resume un concepto clave quenecesitan saber acerca de los materialescompósitos.

materiales y en el proceso se diviertenT15

Actividades. Las actividades siguen un formato claro pero flexibleque le permite reforzar las habilidades científicas y los conceptosque enfatizó en sus clases.

Pueden diseñar sus tablas de datos o bienrepartir copias de la hoja de registro de laactividad correspondiente, que incluye unatabla de datos para que registren datos de laActividad.

Antes de hacer algo,los estudiantes leen

sobre lo que van a hacer yrealizan predicciones sobre loque sucederá. Hacer prediccioneses algo así como hacer unaapuesta. Logran, en suaprendizaje, llegar al resultado.

Da instrucciones escritas para la Actividad que permiten obtener unamplio panorama de lo que harán y resuelve exactamente cómo lo

harán. Esta estructura les ayuda a desarrollar habilidades de pensamientocrítico y obtener independencia como alumnos.

Capte el interés de sus estudiantes por la cienciaT16

Conclusión: Puede asignar las preguntas y la lectura adicionalal final de cada Actividad para ayudar a los estudiantes aconsolidar su aprendizaje.

Se comparan sus prediccionescon sus resultados reales ypiensan lo que les sorprendióy cómo pueden explicar estassorpresas.

Use este párrafo para ayudar a los estudiantes aestablecer metas para su lectura y relacionar lo queleen con lo que aprendieron al realizar la Actividad.

Esta página amplía losconceptos relativos a laActividad. Esto reta aampliar la comprensión yrelacionar los resultadosde la Actividad conprincipios clave enciencias e ingeniería.

Los alumnos resumen lo que han aprendido y reconsideran laspreguntas que se hicieron al inicio de la Actividad. Pueden notener las respuestas completas a sus preguntas iniciales, pero lainiciativa que tienen puede estimularlos a aprender más.

Después de terminar una Actividad, se estimula aformular preguntas adicionales. Las cuales puedenservir como tema de investigación paradocumentarse o en Proyectos de Diseñosubsecuentes.

En muchas Actividades, se buscanpatrones entre los datos que

obtuvieron. Pueden usar Matemáticaspara analizar sus datos o registrar susinterpretaciones en forma verbal.

con Proyectos de Diseño interesantesT17

Proyectos de Diseño: Aplicando conceptos de las Actividades, susalumnos relacionarán la ciencia con sus actividades cotidianasconforme se enfrentan al Reto de Diseño

Con los Proyectos de Diseño, siguen unformato similar al de las Actividades:existe una motivación inicial; tiempopara planeación y predicciones; unprocedimiento y colección de datos ytiempo para reflexionar sobre losmismos, haciendo interpretaciones yevaluando el proyecto en su conjunto.

Cada paso se resume en la edición para el estudiante.Se incluyen hojas de diseño donde viene una lista depreguntas como guía para completarlo.

La bitácora es una herramienta importante cuandotrabajan en los proyectos. Ellos deben guardarregistros de todas sus ideas, decisiones, datos yconclusiones en cada etapa. Pueden tener un cuadernode notas o integrar un expediente con los formatos.

T18

Un vistazo al Módulo

1. Probando DiferentesTipos de Hielo

2. A Cazar Compósitos

3. Probando los Materiales por suResistencia y Rigidez

4. Probando la Resistencia y Rigidez de unCompósito de Espuma

5. InvestigandoCompósitos

1. Diseñando una Cañade Pescar

2. Diseñando un NuevoMaterial

o Reconocer que el hielo reforzado con fibras de papel es más resistente que el hielo puro.o Comprender que el compósito de hielo tiene propiedades que son diferentes de aquellas de

sus componentes.o Hacer generalizaciones acerca de compósitos, comparar sus componentes, propiedades y

posibles ventajas y desventajas al usarlos.

o Identificar la amplia variedad de compósitos que se usan para fabricar objetos de uso cotidiano.

o Describir los materiales componentes que forman cada compósito.o Discutir por qué se usan compósitos particulares para propósitos específicos, enfocándose en

las cualidades de los compósitos que los hacen apropiados para cada uso.

o Idear definiciones funcionales de los términos resistencia y rigidez.o Diferenciar entre la resistencia de un material y su rigidez.o Clasificar diferentes materiales en términos de resistencia y rigidez.o Discutir la clasificación de diferentes materiales con los compañeros de clase y lograr un

consenso acerca de sus intervalos de resistencia y rigidez.

o (Opcional) adquirir experiencia construyendo compósitos laminares.o Comparar las propiedades de los compósitos con las propiedades de los materiales de los

cuales está compuesto el compósito.o Llevar a cabo exámenes cualitativos y cuantitativos sobre la resistencia y rigidez de compósitoso Notar los efectos dañinos de una desunión sobre la resistencia y la rigidez en un compósito.o Rastrear el desarrollo de un compósito producido comercialmente.o Reconocer la interacción que existe entre la gente en varios campos de la ciencia y la

tecnología en el proceso de desarrollo de compósitos.o Obtener orientación de algunas carreras involucradas en el desarrollo y manufactura de

compósitos.o Mejorar su destreza en investigación y comunicación generando un reporte organizado y

bien escrito.

o Diseñar, construir, examinar y rediseñar un conjunto de prototipos de cañas de pescar paraencontrar un criterio de diseño específico.

o Trabajar con un grupo para fijar y alcanzar metas.o Identificar y examinar una variable individual en cada conjunto de prototipos.o Conservar datos útiles y precisos del diseño, pruebas y procesos de evaluación.o Aplicar todos los conceptos aprendidos sobre compósitos de las Actividades previas en el

módulo.o Diseñar, construir, probar y rediseñar muestras de un compósito nuevo.o Identificar y probar una variable individual en cada conjunto de muestras.o Evaluar las muestras de material de acuerdo a un criterio específico que se haya seleccionado.o Trabajar en equipo para fijar y alcanzar metas.o Conservar datos útiles y precisos del diseño, pruebas y proceso de evaluación.o Aplicar todos los conceptos aprendidos sobre compósitos de las Actividades previas en el

módulo.

Actividades Objetivos de Aprendizaje

Proyectos de Diseño

T19

Materiales (para una clase de 24 estudiantes) Tiempo Estimado

500 ml. de agua. 5 a 15 minutos.30 hojas sencillas de papel sanitario.Licuadora.16-20 tapaderas de plástico de recipiente de yogurt de 1 litro.

Nada. 20 a 40 minutos, tarea.15 a 20 minutos, discusión en clase.

Posibles muestras: Parte A, 5 a 15 minutos.velas para pastel cotonetes agitadores para café Parte B, 15 a 25 minutos.picadientes ganchos para ropa alambre eléctricoligas resortes agujetas para zapatos

Panel de espuma aislante de 3x3 pies, de ½”. Tijeras. 30 a 50 minutos.3 hojas de cartulina de11”x14” 16 reglas en centímeros. 20 a 30 minutos más si los estudiantesPegamento o spray adhesivo. 8 juegos de pesas de 50 a construyen las probetas de la viga deTijeras. 500 gramos espuma.8 abrazaderas en C, 8 chinches o tachuelas. Papel milimétrico, 2 m de cuerda.

Nada. 10 días a 2 semanas,tarea a largo plazo.

100 a 200 popotes 8 juegos de pesas de 50 a 500 g 4 a 5 períodos de clases.Papel de refuerzo como: 16 vasos de papel para sostener las masas

varios tipos de cinta para pegar papel milimétrico y marcadorestelas, cuerda, etc.

8 abrazaderas en C.16 reglas en centímeros.2 m. de cuerda para caña de pescar o nylon.Los estudiantes pueden proveer los materiales para 4 a 5 períodos de clases.construir sus compósitos o se les pueden facilitar algunos, tales como:papel aluminio material para relleno de cojines, piel,plástico para envolver esponjas, cartulina, cuentas de vidrio,pegamento lámina de cobre, lijas, parafina, algodón,mosaicos de cerámica, masking tape, etc.

T20

Flexibilidad de Uso

Puede adecuar los Módulos del Mundo de los Materiales deacuerdo al tiempo que tenga disponible, el estilo de enseñanzaque prefiera y las habilidades de sus estudiantes.

TIEMPOEl módulo Compósitos tomará entre 10 y 14 períodos de clase. Si tiene menos tiempo, use como guíala tabla que se presenta a continuación

10 a 14 períodos de clase

7 a 10 períodos de clase

5 a 7 períodos de clase

1 Probando Diferentes tiposde Hielo.

2 A Cazar Compósitos.3 Probando los Materiales

por su Resistencia y Rigidez4 Probando la Resistencia y

Rigidez de un Compósito de Espuma.

5 Investigando los Compósitos

1 Probando Diferentes Tiposde Hielo.

3 Probando los Materiales porsu Resistencia y Rigidez.

4 Probando la Resistencia yRigidez de un Compósito Espuma.

1 Probando Diferentes Tiposde Hielo.

4 Probando la Resistencia yRigidez de un Compósitode Espuma.

ó

El Proyecto de Diseño nohecho en clase.

2 A Cazar Compósitos.5 Investigando los Compósitos2 Diseñando un Nuevo

Material.

2 A Cazar Compósitos.3 Probando los Materiales por

su Resistencia y Rigidez.5 Investigando los Compósitos2 Diseñando un Nuevo

Material.

Si Usted tiene Actividades Proyectos de Diseño Tarea o Créditos Extra

1 Diseñando una Caña de Pescar.

2 Diseñando un NuevoMaterial.

1 Diseñando una Caña dePescar.

1 Diseñando una Caña dePescar.

Estilo de EnseñanzaLos Módulos del Mundo de losMateriales están diseñados a partirdel método de aprendizaje porindagación, en el que losestudiantes generan preguntasacerca de un tema y encuentranformas para contestar esaspreguntas. Sin embargo, el formatoes muy flexible y puede adaptarlo.

Por ejemplo, puede usar laspreguntas de la parte sombreada enla primera página de cada Actividadcomo ejemplos de preguntas quesus estudiantes podrían hacer antesde empezar la Actividad. Mientrasla hacen, pueden generar susrespuestas. Otra forma de usarlassería enlistarlas como objetivos yque los alumnos las contesten

después de terminar la Actividad.El hacer predicciones acerca de losresultados puede aumentar lamotivación para hacerla. Y lareflexión sobre las prediccionespuede ayudar a profundizar en elproceso de comprensión de losconceptos científicos. Puedenhacer predicciones por escrito yreflexionar o discutir en

T21

grupos pequeños o con toda laclase. Si es poco tiempo, puedenhacerse las predicciones como partede una sesión previa de lectura y lareflexión sobre las prediccionescomo tarea.La última página de cada Actividadincluye preguntas que ayudan aconsolidar y llevar más lejos elaprendizaje. Estas preguntas

pueden usarse como base paradiscusión en clase o en grupospequeños. Tales discusionesayudan a aprender de suscompañeros y propician lacomunicación y habilidades derazonamiento. Vea la página T22de consejos para guiar discusionesque estimulan el pensamiento. Sitales discusiones no funcionan para

una clase particular, puede asignarpreguntas de tarea.

Las Actividades en el módulo de compósitos fuerondiseñadas y probadas por profesores de preparatoria parausarse en sus clases de ciencias, matemáticas y educacióntécnica. Los estudiantes encuentran las ideas presentadasen el módulo como nuevas y excitantes. Pueden relacionarrápida y fácilmente lo que aprendieron al realizar lasActividades con cosas que ven a su alrededor. Disfrutan laindependencia de diseñar, construir y probar algo por símismos.

Los alumnos de todas las capacidades pueden ganar con elmódulo de Compósitos. Si en su clase hay quienes tengancapacidades por arriba del promedio o por debajo delpromedio, puede adaptar su enseñanza para favorecerclases individuales o estudiantes individuales. Suexperiencia será su mejor guía, pero los consejos que sedan a continuación pueden serle útiles también.

Clases con Habilidades Variables

• Planee las Actividades comoactividades abiertas, en las cuales diseñen laforma de encontrarrespuestas a las preguntas propuestas.Los consejos en la Guía de Planeaciónpara algunas de las Actividades dansugerencias específicas.• Rete a a exponer ideas para losprocedimientos y la recolección dedatos.• En la ejecución de laspredicciones y/o reflexiones, pidaque se turnen para dirigir lasdiscusiones en clase.• Solicite que hagan el Proyecto deDiseño 2, Diseñando un NuevoMaterial. Este proyecto favorece laindependencia de los estudiantes aldarles un alto grado de libertad en sutrabajo.• Asigne las Actividades deExtensión en el Apéndice comoactividades adicionales en clase ocomo créditos extra.

Debido a la naturaleza interactiva de

las Actividades y Proyectos de Diseño,muchos estudiantes que tienden atener problemas con la cienciadisfrutan el módulo y lo hacen muybien. Aquí hay algunas sugerenciaspara apoyarlos.

• Haga menos Actividades, pero tometiempo extra para discutir laspreguntas que tengan durante cadauna. Ayude a aclarar dudas sobredefiniciones, procedimientos,recolección, anotación e interpretaciónde datos.

• Para cada Actividad, enfóquese

en dos o tres preguntas clave.

• Cuando se discutan ideasabstractas, siempre refiérase aejemplos concretos y délesoportunidad de hacer preguntas acercade los ejemplos. Lleve modelos físicosque puedan observar y manipularsiempre que sea posible.

• Asigne el Proyecto de Diseño 1,

que les permite experimentar con

materiales, pero provea suficiente

material para los que puedan necesitar

una guía adicional.

Puede limitar la elección de materiales

de refuerzo para proporcionar más a

los que así lo necesiten.

• Fomente un ambiente positivo y

de colaboración en el salón de clases.

Aliente la ayuda mutua en todos los

aspectos de las actividades y

proyectos, eligiendo actividades,

realizando procedimientos, haciendo

observaciones, aclarando e

interpretando datos y formulando

explicaciones.

Con Estudiantes Avanzados Con Estudiantes que Necesitan Trabajo Extra en CapacidadesAcadémicas

T22

Apoyando Discusiones Basadas en la IndagaciónPara muchos estudiantes, la comprensión de los aspectos claves se da rápidamente a través dela discusión. Las discusiones les dan oportunidad de comprender lo que han aprendido alhablar de ello. Tienen la oportunidad de probar sus explicaciones de lo que han observado ydescubren si pueden expresar sus ideas de manera que tengan sentido para los demás.

Puede recurrir a discusiones en grupos pequeños o delpleno de la clase, de las siguientes formas: comoherramienta de motivación al inicio de una Actividad oProyecto de Diseño para estimular hacer prediccionesantes de la parte principal de una Actividad; como puntode observación durante un procedimiento complejo; paraobligar a integrar lo que han aprendido al final de unaActividad. A continuación se dan algunas sugerencias paraguiar en el cuestionamiento y la discusión:• Considere usar preguntas simples de "sí-no" para

iniciar la discusión, pero una vez que se lleva a cabo se

requiere que los estudiantes expliquen sus razones para

pensar de la forma en que lo hacen.

• Pida que elaboren respuestas cortas.

Expresar una idea o pensamiento confuso puede

ayudarles a interpretar mejor su entendimiento. Esto

probablemente ayudará a comprender a otros estudiantes.

• Si tienen dificultad para

expresar sus ideas, diga posibles

explicaciones que puedan estar

en su pensamiento y pida que las

expliquen.

• Propicie la discusión entre estudiantes.

Si se empantana, ayúdelos a

analizar los comentarios previos,

pero evite expresar sus comentarios

personales o hacer análisis

autoritarios.

• Fomente que se escuchen mutuamente

de una forma considerada

pero analítica. Ayúdelos a cuestionarse y

llegar a conclusiones sin contar con usted.

• Para ayudar a vigilar las discusiones

de grupos pequeños, pida a los equipos

informar cosas específicas a

todo el grupo.

• Invierta tiempo con grupos pequeños para fomentar

que comprendan la importancia de la participación de

cada participante en la discusión. Fomente el liderazgo

imparcial entre los estudiantes e invítelos a todos a

participar de lleno en las discusiones.

• Pida a un alumno que escriba los comentarios en

el pizarrón o en papel. Puedenueden necesitar este

registro si más tarde quieren reexaminar las ideas

propuestas. La anotación puede ayudarles a recordar que

la ciencia no es sólo un registro de hechos aislados, sino

un proceso de mayor descubrimiento y mejores

explicaciones para las cosas que observan.

Usar la Discusión para Promover el Aprendizaje

T23

Opciones de EvaluaciónAparte de evaluar la capacidad de los estudiantes para hacer preguntas útiles ygenerar respuestas claras congruentes con sus datos, también puede adaptar elmódulo de Compósitos para preparar diversos estilos de evaluación.

Habilidades en el Procesode la CienciaConforme trabajan en lasActividades y Proyectosde Diseño, usan lassiguientes habilidades yconocimientos en elproceso:

Observación.Comunicación.Medición.Clasificación.Hacer y usar modelos.Reconocer relaciones deespacio o tiempo.Colectar e interpretardatos.Inferencia.Predicción.Identificación y control de variables.Formulación depreguntas e hipótesis.Elaboración de definiciones operativas.

Usted puede evaluarcómo usan e incrementanestas habilidadesmientras participan en elmódulo.

Evaluación de PortafolioLos registros que incluyenhojas de registro deActividades u hojas deRegistro de Diseño, cintasde audio o video de laspresentaciones en clase,pueden incluirse en losexpedientes. Teniendo encuenta éstos y otrosdocumentos en elportafolio y hablandoacerca de lo que hanaprendido durante elmódulo, usted puedeevaluar cómo la actitud dehacia la ciencia o lasmatemáticas ha cambiado,así como han cambiadosus habilidades científicas,de comunicación, paratrabajar en formaparticipativa con los demásintegrantes del equipo yqué tan bien hanaprendido los conceptosclave que usted enfatizómientras efectuaban elmódulo.

Evaluación Basada en la IndagaciónCon el aprendizaje basado en la indagación, no se enfocansimplemente en seguir un procedimiento de laboratorio ogenerar un producto, sino en encontrar respuestas a suspreguntas. Por lo tanto, la capacidad para explicarrespuestas y discutir el proceso mediante el cual llegaron aesas respuestas es una excelente base para la evaluación.Los que llegan a una respuesta incorrecta, pero que puedenestructurar bien su razonamiento con datos congruentes consus respuestas deben recibir una evaluación favorable. Losque han llegado a respuestas o soluciones correctas, peroque no pueden explicar o documentar cómo dedujeron susconclusiones, deben recibir apoyo para completar su trabajomediante la elaboración de procesos más profundos depensamiento.

Evaluación Tradicional

Pida que usen sus notas ysus hojas de registro paraescribir un reporte delaboratorio tradicional paracada Actividad y Proyectode Diseño. Califique estosreportes por formato,claridad, puntualidad,contenido y otras metas queelija para su clase.

Autoevaluación

Con su guía, puedenestablecer metas para elmódulo de una manera clara.Deben escribirlas en sucuaderno de ciencias yconsultarlas cuandoempiecen cada nuevaActividad o Proyecto deDiseño. Al final del módulo,prepare conferencias brevescon los estudiantes paraayudarlos a evaluar qué tanbien lograron sus objetivos.

T24

Una Nota Sobre SeguridadLos Módulos del Mundo de losMateriales fueron diseñadosteniendo en cuenta la seguridad yel éxito. Ninguna de lasActividades en el Módulo deCompósitos incluye materialespeligrosos. Pero una actividad"segura" puede presentarinseguridad si los materiales o elequipo se manipula o se empleamal.Por esta razón, le recomendamosque haga de la seguridad unobjetivo principal en el aprendizajedel módulo. Una de las formas dealcanzar este objetivo es quemantenga una breve discusiónsobre seguridad antes de que

empiecen cada Actividad oProyecto de Diseño. Antes de ladiscusión, pida que lean la secciónde procedimiento. A continuación,deje que aborden temas deseguridad que puedan presentarsey discutan formas que puedanmantenerlos seguros tanto a elloscomo a los demás. Puedeencontrar posibles propuestas paradiscutir en la Guía de Planeaciónantes de cada Actividad.Adicionalmente, puede darles unmanual de seguridad (elaboradoposiblemente por los mismosestudiantes) antes de queempiecen cada Actividad. Revise eluso del equipo de protección,

como lentes de seguridad, guantesy casco, si se requiere este equipopara el procedimiento.Finalmente, en lo que se refiere aseguridad, usted es el mejormodelo a seguir. Siguiendo lasguías que ha establecido, puedemostrar cómo estas Actividades yProyectos de Diseño pueden serdivertidos, excitantes y seguros,todo al mismo tiempo.

Bibliografía sobre Compósitos

Easterling, Ken. Tomorrow'sMaterials. London., England: theInstitute of Metals, Carlton HouseTerrace, 1988.Introduce a los alumnos de nivelmedio superior a la ciencia de losmaterials, describiendo la estructurade muchos materiales, incluyendocompósitos naturales ymanufacturados.

Gordon, J.E. The New Science ofStrong Materials, 2nd edition.Princeton, New Jersey: PrincetonUniversity Press, 1976.Para lectores en general sin muchaeducación en ciencias, un libro bienescrito y de lectura ágil. Explora lanaturaleza de los materiales e incluyeanécdotas entretenidas sobre eldesarrollo de algunos materiales.

Gordon, J.E. Structures or WhyThings Don't Fall Down, New YorkCity, New York: Penguin Books,1978. Escrito en el mismo estilo queThe New Science of Strong Materials,este libro trata sobre la resistencia delos materials a los esfuerzos y sobrecómo los resisten.

Jacobs, James A. EngineeringMaterials Technology. EnglewoodCliffs, New Jersey: Prentice Hall,1994. Este es un buen libro paralectores que quieren entender y estaral corriente en la tecnología de losmateriales que están transformandotodos los aspectos de nuestra sociedad.

Composites, Engineered MaterialsHandbook Series, Vol 1, FtLauderdale, Florida: ASMInternacional, 1987. Un librobastante entendible en materialescompósitos de fibra reforzada

"The Ins and Outs of Midsoles".Consumer Reports, Vol 57, Number5 (May 1992), p. 310.

Gannon, Robert. "What Really Sankthe Titanic". Popular Science, Vol246, Issue 2 (Feb 1995), p. 49.

Mathras, Michael S. "ComparingComposites". The Science Teacher,Vol 60, Issue 5, (May 1993), p. 18.

Libros y Artículos en Compósitoshttp://mwm.ms.nwu.edu El sitio web official de los Módulos delMundo de los Materiales incluye información adicional sobre cadamódulo, ejemplos de trabajo estudiantil y evaluación del profesor.Además de vínculos con otras muchas fuentes en línea.

http://vims.ncsu.edu Visualization in Materials Science. Este es unbuen punto de partida para guiar en forma interactiva e introductoria alfascinante mundo de los materiales.

http://www.lbl.gov/MicroWorlds Exploring the Structure of Materials.Esta es una revista de ciencia interactiva para los grados 7-12.

http://www.isc.tamu.edu/~clint/html/CCcomposite.htmlCarbon/Carbon Composite Links on the web. Este sitio contienevínculos para información sobre compósitos carbon-carbón usados enel bombardero Stealth y el Space Shuttle, entre otros.

Bibliografía en Internet

Material de Apoyo para Profesores que Utilizan los MódulosEl equipo de científicos, educadores y profesores que armaron losMódulos del Mundo de los Materiales son un grupo dispuesto a ofrecerapoyo a los profesores que adopten los módulos. Si tiene alguna preguntao comentario, puede dirigirse a:

Program CoordinatorMaterials World ModulesNorthwestern University2115 North Campus DriveEvanston, IL 60208-2610Tel: (847) 467-2489 Fax: (847) 491-8999e-mail: mwm@nwu.edu

iv

v

1AA c t i v i d a d 1 P r o b a n d o D i f e r e n t e s T i p o s d e H i e l o

ENLACE

GUÍA DE PLANEACIÓN

Probando Diferentes Tiposde Hielo

CON EL PROYECTO DE DISEÑO Hay ventajas y desventajas a lut i l izar un mater ia l compósi to. La habi l idad para evaluar tantolas ventajas como las desventajas de di ferentes combinacionesde mater ia les ayudará a escoger los apropiados cuando hagan elproyecto “Diseñando una caña de pescar” o “Diseñando unnuevo mater ia l” .

D

Propósito

Presentar un hecho sorprendente sobre elhielo que estimulará el interés de losestudiantes en los materiales compósitos.

Resumen de la actividadEn esta actividad comparan la resistenciadel hielo puro con la resistencia de uncompósito hecho de hielo con otro materialque se le agrega. Las instrucciones en laedición de los estudiantes asumen que elprofesor preparará las probetas de hielo deacuerdo a las instrucciones de la izquierda.

Seguridad

Discuta las instrucciones de seguridad quelos estudiantes deben advertir, incluyendo:

• Que vuelen piezas de hielo si la probetase rompe.

• Gotas de agua resbalosas sobre el piso,debido a fragmentos de hielo derretidos.

• Medidas de seguridad particulares delsalón de clase.

• Precauciones que pueden tomar paraincrementar la seguridad, tales comousar delantales, recoger cualquier astillade hielo y secar las gotas tan prontocomo puedan.

Actividad alternativa

Esta actividad también se puede realizarcomo una actividad guiada, donde hacenlas probetas de hielo de acuerdo a lasinstrucciones o como una actividad abiertahaciendo las probetas de hielo con unavariedad de materiales agregados paraprobar la resistencia.

Preparación anticipada

Si usted va a proveer las probetasde hielo, hágalas un día antes siguiendo las instrucciones.

1ACTIVIDAD

—-CON LA SIGUIENTE ACTIVIDADEn A Cazar Compósitos los estudiantes identifican todos los tiposdiferentes de materiales compósitos comunes. En Probando laResistencia y Rigidez de un Compósito de Espuma aprenden unmétodo cuantitativo para probar la resistencia de un material. Ahípueden aplicar observaciones que hacen sobre los compósitos deespuma (que son un panel de aislante de espuma de poliestireno unidoa dos hojas de papel encima y abajo). En este módulo observan uncompósito de hielo, para experimentar exactamente por qué el papelhigiénico refuerza al hielo.

Instrucciones

1. Vierta 250 ml de agua en lalicuadora y enciéndala a bajavelocidad. Con la licuadoraencendida, agregue el papelhigiénico, pieza por pieza, hasta que la mezcla sea homogénea.

2. Deposite la mezcla en las tapas deyogurt o los moldes demantecadas. Si usa el molde, tratede que el espesor sea uniforme engeneral. Cada disco no debe sermás grueso que 0.5 cm.

3. Haga la misma cantidad de discosde hielo con pura agua, delmismo espesor que la mezclacompósito.

4. Enfríe todos los discos hasta queestén bien congelados. Esto llevarávarias horas o toda la noche.

5. Si usted usa moldes demantecadas, puede ser quenecesite pasarlo por agua atemperatura ambiente pararemover las muestras.

Nota: Puede aumentar la cantidadde papel higiénico para hacerdiscos que sean todavía másresistentes.

Construyendo las Probetas de Hielo Use las siguientes instrucciones para hacer lasprobetas de hielo. Puede hacer copias fotostáticas si quiere que las hagan losalumnos.

Materiales • 500 ml de agua.

• 30 hojas sencillas de papelhigiénico.

• Licuadora.

• Regla graduada en centrímetros.

• Congelador.

• 16-20 tapas de envases de

yogurt de 1 litro o suficientes

moldes antiadherentes para

mantecadas.

1B M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Los esquimales de algunas partes de Canadá tradicionalmente construyen sushogares con bloques cuadrados de hielo. Pero otros pocos pueblos usan elhielo para la construcción. Hay varias razones para esto: el hielo es pesado y sederrite cuando la temperatura sube sobre la de fusión. Pero reforzado confibras, tales como papel o madera, es asombrosamente resistente. En realidad,una pieza gruesa de ese hielo reforzado es tan resistente como el acero. No seastilla por impactos de balas y además flota. Esta combinación de propiedadescondujo a un inventor británico, que trabajaba para el Consejo de Guerradurante la II Guerra Mundial, a proponer la construcción de un barco de hieloreforzado con aserrín. La propuesta consistía en una embarcación de dosmillones de toneladas, 610 m de largo y 91 m de ancho, que serviría comoplataforma para despegar y aterrizar las naves de los Aliados en medio delOcéano Atlántico Norte. Unos refrigeradores a bordo podrían prevenir que sederritiera el barco y se hubieran usado para reparar cualquier daño, fundiendolas piezas dañadas con agua salada y congelándolas después con la formadeseada. Ese barco hubiera sido tres veces mayor que cualquier barco existente,capaz de resistir torpedos tan bien o mejor que un barco con casco de acero ymucho más barato de construir. Se construyeron y probaron prototipos delbarco de 30 metros de largo. Pero la guerra terminó antes de que la versióncompleta pudiera construirse. La idea de construir barcos de compósitos de

hielo ha quedado congelada desde entonces.

CC oo mm pp óó ss ii tt oo ss ee nn aa cc cc ii óó nn

Sugerencias de los veteranos

¡La demostración delcompósito de hielo realmentellama la atención! Losestudiantes se muestranextremadamente curiosossobre qué fenómeno haceque los discos sean tanresistentes. Las preguntasque hacen lo ayudarán adirigir la indagación para elmódulo entero.

Ken Turner, profesor deQuímica, Schaumburg HighSchool, Schaumburg, Illinois

Previsión de dificultades

Si no tiene un congelador en susalón, mantenga los discos de hieloen una hielera. Llene la hielera conpaquetes de hielo para mantenerloscongelados sólidos.

Alternativa para Actividad AbiertaUsted tendrá que proveer a los alumnos los diferentes materiales a mezclar con elagua para hacer las probetas de hielo. Haga que depositen cada mezcla en losmoldes o en las tapas de yogurt y que congelen las probetas. Deben hacerpredicciones sobre cuáles tipos de hielo van a ser los más resistentes. Después deque las probetas se han solidificado, pueden probar la resistencia.

Note que la uniformidad del licuado es importante, los materiales mezclados debenfortalecer los compósitos de hielo. Usted podría hacer que descubran estopidiéndoles a algunos que usen la licuadora y a otros que depositen las tiras de losmateriales en el agua antes de que se congele y que comparen la resistencia de lasdiferentes probetas.

Tiras de cartón.Tiras de papel periódico.Tiras de bolsas de papelestraza.

Piezas pequeñas de nieveseca (poliestireno).Aserrín.

Otros materiales que losestudiantes quieranprobar.

Materiales que usted podría proveer a los estudiantes para hacer la actividad abierta:

Esta actividad sirve para introducir el tópico general de los materiales compósitos a losestudiantes. Usted puede referir la sección Conexiones con su Plan de Estudio en la páginaT12 para ver sugerencias de las formas para introducir esta actividad y el módulo completoen su plan de estudios en general. La Minipedia al final del módulo, incluye ejemplosespecíficos de hechos interesantes sobre los compósitos que puede relacionar con diferentesáreas de la ciencia y la tecnología.

onexión con su Plan de EstudiosC

1A c t i v i d a d 1 P r o b a n d o D i f e r e n t e s T i p o s d e H i e l o

Agrupamiento SugeridoEquipos de dos a cuatro integrantes

Opcional: La discusión del grupo enterosi se realiza la actividad comodemostración.

Objetivos de la actividadLos estudiantes:• Reconocen que el hielo reforzado

con fibras de papel es más resistente

que el hielo puro.

• Comprenden que el hielo

compuesto tiene propiedades que

son diferentes a las de los materiales

que lo componen.

• Hacen generalizaciones acerca del

material compuesto, comparando

sus propiedades y posibles ventajas y

desventajas de uso.

Conducción de la Actividad•Pida a los estudiantes que lean en

silencio el párrafo introductorio e

inicie después una discusión de las

formas de hacer más resistente el hielo.

Recopile todas las sugerencias y haga que

las comparen con la experiencia, siempre

que sea posible. Si el tiempo lo permite y

ellos están interesados, puede

animarlos a comprobar sus ideas en casa o

en el salón de clases y reportar los

resultados.

•Solicite que mantengan en mente las

preguntas que se enmarcan en el recuadro

gris de su libro mientras hacen la actividad.

Para reforzar las habilidades de estudio,

puede sugerir que copien estas preguntas en

su cuaderno.

Predicciones Hacer predicciones puede tomar la forma

de una breve discusión en clase.

Estimule las razones de los estudiantes

para sus predicciones y anímelos a llevar

un registro de las mismas. Si desea,

puede hacer en clase una votación

entre ellos, para saber cuál probeta piensan

que será la más fuerte y anote los

resultados en el pizarrón.

Registro de DatosLos alumnos deben adquirir el hábito

de registrar sus predicciones, razones,

métodos de prueba, datos y observaciones

en una tabla claramente organizada.

Una tabla de datos de ese tipo

se incluye en la hoja 1 del Registro de

Actividades, que puede fotocopiar y repartir.

Para ahorrar tiempo con esta actividad muy

simple, puede prescindir de la tabla de

datos. Sin embargo deben registrar

sus predicciones y razones y anotar los

resultados de la actividad o de la

demostración.

Tiempo Estimado:• 5 a 15 minutos• Opcional: Si los estudiantes hacenlas probetas puede tomar 10 a 20minutos extra el día anterior.

Para Ahorrar Tiempo:• Haga la actividad como demostración con un voluntarioprobando el hielo puro y el hielocompuesto frente al grupo.

Procedimiento, Datos y Observaciones

La mayoría de los estudiantes podráromper la probeta de hielo puro con lasmanos fácilmente. Para romper lasprobetas del compósito de hielo, podríaser necesario doblar los discos sobre laesquina de una mesa o golpearlos conun martillo u otro objeto pesado.Cerciórese de tener bastantes toallas depapel a la mano, de modo que puedanlimpiar el agua derramada encima de lasmesas, del escritorio o en el piso. •Consiga recipientes o cubetas para que

desechen las probetas cuando terminen

las pruebas. Las probetas de hielo puro

se pueden desechar en el fregador o

lavabo o bien en las cubetas con las

otras probetas.

2 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Discusión de la CitaDeje a los alumnos discutir si el viejorefrán es verdad para el compósito dehielo, pues se refiere al hielo puro.

Consejo para la Enseñanza. Para una prueba cuantitativa, puedeprobar los discos de hielo con undispositivo de prueba de bola sobreanillo simple, como el que se muestraen la página A31. Si utiliza esedispositivo, debe hacer sus medidasrápidamente, porque el hielo se derritemás pronto cuando está bajo presión.

Reflexiones1. Los estudiantes comprenderán que elcompósito de hielo es más resistente queel hielo puro. Ellos se sorprenderán deque el papel sanitario agregue resistenciaal hielo, porque por sí mismo el papelsanitario no es un material muyresistente. 2. Pídales que observen las razones queofrecieron para sus predicciones yrevísenlas con base en las observaciones ylas cosas que aprendieron realizando estaactividad. Encamínelos a usar lasobservaciones de cómo tuvieron quehacer fuerza o jalar sobre la probeta paraayudarlos a obtener una explicación depor qué el compósito es resistente.Deje que discutan libremente sus ideasacerca de por qué el compósito de hielo esmás resistente que el hielo puro. Invítelosa proponer métodos para probar esasideas de una manera científica.Permítales intentar sus propios métodos sies posible.En resumen

3. Los estudiantes entenderán que elcompósito de hielo es más resistente queel hielo puro y que el compósito puedetener características que difieren de las delos materiales de los cuales estáncompuestos. Refuerce la definición decompósito que el estudiante leyó en laintroducción en la página iv, pidiéndolesque expliquen por qué el disco de hieloduro constituye un compósito de hielo.Pida que hagan una lista de tantascaracterísticas como puedan sobre estecompósito en particular. 4. Entre las ventajas, podrían mencionarla mayor resistencia: entre las desventajas,el cambio en la textura, la variación delpunto de fusión y la apariencia. Acepteotras ideas también. Reciba todas las ideaspara usos prácticos de hielo compuesto.Puede discutir Compósitos en Acción enla página 1B o fotocopie la anécdota paraque la lean.

Aceptetodas las respuestas y pida que lascomparen con sus observaciones.Algunos pueden notar que cuando losmateriales en el compósito de hielo noestán bien ligados, por ejemplo cuando elhielo se comienza a derretir, el compuestono es tan resistente. Puede ser queprevean esto como un posible problemacon los materiales compuestos.Explíqueles que aprenderán más acercade las ventajas y desventajas de loscompósitos a medida que avancen en elresto de las actividades de este módulo.Después de que respondan las preguntasespecíficas, refiéralos a las preguntas delprincipio de la actividad. Pregúnteles sitienen respuestas. Si no tienen, cuestionqué necesitarían aprender para acercarse alas respuestas satisfactorias. Permítalescomentar cómo podrían aprender esascosas.

onexión con el DiseñoCC

3A c t i v i d a d 1 P r o b a n d o D i f e r e n t e s T i p o s d e H i e l o

Después de que hayan terminado ladiscusión de sus ideas, Usted los puedereferir a Expandiendo los Conceptos en laedición del estudiante, para buscar unaexplicación concisa y simple de cómo elpapel higiénico aumenta la resistencia delcompósito de hielo.

Me preguntoPuntualice que a veces una experiencia,tal como hacer una actividad científica,no solamente ofrece respuestas sino queplantea nuevas preguntas. Permita queformulen las preguntas que surjan depuésde desarrollar esta actividad. Anímelos aaceptar las preguntas de todos y asegureque se vale hacer todas las preguntas quequieran.Ellos podrían tener dudas sobre laidentificación de materiales compósitos.También podrían preguntarse cómo loscomponentes de un material compósito sejuntan. Ellos pueden preguntar si todoslos materiales compósitos son másresistentes que los componentes de los

que están hechos. Cuestiónelos paraestimular su curiosidad.Pida que piensen sobre cómo ellos (o loscientíficos o los ingenieros) pudieran usarlos conocimientos adquiridos a partir debuscar las respuestas a varias preguntas.Enfatice que preguntar y buscarrespuestas es la base de cualquieraprendizaje, especialmente en las cienciasy la ingeniería.

Este breve artículoda una explicaciónde por qué el hieloreforzado con

fibras es más resistente que elhielo puro.

Cómo usar esta PáginaUsted puede asignar esta páginacomo lectura general después deque los estudiantes completaron laactividad o puede sugerir a los quemanifiestaron curiosidadparticular sobre la actividad, quelean el artículo y lo resuman anteel grupo.

Introducción del TemaPida que dibujen qué sucedecuando se rompen el hielo puro yel reforzado por fibras. Haga queusen sus dibujos para tratar deexplicar por qué el reforzado esmás resistente. Explique que esteartículo brinda una explicación decómo las fibras aumentan laresistencia del hielo.

Ampliación del PensamientoPuede proponer las siguientespreguntas de extensión a losestudiantes interesados:•¿Esta explicación sugiere

alguna nueva pregunta?

¿Cuáles son y qué podrían

hacer para encontrar las

respuestas?

•Ahora que entiende cómo las

fibras de papel refuerzan y

hacen más resistente el hielo,

¿Qué otros materiales

piensa que se pueden agregar

para obtener resultados similares?

¿Qué efectos, si los hay, podría

hacer el congelamiento a esas

fibras y a la habilidad de reforzar

el hielo? Explique sus respuestas.

•¿Puede pensar en formas

de aplicar la información sobre

el refuerzo de materiales con fibras

para ayudar a diseñar algo o

resolver algún problema? Explique

sus ideas.

ONCEPTOSCEX PA N D I E N D O

los

M ó d u l o C o m p ó s i t o s

GUÍA DE PLANEACIÓN2

ACTIVIDAD

Propósito Conseguir que los estudiantes noten lavariedad de materiales compósitos quecomponen objetos comunes de uso cotidianoy ayudarlos a reconocer algunas de lasventajas de estos materiales.

Resumen de la ActividadEn esta actividad, examinan objetos de usodiario e investigan si están hechos demateriales compuestos o de materialespuros. Esta parte de la actividad se puedeasignar como tarea. En la clase al díasiguiente, pueden hablar de los diversoscompósitos que encontraron y discutir lasrazones por las que los compósitos seutilizan en ciertos objetos en particular.También hacen hipótesis sobre el propósitode los componentes que constituyen uncompósito.

SeguridadDiscuta diversas líneas de seguridad que sedeben aplicar en el hogar y en la escuela,incluyendo: • No abrir armarios o gabinetes quecontengan productos químicos peligrosossin permiso.• Tomar cuidadosamente herramientas,artículos deportivos u otros objetos omateriales grandes, poco manejables opeligrosos.• Colocar en su lugar los objetos quemuevan, poniéndolos nuevamente dondepertenecen, de modo que nadie tropiece ose lastime con las cosas que no estén enorden.

Preparación AnticipadaNo se requiere ninguna preparaciónanticipada para esta actividad, amenos que usted planee traer losobjetos para que los alumnos losexaminen en clase.

D

ENLACECON ACTIVIDADES ANTERIORES Al introducir el estudio de losmateriales compuestos en la actividad del compósito de hielo,se aprende una definición simple de materiales compuestos yse aplica esta definición a la vez que se identifican de entreuna variedad de objetos comunes.

CON LA SIGUIENTE ACTIVIDAD En la actividad sobre la resistenciay rigidez, se analizarán los diversos materiales que seencontraron en la búsqueda de compósitos y se discutirá sison resistentes o débiles, rígidos o flexibles.

CON EL PROYECTO DE DISEÑO Analizando la función de diversoscomponentes de los materiales compuestos, el estudiantecomprenderá por qué los materiales se diseñan parapropósitos o funciones específicas. Esto les ayudará aconsiderar las propiedades de diversos materiales puroscuando trabajen en el diseño de sus propios compósitosdurante los Proyectos del Diseño.

Aún cuando asigne la cacería decompósitos como tarea, puedetraer algunos ejemplos demateriales puros y de materialescompuestos para que losexaminen. Durante una brevediscusión en clase, ayúdelos adistinguir visualmente losmateriales puros de loscompósitos de diversos tipos y

los objetos que se construyen dediferentes materiales. Enfaticeque aunque estos últimos objetosse pueden hacer de materialescompuestos, no son compósitos.Algunas muestras que ustedpuede proporcionar se incluyenen la tabla de la página 4B.

Abastecimiento de Probetas

onexión con su Plan de Estudios Relación del Tema CEn la sección Conexión con su Plande Estudios en la página Tl2 se lesugieren varias maneras que puedeutilizar para enlazar el módulo de loscompósitos con el plan de estudiosen general. La tabla de la derecha leda ideas para conectar los conceptosintroducidos en esta actividad condiversas disciplinas. En la Minipediaen la parte posterior del libro seincluyen ejemplos específicos dehechos interesantes sobre loscompósitos que usted puederelacionar con otras áreas de laciencia y la tecnología.

BiologíaEstructura de:

dientes músculos huesos tallos o tronco de plantas

QuímicaPropiedades físicas de la materia Mezclas

A Cazar Materiales

4A

A c t i v i d a d 2 A C a z a r M a t e r i a l e s C o m p ó s i t o s 4B

A CAZAR COMPÓSITOS con las Diferentes Asignaturas

Ciencias SocialesEgipto AntiguoCivilizaciones Americanas:

Incas MayasNativos Norte-americanos

Tecnología Moderna

Educación TécnicaMaderas.Material de Construcción.Sistema de Seguridad paraAutomóviles.Construcción de Aviones.

Ciencias de la TierraRocas Sedimentarias.Intrusiones en Rocas Metamórficas.Conos de Volcanes.Estructura de la Tierra. Estructura de DiferentesPlanetas.Minería.

Un compósito es una combinación de dos o másmateriales visiblemente distintos que se mezclano se enlazan para formar un material único,identificable. El vidrio de seguridad (como el delos parabrisas) es un compósito, hecho de unpegamento y de un plástico claros, intercaladosentre las piezas de vidrio. El concreto reforzadoes un compósito, hecho de cemento, pequeñasrocas y barras de acero.

La composición de diversos componentes ayudaen la identificación de un material comocompuesto. Sin embargo, el término "material"es también importante en la definición delcompósito. Un compósito no es un objeto, sinoun material. Por ejemplo, un cepillo de dientesno es un compósito, sino un objeto que se hacede dos o más materiales distintos. La tabla de laizquierda nos da ideas de cómo puede aclarar estadiferencia.

AA nn tt ee cc ee dd ee nn tt ee ss

Sugerencias de los veteranos

La cacería de compósitos esuna buena introducción altema, en la cual losestudiantes se dan cuenta deque realmente tienenconocimiento de fondo muyprovechoso. Ellos disfrutantener de tarea algo que sebase en el uso de la ciencia,como alternativa a la tareaque se basa principalmenteen la lectura y hacerproblemas. Asigne la caceríapara la tarea de la noche; aldía siguiente, puede pasarcerca de quince minutosdiscutiendo los diversos tiposde compósitos queencontraron.

Laura Walhof, Profesora deQuímica de Glenbrook SouthHigh SchoolGlenview, Illinois

Compósitos

royecto SuplementarioLos alumnos pueden disfrutar el hacer una guía para laclasificación de los compósitos y organizarla como manualde campo. Pida que colaboren en este proyecto, tomandofotografías, haciendo diagramas y escribiendo el texto.

PP

Posibles Ejemplos de Probetas

Pieza de madera de Triplay Lápiz 2 x 4

Hoja de Vidrio Vidrio de seguridad Espejo de mano (con mango deplástico)

Ropa de lana Alfombra de lana con Abrigo de lanarefuerzo

Pieza de cartón Cartón corrugado Libro con pasta dura

Materiales puros Materiales Compósitos Objetos Construidos con Diferentes Materiales

4 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Para Inspirar las Preguntas yel Aprendizaje Traiga fotografías de algunos de losobjetos mencionados en la lectura ypermita que los estudiantes hablen de losmateriales con que fueron hechos.Discuta cómo la experiencia práctica dela gente le ayuda a utilizar los materialesque tienen a la mano para crear nuevosmateriales y solucionar problemasespecíficos. Ayúdeles a recordar losmomentos en que propusieron nuevassoluciones para problemas prácticos a loscuales se enfrentaron.

Puede discutir el significado de la palabralaminar. Relacione este término con elsustantivo lámina, que significa hojadelgada. Permita discutir cualquierexperiencia que tengan sobre el laminadode materiales y qué implicó este proceso.

Después de que hayan leído sobre las trescategorías de compósitos, puede pedirlesque piensen en ejemplos que encuadrenen cada categoría. Haga que clasifiquenlos compósitos que encuentren a medidaque hacen la "cacería".

Enfoque en las Habilidades deEstudio El Concepto detrás de los compósitos dauna definición de trabajo de materialescompósitos. Escriba esta definición en elpizarrón para que puedan referirse a ellacuando lean la introducción, hagan laactividad, y participen en la discusión.

5A c t i v i d a d 2 A C a z a r M a t e r i a l e s C o m p ó s i t o s

Conexión Multicultural Los chinos también hicieron

cerámica de arcilla compuesta. Molíanrocas de alto contenido de feldespato y lomezclaban con arcilla blanca. Laporcelana, que es la cerámica hecha deesta arcilla, era maravillosamentetranslúcida y extremadamente dura. Loseuropeos intentaron durante centenaresde años obtener la fórmula de laporcelana china. No tuvieron éxito sinohasta principios de 1700. La porcelanaeuropea, primero producida enInglaterra, es un compósito hecho dearcilla, vidrio pulverizado y hueso molido.La porcelana de lujo que se usa hoy endía se hace frecuentemente de estecompósito.

Jarrón chino hecho hace más decuatrocientos años durante la dinastíaMing. Altamente cotizados comoobras de arte, los jarrones Ming sehacen de porcelana.

C

6 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Conducción de la Actividad:• Asigne esta actividad como tarea. Si lodesea, puede sugerir que se reúnan engrupos pequeños el día anterior a la tareapara que discutan cómo identificardiversos tipos de materiales compósitos. • Pida que lean el párrafo introductorio yobserven las preguntas que apareceninmediatamente después, para ayudarles aenfocar la búsqueda de los compósitos. • Puede motivarlos pidiendo que haganpredicciones sobre varios objetos de lavida diaria, si están hechos de materialescompósitos o no. Anímelos a confiar ensu intuición para hacer sus predicciones.

Discusión de la Cita:Si lo desea, pida que un voluntario lea lacita en voz alta. Deje a la clase discutir elsignificado. Hable de cómo se relacionacon lo que harán cuando participen en lacacería de los compósitos.

Registro de los DatosLa hoja 2 de Registro de Actividadesincluye una tabla grande de datos para queanoten la información sobre los objetosque examinan. Entrégueles dos copias dela hoja de registro de actividades de modotal que puedan registrar la información de20 objetos.

Tiempo Estimado:

• 20 a 40 minutos en la cacería de

compósitos

•15 a 30 minutos, discusión de la

clase

Para Ahorrar Tiempo

•Traiga objetos para que los

estudiantes los examinen; pueden

votar si están hechos de materiales

compósitos o no.

Objetivos de la Actividad: Los estudiantes:• Identifican una amplia variedadde materiales compósitos de losque se utilizan para hacer objetosde uso cotidiano.

• Describen los materialescomponentes que forman cadacompósito.

• Discuten por qué algunoscompósitos se utilizan parapropósitos específicos,concentrándose en las cualidadesque los caracterizan.

Agrupamiento Sugerido:

Tarea individual en casa.Discusión de la tarea en clasecon todo el grupo.

7A c t i v i d a d 2 A C a z a r M a t e r i a l e s C o m p ó s i t o s

Procedimiento, Datos y Observaciones

• Durante la discusión puede anotar en elpizarrón una lista de los diversoscompósitos que encontraron. Para cadaobjeto o material que traigan, permita quela clase decida si es un compósito o no.Pida que expliquen por qué.

•Explique por qué diversos compósitos seutilizan para determinados objetosparticulares. Aporte consideraciones comolas siguientes para que analicen: peso,tamaño, resistencia, rigidez o flexibilidad,color, textura y transmisión de la luz. Losalumnos pueden agregar elementos sidesean.

• También pueden comparar objetoshechos de compósitos con objetossimilares de materiales puros. Discuta lasventajas y las desventajas de cada tipo dematerial para un uso determinado.Pregunte qué tipo de material utilizaríansi les tocara diseñar un objetodeterminado.

Para Profesores deGeologíaHaga que los estudiantesencuentren rocas formadas porcompósitos.

Para Profesores deEducación Técnica Discutan el uso de compósitos enlas áreas de diseño, construccióny reparación sobre las que ustedse enfoca en sus clases.

8 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Interpretación de Datos

1. Son cuatro las razones comunes por lasque se utilizan los compósitos: reducciónde peso, aumento de resistencia, aumentoen rigidez o flexibilidad, durabilidad,ahorro de dinero y por razonesfuncionales, tales como proveeraislamiento, conducción de electricidad,etc. Acepte otras respuestas quedemuestren que están pensando en lasdiversas aplicaciones y características decompósitos.

Reflexiones2. Haga que hablen sobre cualquier cosaque los haya sorprendido, particularmentemientras hacían la cacería de compósitoso cuando participaron en la discusiónposterior. Podrían sorprenderse de todoslos objetos comunes hechos conmateriales compósitos.

3. Si no están de acuerdo en que algunosobjetos estén formados de materialescompósitos, anímelos a discutir lasevidencias para tomar su decisión. Puedesugerir que la clase intente llegar a unconsenso sobre los objetos en discusión.

En Resumen Motive discutir cómo las respuestas a laspreguntas planteadas al principio de laactividad cambiaron cuando hicieron lacacería de compósitos. Por ejemplo¿encontraron nuevas o más fácilesmaneras de identificar los compósitos?Pueden hablar de lo que aprendieron conun compañero o en grupos pequeños. Sies posible, pida que den seguimiento a susideas sobre formas de encontrar lasrespuestas a las preguntas planteadas alhacer esta actividad. Las notas acontinuación se orientan a posiblesrespuestas a cada una de las preguntas quese presentaron en la sección EnResumen.

4. Haciendo esta actividad, deben darsecuenta de que han aprendido cómoidentificar los materiales compósitos ycómo reconocerlos en diferentes objetos.

5. Deben entender que pueden identificarlos materiales compósitos observándolos ynotando los diversos componentes que losforman.

6. Observaron por lo menos un ejemplode los tres tipos de compuestos. Lasexplicaciones de cómo identificaron losdiversos tipos de compuestos debenincorporar las características que definena cada uno de ellos: partículas para loscompósitos particulados; capas para loscompósitos laminados y fibras para loscompósitos fibro-reforzados.

Discutiendo la Cita:Haga que lean la cita en voz alta.Mencione que la observación esuna parte importante de la cienciay una habilidad importante en lavida, en general. Discuta losdiferentes tipos de observacioneshechas por ellos durante la caceríade compósitos.

9A c t i v i d a d 2 A C a z a r M a t e r i a l e s C o m p ó s i t o s

Motive a los estudiantes a pensar en lascaracterísticas de los materiales compuestosy cómo estas características podrían serútiles en diversas situaciones. Esto lesayudará a encontrar aplicaciones paraalgunos de los que encontraron. La tabla enlas páginas T10-T11 incluye algunasaplicaciones de compósitos comunes.

Me Pregunto•Para estimular la discusión, pregunte sipueden identificar cualquier objeto que noutilice compósitos, pero que puedamejorarse con el uso de materialescompuestos. Pida hacer una lluvia de ideassobre esta pregunta y que tomen notas.Podrían ser útiles si hacen el segundoproyecto del diseño.

•Haga que piensen posibles problemasasociados al uso de materiales compósitos.¿Cree que ésto los hará generar nuevaspreguntas sobre esos materiales?

onexión con el DiseñoCC

ConcretoTriplayPolímeros reforzadosPanel de nieve secaCartón corrugadoTablaroca

PoliestirenoPapel LijaCristales de SeguridadPlástico ReforzadoLinóleo

Compósitos Estructurales y Funcionales

Este

breve

artículo

define

y menciona ejemplos específicos

de diversas clases de materiales

compuestos.

ONCEPTOSCEX PA N D I E N D O

los

Cómo Utilizar estaPágina Puede asignar a un voluntario lalectura de esta página o el artículocomo lectura general después deque hayan terminado la actividady pedirle que resuma en voz altalos puntos principales para losdemás.

Expandiendo elPensamiento Después de que hayan leídoExpandiendo los Conceptos,pídales que clasifiquen loscompósitos que encontraron en lacacería, ya sean estructurales ofuncionales.

Compósitos Estructurales Compósitos Funcionales

M ó d u l o C o m p ó s i t o s

GUÍA DE PLANEACIÓN3

ACTIVIDAD

Propósito Ayudar a los estudiantes a entender que laresistencia y la rigidez son característicasindependientes de los materiales, queafectan su comportamiento cuando estánbajo tensión.

Resumen de la actividad En esta actividad, prueban diversosmateriales y los clasifican de acuerdo aresistencia y rigidez relativa. La prueba(parte A) se puede hacer por parejas. Laclasificación por resistencia y rigidez (parteB) puede hacerse como una discusión en laclase. Parte A Proporcione las probetas para laprueba de resistencia y rigidez. Parte B Desarrolle una discusión en la cualdecidan el orden que deben tener en latabla de clasificación los materialesprobaron en la parte A. Propicie quecontinuen discutiendo hasta que estén deacuerdo.

SeguridadSi prueban los materiales de la parte A,discuta diversas medidas de seguridad quedeben tener en cuenta, incluyendo: • Partículas de madera, metal o plástico

que vuelan cuando la probeta se rompe. • Medidas de protección que deben

observarse en su salón de clase. • Precauciones que pueden tener, tales

como usar lentes de seguridad yzapatos cubiertos.

Preparación AnticipadaConsiga las probetas para que lasprueben. Ver sugerencias en lapágina 10B.

D

ENLACECON ACTIVIDADES ANTERIORES Se evaluan la resistencia y la rigidezde algunos de los materiales que encontraron en su cacería decompósitos. También prueban algunos de estos materiales.

CON LA SIGUIENTE ACTIVIDAD En la actividad del compósito de nieveseca, compararán la resistencia y la rigidez de una pieza planacon la resistencia y la rigidez de las piezas reforzadas con papel,aplicando pruebas cualitativas y cuantitativas. Las ventajas decombinar nieve seca débil pero rígida con el papel resistente peroflexible para hacer un material más resistente y más rígido seránevidentes.

CON EL PROYECTO DE DISEÑO La resistencia y la rigidez soncaracterísticas importantes de una caña de pescar. Una caña de pescardébil se quebrará bajo el peso de un pez grande e inquieto. Una cañarígida no permitirá que el pescador lance muy lejos el anzuelo y harádifícil detectar los peces cuando muerdan. La capacidad de evaluar laresistencia y la rigidez de diversos materiales durante la actividad dediseño de cañas de pescar ayudará a los estudiantes a hacer una mejorselección de materiales e idear mejores pruebas para los prototipos.Comprenderán por qué los materiales se diseñan para propósitos ofunciones específicas. Esto lesayudará a considerar lascaracterísticas de diversosmateriales cuando trabajen enel diseño de sus compósitospara la caña de pescar ocuando hagan el proyecto deldiseño del nuevo material.

onexión con su Plan de Estudios Relación del Tema CConexiones con su plan de estudiosen la página T12 se sugiere cómopuede usted introducir el módulo delos compósitos en su plan deestudios general. La tabla a laderecha propone ideas para enlazarlos conceptos introducidos en estaactividad con las diversas disciplinas.La Minipedia incluye ejemplosespecíficos de hechos interesantessobre los compósitos que puederelacionar con otras áreas de laciencia y la tecnología.

BiologíaEstructura de:

huesos músculos cartílagos y ligamentos dientesplumas

QuímicaPropiedades físicas de la materia MezclasSólidosEnlaces atómicosEnlaces entre moléculasRed cristalina de enlacecovalente

Explorando la Diferencia

Laspatas sondébiles

10A

10BA c t i v i d a d 3 E x p l o r a n d o l a D i f e r e n c i a e n t r e R e s i s t e n c i a y R i g i d e z

A CAZAR COMPÓSITOS con las Diferentes Asignaturas

Física y Ciencias FísicasColisiones elásticas e inelásticasTercera ley del movimiento de NewtonResortesLey de Hooke

MatemáticasHacer gráficasInterpretar gráficasMedida de ángulos (deformación)

Ciencias de la TierraDureza de mineralesFallas y pliegues de la corteza terrestreTerremotosFormación de cráteres

Educación TécnicaMaderaMetalesSistemas de suspensiónEnderezado de carroceríasMateriales de construcciónConstrucción de aeronavesSoldadura

La resistencia se relaciona con lafuerza máxima que un materialpuede experimentar antes defallar. Los materiales fallancuando se rompen o cuando sedeforman y no vuelven a suestructura original. La rigidez serelaciona con la deformación queun material puede experimentar ytodavía regresar a su formaoriginal. Los materiales rígidos nose deforman mucho cuando secolocan bajo tensión; losmateriales que son flexibles sedeforman en mayor medida. En lapágina 15 de la edición delestudiante encuentra definicionessimples de resistencia y derigidez.

AA nn tt ee cc ee dd ee nn tt ee ss

Sugerencias de los veteranos

Esta actividad hace que losalumnos piensencuidadosamente por quéutilizar un material específicopara un propósitodeterminado. Ellos disfrutanal pensar en los materialesque utilizan en su vidacotidiana. Cuando proponenejemplos de su experiencia,se involucran más en eldebate. Durante este proceso,pida que escuchenatentamente la exposión desus compañeros y que seapoyen en las ideas de losdemás.

Laura Walhof, Profesora deQuímica de Glenbrook SouthHigh SchoolGlenview, Illinois

Entre Resistencia y RigidezAbastecimiento de MuestrasUsted puede proporcionar algunas o todas las muestras de materialespropuestas para que las flexionen o les suspendan peso durante eldesarrollo de la Parte A.

gislápicesestambrevelas de cumpleañosagitadores para cafégalletasalambre eléctrico forrado

palos de paletahilo de algodónligas gruesascotonetesbroches para cabelloespaguetiuñas

ganchos para tejersedal para pescaragitadores para

bebidaspicadientescharolas de hule

espumabolígrafosganchos de alambre

para colgar ropa

Demostración Opcional de Tensióny CompresiónAquí se demuestra cómo un material sesomete a fuerzas extensibles ycompresivas cuando se flexiona o sedobla. Consiga un bloque de huleespuma para cojín con las siguientesdimensiones: 10 cm X 10 cm X 30 cmUtilice un marcador para dibujar rayasque formen cuadrados de 5 cm delongitud según se muestra en eldiagrama. Muestre el trozo de espumaa la clase, señalando cómo las líneasque forman los lados de los cuadradosestán todas paralelas. Ahora doble laespuma y señale cómo las líneas ya noestán paralelas cuando la espuma sedobla. Puntualice cómo se separan enuno de loslados de lapieza y seacercan enel otro lado.

Haga que los estudiantes lean elmaterial introductorio en la página 10para las definiciones de fuerzas detensión y de compresión. Cuando ustedhace esta demostración, precise que laespuma está bajo tensión en el ladodonde están las líneas separadas; laespuma está bajo compresión en el ladodonde están más cercanas las líneas.Para que un material sea flexible, debepoder soportar estas fuerzas de tensióny de compresión y volver a su formaoriginal. Haga referencia al diagrama enesa página cuando discuta losconceptos de tensión y de compresióny relaciónelos conlos conceptos derigidez yflexibilidad.

Probeta antes de suflexión

Probeta después de la flexión

tensión

compresión

10 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Para motivar las preguntas yel aprendizaje Mencione ejemplos de fallasdramáticas en diseño y materialesademás de la del Títanic. La falla delpuente estrecho de Tacoma en 1940 yel derrumbe de los pasillos internos enun hotel de la ciudad de Kansas en1981 son dos ejemplos famosos.Puede asignar la búsqueda deinformación sobre estos y otrosdesastres de la ingeniería y discutir enla clase si fueron debido a fallas deldiseño o de los materiales o poralguna otra causa. Haga la demostración opcionaldescrita en la página 10B para ayudara visualizar mejor las fuerzas detensión y de compresión.Los interesados especialmente enbiología pueden leer el artículo "Mejor

Doblado que Quebrado" por StevenVogel de la revista Discovery, volumen16, número 5, mayo de 1995, páginas62-67. Pueden compartir lo queaprendieron sobre resistencia y rigidezen la clase. Algunos alumnos podrán estar másinteresados en la lectura del Títanic.Para más información de este grandesastre, recomiende "CómoEncontramos el Titanic" por Robert D.Ballard, en la revista NationalGeographic, volumen 168, número 6,diciembre de 1985, páginas 696-719 y"Qué Hundió Realmente al Titanic"por Robert Gannon, Popular Science,volumen 246, edición 2, febrero de1995, página 49.

Enfoque en las habilidades deestudio.

El Concepto detrás de los Compósitosresume el punto principal de la lecturaen esta página y de la actividad engeneral. Escriba este concepto en elpizarrón como referencia para cuandolean la introducción y hagan laactividad.

Nota sobre el TitanicAunque la fragilidad del acero usadoen el casco causó problemas en elTítanic, el hundimiento de la nave fueen última instancia debido a loserrores en su operación.

Conducción de la actividad• Puede pedir a un voluntario que leaen voz alta el párrafo introductorio dela página 12. Proponga unaconversación sobre las experienciascon materiales u objetos que no secomportan como se espera debido aproblemas con su resistencia,debilidad, rigidez o flexibilidad. Puedeser que encuentre ejemplos en losnoticieros, en hechos ocurridosdebido a la falla de materiales que nose comportan de acuerdo con loesperado. También puede recurrir aejemplos en películas o programas detelevisión.• Utilice las preguntas al final delpárrafo introductorio para enfocar elpensamiento de los estudiantes en losmateriales y su resistencia y rigidez.Puede ser que dirija la discusión con

los siguientes puntos :¿Qué tan resistente debe ser una silla?(lo suficiente como para soportar elpeso de una persona) ¿Cuáles partesde la silla deben ser rígidas? (las patas)¿Qué parte o partes de la silla puedenser a veces flexibles? (el asiento) ¿Porqué? (por comodidad).• Indique que mantengan en la mentelas preguntas en el recuadro gris de lapágina 12 cuando hagan la actividad.Para reforzar las habilidades deestudio, puede sugerir que las copienen su registro o en el cuaderno.

11A c t i v i d a d 3 E x p l o r a n d o l a D i f e r e n c i a e n t r e R e s i s t e n c i a y R i g i d e z

12 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

PrediccionesPuede solicitar que organicen losmateriales en orden numérico, del másresistente al más débil y del más rígidoal más flexible. Sugiera que recurran asu experiencia e intuición para hacer laspredicciones.

Registro de DatosLa hoja 3 de Registro de Actividadesincluye una tabla de datos para que lautilicen para hacer sus predicciones ypruebas y para que ordenen susprobetas.

MaterialesMateriales a probar (ver la lista en lapágina 10B para sugerencias)

Procedimiento, Datos yObservaciones

• Invite a los alumnos a formulardefiniciones de resistencia y de rigidez.Diríjalos de manera que entiendan que laresistencia se relaciona con la magnitudde la fuerza que un material puedeexperimentar antes de fallar, rompiéndoseo deformándose permanentemente. Encontraste, la rigidez se relaciona con lamagnitud de deformación que un materialpuede experimentar y retornar a su formaoriginal. Puede ser más fácil queconcluyan una definición de rigidezpensando en la característica opuesta: laflexibilidad.

• Una vez que hayan formulado susdefiniciones de trabajo, haga que lasescriban de modo que puedan revisarlascuando prueben los materiales.

Tiempo Estimado:

• 5 a 25 minutos para la prueba de

materiales de la Parte A

•15 a 25 minutos, discusión de la

Parte B

Para Ahorrar Tiempo

•Para la Parte A, prepare juegos de

materiales para cada equipo.

Objetivos de la Actividad: Los estudiantes:• Reflexionan las definiciones detrabajo de los términos resistenciay rigidez.

• Distinguen entre la resistencia yla rigidez de los materiales.

• Ordenan los diversos materialesde acuerdo a la resistencia y larigidez.

• Discuten con sus compañerosde clase el orden de diversosmateriales y llegarán a unaconclusión por consenso.

Agrupamiento Sugerido:Parte A: en parejasParte B: discusión de toda la clase

Parte A Reflexiones

• Sugiera que vean las predicciones quehicieron sobre la resistencia y rigidez yque los comparen con los resultados desus pruebas. ¿Habrá algo que deseenmodificar respecto a sus predicciones?Déles tiempo para discutir cualquiercambio que sientan que es necesario.

Para propiciar la reflexión, usted puedehacer las preguntas siguientes: ¿Habíaalgunos materiales más fáciles de ordenary otros más difíciles de clasificar? ¿Quémateriales eran los más fáciles de ordenaren términos de resistencia? ¿En términosde rigidez? ¿Qué hizo difícil ordenarotros materiales?

Discusión

• Dirija el repaso de las definiciones deresistencia y rigidez. Permíta discutir siel concepto que tenían de ambascaracterísticas cambió después de quetrabajaron con diferentes materiales enla parte A.

•Puntualice que a medida que realicenla parte B van a ordenar los materialesde forma cualitativa y no cuantitativa,dado que no se usan unidades demedición en la tabla. Puede indicarcómo pueden medir las característicasde resistencia y rigidez de una maneracuantitativa.

• Como alternativa, divida la tabla encuatro cuadros, como se muestra. Losalumnos pueden hacer simplemente unalista de materiales en cada cuadrante:

• Si tienen dificultad para llegar a unacuerdo sobre la clasificación de algunosmateriales, pida que se enfoquen encómo los materiales se comportan si sedoblan (si están discutiendoflexibilidad) y cómo se comportan si uncuerpo pesado tira de ellos (si estándiscutiendo resistencia). Si sugierenpruebas reales, pueden hacerlas en elsalón de clase si hay tiempo o en casa.

13A c t i v i d a d 3 E x p l o r a n d o l a D i f e r e n c i a e n t r e R e s i s t e n c i a y R i g i d e z

Para Los Profesores deBiología

Haga esta actividadordenando materialesbiológicos, tales como piel,huesos, ligamentos, plumas,coral, quitina, cáscara dehuevo, etc. Relacione laresistencia y rigidez de cadamaterial con su función.

Parte B

resistente y flexible

débil y flexible

resistente y rígido

débil y rígido

14 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

En Resumen Haga que discutan cómo las respuestas

a las preguntas planteadas cuandoordenaron los materiales por orden deresistencia y rigidez al principio de laactividad, han cambiado. Si es posible,motívelos a expresar ideas sobre lamanera de encontrar soluciones a lasdudas que surgieron al hacer estaactividad. Las siguientes notas proponenposibles aclaraciones a cada una de lasinterrogantes que se presentaron en lasección En resumen. 1. Las respuestas de los estudiantesdeben indicar que entienden que laresistencia y la rigidez son dospropiedades separadas que se relacionancon los materiales; deben tener unadefinición clara y operativa de cadatérmino. 2. Acepte todas las ideas en las queincorporen experiencias de prueba de

materiales para idear una demostración.3. Deben darse cuenta de que laresistencia y la rigidez son cualidadescomunes de los materiales compósitos yque cada componente contribuye arealzar una o ambas características.

También deben saber que la elección demateriales para determinados objetos sehace con base en los requerimientos deuso, los cuales determinan si un objetonecesita ser resistente o débil, rígido oflexible.Me pregunto.Para las preguntas relativas a por qué losmateriales tienen ciertas características,Expandiendo los Conceptos da unarespuesta general a esta pregunta.• Para propiciar la discusión, puedesugerir que piensen sobre los problemasrelacionados con el propósito, el diseño

y la construcción de un artículodeportivo o de un objeto de su elección.• Para estimular la discusión, pida quehablen del propósito, del diseño y de laconstrucción de uno de los siguientesobjetos :• Trampolín.

• Catre de playa.

• Colchón y box spring.

• Pelota de béisbol.

• Matamoscas.

Si necesitan una guía, puede plantearestas preguntas sobre el trampolín: ¿Cuáles son las características de unbuen trampolín? ¿Con qué materiales piensa usted queharía un buen trampolín? ¿Por qué? Puede referirse a la página A24 para másinformación sobre los trampolines.

Discutiendo la Cita:Haga un análisis de las razones porlas cuales la gente sienteincomodidad o se le dificultapreguntar en clase.

Consejo para laenseñanza.La tabla en las páginas T10-T11 dela edición del maestro enumera losmateriales usados en algunos delos compuestos que se mencionancomúnmente cuando hacen lacacería de compósitos. Puedereferirse a esta tabla cuandointenten identificar cadacomponente del compuesto y vercómo cada uno contribuye a laresistencia, rigidez o flexibilidaddel material

onexión con el DiseñoCC

Enriquecimiento de ExperienciasCientíficas

Usted puede hacer una demostración de cómola rigidez varía de acuerdo con la orientaciónde algunos materiales. Muestre una cuerda ydiscuta cómo es rígida en el eje longitudinal,pero flexible en otras direcciones. Permitahacer hipótesis sobre las razones por las queesto es cierto. Si usted desea facilitar una respuesta, puedeproporcionar la información siguiente: Lascadenas moleculares que constituyen las fibrasen las cuerdas tienen enlaces relativamentedébiles entre si. Estos enlaces se rompenfácilmente, así que la cuerda es muy flexibleen la dirección transversal. Sin embargo, elsoporte de las cadenas moleculares se formade los enlaces carbono-carbono, que no serompen fácilmente. Por lo tanto, la cuerda esmuy resistente y rígida en la direcciónlongitudinal.

Nota sobre Técnicas de Imagen

Los científicos usan la difracción de rayos Xpara observar y medir el movimiento deátomos en un material que se ha puesto bajotensión. Usando esta técnica, el material sebombardea con rayos X. Los cuales se reflejancon cierto patrón basado en el arreglo deátomos en el material. Comparando lospatrones de difracción anterior y posterior a latensión, se puede ver cómo los átomos semueven.

15A c t i v i d a d 3 E x p l o r a n d o l a D i f e r e n c i a e n t r e R e s i s t e n c i a y R i g i d e z

Este

breve

artículo

define

resistencia y rigidez y describe

cómo estas características se

manifiestan a nivel atómico.

ONCEPTOSCEX PA N D I E N D O

los

Para los Profesores deFísica

Ayude a los estudiantes a asociarla analogía de los resortes con latercera ley de Newton delmovimiento (La fuerza que seejerce sobre un material secompensa exactamente por lafuerza que el material ejerce enellos. Es decir, para cada accióncorresponde una reacción de igualintensidad en sentido contrario).

Información Histórica

Alrededor de 1800, el científicobritánico Thomas Young (1773-1829) descubrió que cadamaterial tiene una elasticidadpropia. La cual se relaciona consu naturaleza química y se puedeexpresar por una constante deproporcionalidad llamada Módulode Young. Para más informaciónsobre el módulo de Young, vea laspáginas A7-A9 de la Minipedia.

Falla de Estructuras deCapa Delgada.

Si usted pone mucho peso en unalata de aluminio, la lata seaplasta. Esta clase de falla ocurrecuando se aplican fuerzas decompresión a estructuras delámina. Por ejemplo, cuando unbarco de acero, un aeroplano o uncoche se estrella contra algo, lacarrocería se achata comoacordeón.

CON EL PROYECTO DE DISEÑO Aprenden cómo conducir laspruebas cuantitativas de resistencia y rigidez y cómo interpretar los datosque obtienen. Repiten las pruebas cuando evalúan las cañas de pescar.Además, aprenden la importancia del pegamento al hacer un materialcompuesto. La aplicación de lo que aprenden en esta actividad debe ayudara los estudiantes a hacer un trabajo mejor cuando construyan y prueben susprototipos.

16A M ó d u l o C o m p ó s i t o s

SEGURIDAD Si hacen la parte B: LaPrueba de la Viga en Voladizo, estépendiente de las diversas medidasde seguridad que deben tener encuenta, incluyendo:•Partículas de nieve seca que vuelansi una probeta se rompe.•Pesas suspendidas de la probeta

que caen cuando falla.•Medidas que puedan ser deespecial interés en su salón de clase.•Precauciones que pueden tomarpara aumentar su protección, comousar lentes de seguridad y zapatoscubiertos.

GUÍA DE PLANEACIÓN4

ACTIVIDAD

PropósitoDar a los estudiantes experiencia paraprobar manualmente la resistencia y larigidez de materiales compósitos, usandométodos cualitativos y cuantitativos.

Resumen de la Actividad

En esta actividad, prueban cuatro probetasdiferentes de nieve seca en cuanto aresistencia y rigidez, primero doblando laspiezas con las manos (prueba cualitativa), ydespués fijando las piezas al extremo deuna mesa, colgando pesas del extremo librey midiendo la deflexión que se produce(prueba cuantitativa). Los alumnos puedenfabricar los compósitos o construirlos ustedantes de la actividad.

Preparación AnticipadaMateriales que usted debe obtener poradelantado (para cada equipo):

• 4 piezas de (nieve seca) aislante depoliestireno de 2.5 cm x 18 cm x 1 cm

• Papel grueso, como el papel paracarteles

• Pegamento en aerosol o goma; evite elpegamento Elmer o cualquiera que digaen la etiqueta "no se utilice enpoliestireno". Estos pegamentosdegradarán la nieve seca.

• 1 abrazadera o "sargento"; si no hay enel laboratorio, puede haber en el tallerde carpintería de la escuela, en unatienda de manualidades o en unaferretería

• 4 o más pesas de 50 a 500 g; las pesascon ganchos serán las más fáciles deutilizar para los estudiantes. Comoalternativa, puede proporcionar unplatillo pequeño o una taza ligera, quepuedan suspender de la pieza con unacadena o un resorte.

ENLACECON ACTIVIDADES ANTERIORES Se prueba la resistencia y rigidez deprobetas de compósitos de nieve seca.

onexión del Plan de Estudios: Relación de la Actividad

La página T12 sugiere como puedeintroducir el módulo de loscompósitos en su plan de estudiosgeneral. La tabla a la derecha da lasideas para enlazar los conceptosintroducidos en esta actividad conlas diversas disciplinas. La Minipediaincluye ejemplos específicos dehechos interesantes sobre loscompósitos que usted puederelacionar con otras áreas de laciencia y la tecnología.

BiologíaHuesos y Fractura de HuesosFibras de PlantasCelulosaEstructura de HojasEstructura de Tallos

QuímicaPropiedades físicas de la materia Densidad/Peso AtómicoPolímerosCompresibilidad de los GasesEnlaces entre Moléculas

Probando la Resistencia y Rigidez

D

PPrroobbeettaa DDeefflleexxiióónn

LLoonnggiittuuddLLiibbrree

PPiinnzzaa

MMeessaa ddee LLaabboorraattoorriioo

Peso

C

16BA c t i v i d a d 4 P r o b a n d o l a R e s i s t e n c i a y R i g i d e z d e u n C o m p ó s i t o d e E s p u m a

DEL COMPOSITO DE ESPUMA con las Diferentes Asignaturas

Física y Ciencias FísicasColisiones elásticas e inelásticasTorqueFuerzas Compresivas y de TensiónMódulo de Young

MatemáticasMedición de DeflexionesGráficasInterpretación de GráficasCálculo de Pendientes

Ciencias de la TierraDureza de MineralesFallas y pliegues de la Corteza TerrestreDeformación y Reformación de la CortezaTerrestreOndas de Terremotos

Educación TécnicaMaderaMetalesPlásticosLaminaciónMateriales de ConstrucciónConstrucción de Aeronaves

Sugerencias de los veteranos

En esta actividad, losestudiantes ven un ejemplosimple de un compósito ypueden observarrápidamente que el refuerzode papel hace al materialmás resistente.

Después de que hayanterminado esta actividad,refiéralos de nuevo a ellacuando hagan los proyectosde diseño. Pueden aplicar loque aprendieron con loscompósitos de nieve secapara evitar defectos dediseño importantes yobservar que los defectos enlos materiales o en el pegadode los mismos pueden causarla falla del producto final.

Laura Walhof, Profesora deQuímica de Glenbrook SouthHigh SchoolGlenview, Illinois

de un Compósito de Espuma

Utilice las instruccionessiguientes para hacer lasprobetas. Puedefotocopiarlas si quiere quelas hagan. Cada grupo deestudiantes debe tener ohacer por lo menos unconjunto de probetas decompósitos de nieve seca.

1. Corte cuatro piezas quetengan las dimensiones de2.5 cm X 18 cm X 1 cmNota: Para evitar erroresexperimentales en la pruebade la viga en voladizo esesencial que todas las vigastengan exactamente lasmismas dimensiones.

2. Separe una de lasprobetas como la piezalimpia. Las otras tres piezastendrán refuerzos de papelgrueso pegados a uno o dosde sus lados. El papel paracarteles funciona bien paraeste objetivo. Antes demontar la nieve seca, pruebesu pegamento en la esquinade una de las piezas de nieveseca para cerciorarse de queel pegamento no degrada elmaterial. 3. Corte cinco pedazos depapel grueso cuyasdimensiones sean: 2.5 cm X18 cm

4. Utilice el pegamento o el

adhesivo en aerosol parapegar bien un pedazo gruesode papel abajo de una de lastres piezas de nieve secarestantes.

5. Con el pegamento o eladhesivo en aerosol peguebien un pedazo grueso depapel abajo y arriba de lasegunda de las tres piezas denieve seca.

6. Construya una cuartaprobeta con una desunión,según se muestra en eldiagrama. Pegue un pedazogrueso de papel arriba de latercera de las piezas. Pegueotro pedazo de papel alfondo de esta viga, dejandoun claro de 2.5 cm o pocomás. Si utiliza el pegamentoen aerosol, ponga un pedazopequeño de la cinta plásticao transparente sobre el áreadonde se formará el claropara evitar la adhesión.

7.Deje secar las probetastotalmente antes de usarlasen la actividad.

Las probetas compuestas de nieve seca que seusan en esta actividad son ejemplos excelentes decompósitos laminares, hechos de capas demateriales pegados uno con otro. Estosdemuestran fácil y claramente cómo es importanteel pegado para mantener la integridad de uncompósito.

En esta actividad, la resistencia de una probeta semide cuantitativamente con base en la cargamáxima que puede resistir sin romperse o fallar.La rigidez se mide de acuerdo con la pendientedel gráfico de carga contra la desviación. Cuantomayor es la pendiente, mayor es la rigidez de laprobeta.

AA nn tt ee cc ee dd ee nn tt ee ss

Construcción de las Probetas de Nieve Seca

Cara Superior

Papel Grueso

Núcleo de Espuma

Cara inferior conadhesivo

Desunión

16 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Para inspirar las Preguntas yel Aprendizaje.Usted puede llevar a la clase unaraqueta de tenis de madera y hecha deun material compósito para que lascomparen. Pida que observen lasdiferencias de tamaño, peso, rigidez,construcción y otras características.Permita discutir cómo las diferentescaracterísticas influyen en qué tanbien puede la gente jugar con cadauna de las raquetas. Si es posible, muestre una seccióntransversal del marco de una raquetahecha de un compósito. En algunas deellas, los estudiantes deben identificarel núcleo de espuma y las capas demateriales reforzados con fibras.

Pueden discutir otros artículosdeportivos hechos de materialescompósitos y cómo han mejorado elrendimiento atlético o han modificadola forma de juegar. Pida que se apoyenen su conocimiento y experiencia convarios deportes para aportar ejemplos.La Minipedia también incluyeinformación sobre cómo los materialescompósitos ha afectado positivamentelos siguientes deportes: salto congarrocha, esgrima, kayak, tiro con arcoy pesca.

Enfoque en las habilidades deestudio.

El Concepto Detrás de los Compósitosresume el punto principal de la lecturaen esta página y de la actividad engeneral. Escriba este concepto en elpizarrón como referencia para cuandolean la introducción y hagan laactividad.

Construcción de Raquetas deTenis Modernas.

Cuando una pelota choca con la raquetaa cierta velocidad, la pelota, las cuerdasy el marco se deforman por el impacto.Por lo tanto, algo de la energía cinéticade la pelota se transforma y se almacenamomentáneamente como energíaelástica en las cuerdas y el marco. Amedida que regresan a su forma normal,las cuerdas y el marco devuelven a lapelota la energía elástica almacenada.Sin embargo, las mediciones demuestranque lleva cerca de 15 a 20 milisegundosla reformación del marco de la raqueta,mientras que la pelota está en contactocon las cuerdas solamente cerca de 5milisegundos. Por lo tanto, solo parte dela energía elástica de la raqueta setransfiere a la pelota.No es factible diseñar un marco lo

bastante flexible como para devolvertoda la energía elástica a la pelota, demodo que los fabricantes intentan hacerel marco tan rígido como sea posible demodo que se deforme menos con elimpacto. Una raqueta más rígidadevuelve rápidamente más energíaelástica a la pelota; si no, esta energía sepierde. En años recientes, losdiseñadores de raquetas se han inclinadopor los materiales compuestos quecontienen fibras de grafito, de boro y defibra de vidrio. Los cuales proporcionanmenor peso y mayor rigidez y por lotanto más control y maniobrabilidad quelas raquetas de madera tradicionales. Diferentes fabricantes emplean diversosmateriales y métodos de proceso paraproducir raquetas de tenis compuestas.Por ejemplo, las raquetas de la marca

PrinceTM tienen muy alta rigidez y pesoligero debido a su composición de epoxy

impregnado con fibras de grafito queenvuelven al núcleo hecho de unamezcla de espuma plástica y corcho.Otras raquetas compuestas utilizan unhíbrido de grafito al 75% y de fibra devidrio al 25% como fibras reforzadaspara mayor rigidez al menor precio.Para reducir más el peso y aumentar laresistencia, una raqueta de compósitosusa finas bandas de fibra de boro, queson más resistentes que las fibras degrafito. Algunas tienen fibras de grafitoembebidas en capas de ceniza y demadera de arce para conservar lasensación de la madera y obtener larigidez adicional del refuerzo de fibra.

17A c t i v i d a d 4 P r o b a n d o l a R e s i s t e n c i a y R i g i d e z d e u n C o m p ó s i t o d e E s p u m a

18 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Conducción de la Actividad

•Puede solicitar a un voluntario que lea elpárrafo de introducción en voz alta.Conduzca la clase a realizar una lluvia deideas sobre las maneras de utilizar el papelpara reforzar el trozo de espuma. Si eltiempo lo permite, provea los materiales ypermita que prueben algunas de las ideasque proponen.•Pida que mantengan en mente laspreguntas del recuadro gris en la página 18mientras desarrollan la actividad. Parareforzar las habilidades de estudio, puedesugerirles que copien estas preguntas en sucuaderno o en sus registros.

Materiales (PorEquipo)•Probetas en bloques de espuma, según lodescrito en la página 16B ó • 4 bloques de espuma aislante de(1" x 7" x 0.5" = 2.5cm x 18cm x 1.3cm). • La mitad de una hoja grande de papel grueso, por ejemplo papel de rotafolio. • 1 regla (en centímetros).• Pegamento o spray adhesivo.• Tijeras. • Papel y lápiz.

Registro de Datos yPrediccionesSi desea proporcionar a cada estudiante oequipo una tabla de datos para el registrode las predicciones y los resultados de laspruebas manuales y de la viga en voladizo,la hoja 4 Registro de Actividades estádisponible para fotocopiarla.

Predicciones• Recuerde a los alumnos leercuidadosamente la descripción de losdiversos bloques de espuma. Haga querecurran a su intuición para hacerpredicciones.

• Refuerce la idea de que ordenen losbloques de espuma con respecto a las doscaracterísticas de resistencia y rigidez porseparado. Permítales discutir suspredicciones y sus razones para ordenarlos materiales.

• Si el tiempo lo permite, pida que digan sipiensan que las propiedades estudiadasserán dependientes o independientes unade otra. Es decir ¿Piensan que la probetamás rígida será necesariamente la másresistente? (¿O la más débil?) Haga queexpresen sus ideas y pensamientos alrespecto.

Tiempo Estimado:

• 30 a 35 minutos.

• Opcional: Elaborar las probetas toma

de 20 a 30 minutos más.

Para Ahorrar Tiempo

Haga que los estudiantes realicen las

pruebas cualitativas o las cuantitativas.

Las cualitativas de resistencia y rigidez

toman sólo de 5 a 10 minutos. La parte

cuantitativa toma de 20 a 40 minutos.

Objetivos de la Actividad: Los estudiantes:• (Opcional) Adquierenexperiencia en la construcción decompuestos laminares.

• Comparan las propiedades demateriales compósitos con lascaracterísticas de loscomponentes por separado.

• Realizan ensayos cualitativos ycuantitativos de la resistencia y larigidez de compósitos.

• Observan los efectosperjudiciales de una desunión enla resistencia y la rigidez de unaprobeta de un compósito.

Agrupamiento Sugerido:Equipos de tres o cuatroestudiantes.

Parte A

19A c t i v i d a d 4 P r o b a n d o l a R e s i s t e n c i a y R i g i d e z d e u n C o m p ó s i t o d e E s p u m a

Procedimiento, Datos yObservaciones

• Si desea que construyan los bloques,dicte las instrucciones de la página 16Bo escríbalas en el pizarrón para que lassigan.• Cuando prueben los bloques,indíqueles doblarlos de manera que lasfuerzas compresivas actúen sobre el ladoen que está el papel en la probeta con elpapel en un lado y sobre el lado de ladesunión en la probeta defectuosa. Sihacen la prueba doblando hacia abajolas probetas, entonces deben poner ellado de papel y el lado de la desuniónhacia abajo.

• Puede repetir la demostración de lapágina 10B para proporcionar una ayudavisual de fuerzas de compresión y detensión. Pida a su grupo que definanestos términos..

• Cuando doblen las probetas, haga queseñalen dónde se están aplicando lasfuerzas de tensión y dónde las decompresión. Permita que expresen sushipótesis sobre lo que le está sucediendoa los materiales como resultado de estasfuerzas.

Previsión dedificultades

Tenga a mano probetasadicionales para en caso deque los estudiantes lasrompan al hacer la pruebamanual. Si están haciendo lasprobetas, puede ser queprovea a cada equipo desuficiente material para hacerdos o más grupos deprobetas.

Reflexiones

1. Pida que revisen las predicciones sobrela resistencia y la rigidez de los diversosbloques de espuma. Permita tiempo a laclase para discutir cualquier resultado quelos haya sorprendido durante la investi-gación.2. Haga que discutan si piensan que losresultados de la prueba manual sonconvincentes. Hable de los factores quepudieran hacer que la evaluación de unalumno difiera de la evaluación de otro.Pueden considerar las diferentes maneras

para evaluar los bloques, cuánta fuerzapuede aplicar cada uno, qué tan rápidose aplica la fuerza y cómo cada personaevalúa cuánta fuerza ha aplicado.3. Pida que piensen en maneras decuantificar la resistencia y la rigidezrelativas de los bloques de espuma. Laprueba de la viga en voladizo, descrita enla Parte B, es sólo una de muchas pruebasque se pueden utilizar para cuantificarresistencia y rigidez. Los alumnos puedensugerir otros ensayos. Motívelos a intentarsus pruebas, para ver qué tan bientrabajan.

20 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Materiales (Porequipo)

• Probetas de bloques de espuma de la

parte A.

• Abrazadera o “sargento”.

• 4 o más pesas de 50 a 500 gramos.

• 2 reglas centimétricas o 1 regla y

una escuadra.

• Cuerda (cerca de 20 centímetros).

• Tachuela.

• Papel para graficar y marcadores.

• Papel y lápiz.

Posibles Sustituciones Como alternativa a las pesas, pueden

colgar al bloque de espuma un

dinamómetro de resorte.

Predicciones• Refiera el dibujo de montaje en la

página 21. Ayude a los alumnos a expresarlo que piensan que sucederá cuandocuelguen una carga (pesa) del extremo dela probeta.•Permita discutir cómo piensan que estosresultados se verán en una gráfica.Oriéntelos a representar la pesa (engramos) en el eje vertical y la deformación(en centímetros) en el eje horizontal.Haga que la clase razone la forma de losgráficos en general, pero anime a cadaestudiante para que dibuje las gráficas desus predicciones. Recuérdeles que debentrazar una línea diferente para cadabloque y rotular o hacer una leyenda paracada uno.• Copias adicionales de la hoja 6 deRegistro de Actividades les serán útilespara hacer borradores de gráficos . Debenrotularlos claramente como predicciones yutilizar otra copia para representar susdatos reales.

• Van a necesitar una Tabla de Datosseparada para registrar las cargas ydeflexiones de cada uno de los 4 bloquescuando realicen el ensayo de la viga envoladizo. Pueden hacer sus tablas dedatos o usted proporcione fotocopias de lahoja 5 de Registro de Actividades.

Procedimiento• Como demostración, puede fijar

a su escritorio con una abrazadera unbloque de muestra, cuelgue los pesos de laprobeta y muestre cómo medir ladeflexión.• Si no demuestra cómo instalar la pruebade la viga en voladizo, refiera al diagramaen la página 21. Puede acercarse a cadaequipo para comprobar que el montaje esel correcto.• Para cada bloque, deben hacer quesobresalga de la mesa la

Discutiendo la Cita:Pida que un voluntario lea la citaen voz alta. Amplie el concepto depor qué una mente abierta es unaventaja importante para elcientífico. Usted puede comentarpor qué tener la mente abierta esimportante en todos los aspectosde la vida.

Para Maestros deQuímica:Solicite a los alumnos encontrar lafórmula química del poliestireno.Los interesados pueden modelar lamolécula y mostrar cómo lasmoléculas se enlazan en la espumade ese material.

Actividadde ExtensiónLos estudiantes pueden evaluarcómo la orientación de las capasde fibras afecta la rigidez de uncompuesto realizando la Actividadde Extensión 1, en las páginasA22-A24.

Parte B

misma longitud de la probeta, un mínimode 5 pulgadas (13 cm). Cuando monten elensayo de la viga en voladizo, haga quemidan cuánto sobresale el primer bloque.Cuando prueben los bloques subsecuentes,deben cerciorarse de que sobresaleexactamente la misma longitud de laprimera probeta. • Si utiliza pesas con ganchos, se puedencombinar las pesas para diversas cargasenganchándolas juntas. Como alternativa,pueden colgar un pequeño platillo con unacuerda unida al bloque y poner las pesasen el platillo. Si utilizan este método,necesitarán considerar la masa de labandeja cuando hagan sus gráficos.Podrían también utilizar dinamómetros deresorte, tirando de ellos para ejercer ciertafuerza y midiendo la deflexióncorrespondiente de la probeta. • Indique que apliquen las cargas a 0.5centímetros del borde de cada bloque. Esimportante que cuelguen las pesas en unadistancia uniforme del borde cada vez que

midan la deflexión.

Datos y observaciones• Discuta qué sucede si uno de los bloquesde espuma se rompe. Pregunte si los datosregistrados después de las roturas de losbloques tienen algún significado y hagaque expliquen sus ideas. Haga notar queuna vez que la probeta se rompa, los datossubsiguientes no son significativos. • Si tienen dificultad para realizar losgráficos, haga uno de muestra en elpizarrón, marcando los ejes. Solicite unvoluntario que demuestre cómorepresentar gráficamente los resultados apartir de una de sus probetas. Repartircopias de la hoja 6 de Registro deActividades para que las utilicen, puedeser de utilidad.• Analice las semejanzas y las diferenciasentre la prueba manual y la prueba de laviga en voladizo. Haga que precisen dóndese están aplicando fuerzas de tensión ydónde fuerzas de compresión en la prueba

de la viga en voladizo. • Hable de las fuentes de errorexperimental. Entre las fuentes que losestudiantes pudieran mencionar seincluyen las siguientes: variaciones en elancho de las probetas; longitudes de lasvigas en voladizo; firmeza con que laprobeta se afianza al sargento; que tan biense adhirió el papel a los diferentes bloques;dónde y cómo se unen las pesas al bloque;cómo se mide la desviación exactamente.Para cada fuente mencionada, pida queaporten sugerencias para reducir almínimo el error experimental.

21A c t i v i d a d 4 P r o b a n d o l a R e s i s t e n c i a y R i g i d e z d e u n C o m p ó s i t o d e E s p u m a

Consejo para laEnseñanzaSolicite a un estudiante quebusque el término viga envoladizo en el Glosario al finaldel libro. El voluntario puedeexplicar lo qué es. Dirija la clasehacia una discusión de por quéeste procedimiento se llamaprueba de la viga en voladizo.

Para los Maestros deMatemáticasSe sugiere que los alumnos haganuna gráfica de barras quecompare la rigidez de los cuatrobloques de espuma, usando lapendiente de la línea de la gráficacomo indicador. Tambiénescribir una ecuación algebraicaque describa cada una de laslíneas en el gráfico, usando lafórmula y= mx + b.

Para los Maestros deFísicaHaga que calculen el módulo deYoung para sus bloques deespuma. Vea la sección de Físicaen la Minipedia y la página A9para instrucciones.

22 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Interpretación de Datos1. Si los alumnos tienen dificultades paradecir cuál de las probetas es la másresistente, conduzca una discusión en clasey permita compartir las observaciones sobrelas condiciones bajo las cuales las diversasprobetas se rompieron. Explique que la quepueda soportar el peso más grande sinromperse es la más resistente.Haga que hablen sobre cómo podríanrefinar la prueba de la viga en voladizo paramedir la resistencia de las probetas conmayor exactitud. Algunas ideas quepudieran considerar pueden ser: aumentarel número de cargas a probar, disminuir elincremento entre las cargas y observarcuidadosamente en la búsqueda demanifestaciones de tensión antes de laocurrencia de la fractura real.2. En caso necesario, demuestre cómocalcular la pendiente de un gráfico.Explique que la pendiente está definidacomo "incremento ante el desplazamiento".Para calcular la pendiente, siga lossiguientes pasos: escoja dos puntos de

referencia y encuentre la diferencia verticalentre los dos puntos; después encuentre ladiferencia horizontal entre los mismos;finalmente, divida la primera cantidad porla segunda. El cociente es la pendiente. Lascalculadoras gráficas pueden ser deprovecho.Ayude a relacionar el valor de la pendientecon cómo se observa la flexión de cadaprobeta a medida que se aplican cargas cadavez mayores. Deben observar que cuantomás rígida es una probeta, más pronunciadaes su pendiente; cuanto más flexible sea laprobeta, más pequeña será su pendiente.

Reflexiones3. Pida que comparen los resultados de laprueba de flexión manual con los de laprueba de la viga en voladizo. Para algunosgrupos, los resultados pueden variar.Pregunte qué resultados les parecen másexactos y porqué. Si los integrantes de laclase tienen opiniones diferentes sobre lasdos pruebas, permítales argumentar ycomentar sobre las maneras como evalúan

las dos pruebas. Dirija la discusion hacia laconclusión de que, si la prueba de la vigaen voladizo se hace cuidadosamente, debeser la más exacta.4. Haga que comparen los gráficos de suspredicciones con los de sus datos reales.¿Los resultados reales fueron sorprendenteso las diferencias son explicables por losestudiantes dada la comprensión de laprueba de la viga en voladizo y el procesode representación gráfica?

En Resumen Motive que discutancómo las respuestas a las preguntas que seplantearon al principio de la actividad hanvenido cambiando a medida que hicieronlas pruebas, interpretaron los datos yparticiparon en las discusiones. Las notas acontinuación contienen posibles respuestaspara las preguntas de la sección EnResumen.

Discusión de la Cita•Pregunte cómo definirían lapalabra descubrimiento. Entonceshaga que lean la cita. Anímelos acomentar si es o no una buenadefinición de la palabra.

•Puede relacionar esta cita con lade la página 20 preguntando sipiensan que las personas quetienen la mente abierta puedenhacer descubrimientos másfácilmente que quienes no latienen. Acepte todas lasrespuestas.

Resumen de losResultadosExperimentalesTanto en las pruebas de la viga envoladizo como en las flexionesmanuales, deben observar que laprobeta de espuma con papel bienpegado a la parte superior y alfondo es mucho más resistente yrígida que las otras. La de ladesunión no es más resistente quela que tiene papel pegadosolamente al fondo. Estas dosson sólo ligeramente másresistentes y rígidas que laprobeta simple de espuma.

23A c t i v i d a d 4 P r o b a n d o l a R e s i s t e n c i a y R i g i d e z d e u n C o m p ó s i t o d e E s p u m a

5. Los alumnos deben hacer suposicionessobre la estructura de cada uno de losmateriales que forman el compósito yproponer explicaciones sobre por qué el papelpudo haber agregado rigidez al mismo. Hagaque hablen sobre cómo podrían probar lasdiversas hipótesis. Después de que hayandiscutido sus ideas, puede referirlos aExpandiendo los Conceptos a modo de ayudapara entender cómo el papel agrega resistenciay rigidez a la probeta de espuma en lasmuestras compuestas.6. Deben observar que la probeta necesita serreforzada en ambos lados y el papel necesitaestar bien pegado a la probeta de espuma.También relacionar estos factores con losresultados de sus pruebas. Considere todas lasexplicaciones posibles.

Sus estudiantesdeben asimilar

que una buena adherencia es esencial parapreservar la resistencia en un compósitolaminar.

Me preguntoLa escritura libre sobre los materialescompósitos y cómo éstos se componen puedeayudar a algunos estudiantes a generar nuevase interesantes preguntas. Llamamos escrituralibre al ejercicio de establecer un tiempo detres a cinco minutos para anotar cualquierpalabra, frase, oración, o pregunta que venga ala mente durante ese tiempo. Pueden generaro copiar preguntas de este ejercicio. Recuerdeque deben anotar por qué desean conocer larespuesta a cada una de las preguntas queescriben. Pueden pensar sobre cómo el saberlas respuestas a sus preguntas los puedeayudar a entender o hacer cosas nuevas. También podrían tener preguntas sobre cómola estructura de los materiales componentes enesta actividad se relaciona con el desempeñode los mismos cuando forman el compuesto.Puede hacer referencia a Expandiendo losConceptos para las respuestas a algunas deestas preguntas.

Este

breve

artículo

describe la estructura de las

probetas de espuma y de papel y

da una explicación sobre cómo el

papel sirve como refuerzo en el

cartón corrugado. Los estudiantes

pueden hacer una analogía del

cartón corrugado con la probeta

de espuma en esta actividad.

ONCEPTOSCEX PA N D I E N D O

los

Planteamiento de laanalogía

Pida que observen la semejanzaentre el cartón corrugado y lasprobetas de espuma queutilizaron en esta actividad. Lascubiertas de papel en ambossirven para limitar la flexibilidaddel material intercalado en elcentro. Las desuniones delpegamento debilitan el refuerzo,porque el papel flojo no puedesoportar las fuerzas decompresión, haciendo que elmaterial se combe yeventualmente se rompa.

Ampliación delPensamiento

Usted puede plantear la siguientepregunta de extensión a losinteresados:Suponga que usted tiene cuatrotiras de papel para cada probetade espuma. ¿Cómo podríautilizar esas tiras para hacer laprobeta lo más resistenteposible? Explique por qué piensaque este arreglo funcionaríamejor. Si tiene oportunidad,construya su probeta con lascuatro tiras del papel y realice laprueba de la viga en voladizo.

Actividad de extensión

Los estudiantes pueden tambiénhacer y probar otro compuestolaminar, hecho de polímero deepoxy y de fibra de vidrio. Estaactividad de extensión se describeen las páginas de la A27 a la A31.

onexión con el DiseñoCC

24 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Conducción de la Actividad Indique la lectura de las páginas 24 y 25.Si han comenzado la actividad 2, puedesugerir que observen los resultados de ACazar Compósitos para tener ideas sobreasuntos por investigar. Puede tambiénofrecer revistas diversas, tales comoCiencia y Desarrollo, Discovery y otras,para que las hojeen. Permita entre diez yveinte minutos para que lean y seleccionenun tema.

Previsión de DificultadesPara los que tengan dificultades enplantearse metas a largo plazo, asignetemas a los cuales se dará seguimiento aldía siguiente y pida notas o un plan másdetallado para la semana siguiente. Puedeque se requiera reorientar a los que hayanelegido propuestas inadecuadas oespecialmente difíciles.

onexionesinterdisciplinarias con el Plande EstudiosLa asignación de esta actividad se puedeplantear como proyecto común paraCiencia y Español, Ciencia e Inglés,incluso Ciencia e Historia. Usted puedeinvitar al bibliotecario de la escuela, a unprofesor de Español o a un profesor deHistoria, que sea conferencista invitado ensu clase para discutir los recursosdisponibles para la investigación y laescritura de informes.

Consejos para la Enseñanza• Presente los pasos para desarrollar unainvestigación y escribir un informe.Escribir la siguiente secuencia en elpizarrón, servirá para que la tengan dereferencia mientras trabajan en elproyecto. Revise los pasos, cuantos vecessea necesario, durante la clase:

Identificar y acceder a fuentes deinformación.

Leer y tomar notas.Dar una primera estructura a lainformación recopilada.Lectura adicional y notascomplementarias.Refinar la estructura de la revisiónbibliográfica.Escribir un borrador.Refinar el borrador.Editar y corregir el reporte.Compartir la información procesada.

• Los alumnospueden tomar notas en suscuadernos, en tarjetas, o auxiliarse de unacomputadora. Se dispone también de lahoja 7 del cuaderno de Registro deActividades para ayudarlos a tomar notaspara este proyecto. Fotocopie de cinco adiez páginas para cada uno y tenga copiasadicionales a la mano. También puedenrecortar las tarjetas para integrar untarjetero.

GUÍA DE

PLANEACIÓN5

ACTIVIDAD

Tiempo Estimado:

• 10 días a 2 semanas.

• Asigne el proyecto de

investigación de tarea para la

casa después de realizar la

primera actividad del módulo

Compositos.

Objetivos de la Actividad: Los estudiantes:• Dan seguimiento al desarrollo deun material compósito producidocomercialmente.

• Reconocen la interacción depersonas provenientes de varioscampos de la ciencia y de latecnología en el proceso dedesarrollo de los compósitos.

• Adquieren conocimiento sobrealgunas de las carreras implicadasen el desarrollo y la fabricación decompósitos.

• Incrementan sus habilidades deinvestigación y comunicación,mientras producen un informeorganizado y bien escrito.

Agrupamiento Sugerido:Trabajo individual.

C

• Si utilizan tarjetas físicas o electrónicas,pida que registren su fuente de informacióny que inscriban un solo elemento en cadatarjeta. Pueden releer y reacomodarlasmientras trabajan en la estructura de sudocumento y mientras escriben el borrador.

• Recuerde a los estudiantes que si citancierto contenido utilizando textualmente laspalabras de la fuente, ellos deben redactar ala manera de las citas "entrecomillando". Siparafrasean, deben expresar sus ideas. Estopermitirá que reconozcan sus fuentes y queno cometan plagio al escribir. Usted puedeexplicar el concepto de plagio y discutirlobrevemente.

• Repase la estructura del informe, descritaen la página 25. También reparta la hoja 8del Registro de Actividades, a modo de listade comprobación para que la utilicenmientras escriben sus informes y las pautaspara la escritura, indicando sus expectativaspara el contenido del informe, como son:

formato y detalles referentes a las fuentes,notas al pie de página, gramática yortografía, etcétera.

• Recalque la importancia de unabibliografía completa y exacta, siguiendo elestilo sugerido al final de la página 25.

• Dé oportunidad para compartir loaprendido mediante una discusión informalsobre los diversos asuntos investigados.Solicite breves informes orales sobre suinvestigación, o tal vez, la publicación de losreportes en un formato como el sugerido enel proyecto suplementario.

25A c t i v i d a d 5 I n v e s t i g a n d o C o m p ó s i t o s

Proyecto Suplementario

Pueden organizarse para publicar unfolleto sobre materiales compósitos.Motive a presentar el informe en unfolleto incluyendo una introduccióninteresante, una descripción clara, paso apaso del desarrollo del compósito y laconclusión que resalte las ventajas,aplicaciones, peligros u otrasimplicaciones del compósito para lasociedad. Puede sugerir que ilustren losartículos, si es posible. Haga que editenel folleto con un programa decomputadora y lo distribuyan a otrosgrupos de la escuela.

P

Discusión de la CitaPida enccontrar semejanzas ydiferencias entre la investigaciónexperimental y la investigaciónbibliográfica. Converse con laclase de lo que consideran queson los "callejones sin salida" enambos tipos de investigación.Recalque la importancia de laconstancia al hacer investigación.Recalque que los bibliotecariosles pueden ayudar a orientarsehacia fuentes de informaciónútiles para este proyecto deinvestigación.

Para los Profesores deQuímicaLos polímeros son materialescomunes en la matriz de muchoscompósitos modernos. Despuésde que hayan terminado suinforme, trabaje con sus alumnospara hacer una clasificación delos diversos tipos de polímerosutilizados en materialescompósitos y el uso que se les da.

Diseñando una Caña de Pescar

26 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

GUÍA DE PLANEACIÓN

Resumen del ProyectoDurante este proyecto los estudiantes diseñan,construyen, prueban y reajustan un prototipode caña de pescar elaborada con un materialcompuesto. Este material se basa en popotesy otros materiales que se propongan. Paracada sistema de prototipos, modifican unavariable de manera sistemática.

Para mayor Información...Vea la página A15 de la Minipedia en laparte posterior del módulo para obtenerinformación interesante sobre el diseño de lacaña de pescar que puede discutir con losestudiantes antes o después de que realiceneste proyecto.

Preparación Anticipada Cada equipo necesitará un máximo deveinte popotes para hacer dos sistemas decañas para pescar. Este número incluye losadicionales para hacer duplicados depostes para la caña en caso de que algunofalle durante la prueba. Necesitarárecolectar una variedad de materiales paraque se utilicen en clase o pídales que lostraigan de su casa. También es posibleasignar construir prototipos de caña depescar como tarea en casa. La tabla de laderecha lista los materiales comunes quepueden usar para este proyecto.

Hojas de Registro del Diseño Se dispone de las hojas 1-10 de Registro del Diseño para guiar a los alumnos paso apaso en este proyecto. Estas hojas pueden también formar la base para que integrenel registro del diseño, el cual debe ser un escrito completo del trabajo mientrasdiseñan sus cañas de pescar. Si el tiempo es corto, pueden anotar las respuestascomo se sugiere en las hojas 1, 2, 5, 6, y 7 de Registro del Diseño. Pueden utilizarpreguntas de otros como base para la discusión.

Participación en ClasePara canalizar la energía de susalumnos, puede sugerir que en cadaequipo se asignen tareas a cada unodurante el desarrollo del proyecto. Porejemplo, uno puede tomar notas, otropuede ser facilitador (manteniendo enmovimiento la discusión, suministrandoaccesorios y haciendo el control decalidad durante la construcción ypruebas); dos podrían ser los ejecutores(haciendo dibujos, prototipos

constructivos y realizando las pruebas),trabajando juntos oindependientemente en estas tareas.Pueden alternar responsabilidades encada etapa del proyecto, por ejemplo,después de la la predicción o antes dela reflexión. Motive a los integrantesdel equipo a hacer esta rotación deactividades durante el proceso deldiseño.

Cinta adhesivatransparente.Cinta adhesiva depapel.Cinta para empaque.Cinta reforzada confibras.Cinta adhesivametálica.Resistol blanco.Aerosol Adhesivo.

Pegamento epóxico.Hilo de algodón.Hilo para costura.Seda para bordar.Hilo acrílico o de lana.Cuerda fina.Cuerda de nylon paracaña de pescar.Hilo dental.Trozos de algodón.Trozos de lana.

Trozos de seda.Deshechos de telassintéticas.Medias de nylon viejas.Variedad de listones.Malla de plástico.Bolas de algodón.Agujetas o cordones dealgodón.Vendas.Cartulina delgada.

Papel.Horquillas.Alambre de Teléfono.Alambre para ganchosde la ropa.Picadientes de madera.Picadientes de plástico.Agitadores para café.Hule espuma.Espuma polimérica enaerosol.

Posibles Materiales

SeguridadDiscuta diversos aspectos de seguridadque deben conocer, incluyendo: • Medidas para manejar cualquiermaterial peligroso, como el pegamentoepóxico, con el cual se podría trabajar. • Pesos suspendidos que caen cuandouna probeta falla. • Derrames que pueden dañar mesas ypisos o hacer que la gente resbale.• Pedazos de materiales que vuelan si

una probeta se rompe violentamente. • Medidas que pueden ser de especialpreocupación en su salón de clase. • Precauciones que pueden tomarse encuenta para reforzar la protección,como el uso de ropa y anteojos deseguridad y zapatos cubiertos.

onexión del Plan de EstudiosCEn Conexiones con su Plan de Estudios en la página T12 se sugieren formas paraque usted ajuste el Módulo de los Compósitos a su plan de estudios en general.

11PROYECTODE DISEÑO

27P r o y e c t o d e D i s e ñ o 1 D i s e ñ a n d o u n a C a ñ a d e P e s c a r

Materiales (por equipo) • 20 popotes de plástico.• Materiales de refuerzo; vea sugerenciaslistadas en la tabla de la página 26.• Abrazadera tipo C.• Pesas de 10 a 500 gramos.• 2 reglas centimétricas.• Vasos de papel pequeños para colocar laspesas.

• Marcadores. • Cuerda de nylon. • Lápiz y papel.

Conducción de la ActividadLos estudiantes pueden leer la página 27 yobservar el dibujo. Llevar uno o más tiposde cañas de pescar a la clase y permitir quelas observen y examinen sirve para iniciaruna discusión sobre los materiales que lascomponen. También puede mostrarpelículas de gente que realiza diversostipos de pesca incluyendo pesca enmuelle, en lancha, con mosca y en altamar. Después, podría hablar de losrequisitos para cañas de pescar para cadauno de los métodos de pesca. Motive una conversación sobre cualquierexperiencia que hayan tenido con la pesca.Discuta qué tan resistente necesita ser unacaña de pescar y por qué. (Para tirar de unpez de cierto tamaño sin dañarse; las cañasdiseñadas para atrapar grandes peces delocéano, como espada o atún, tienen queser más resistentes que las diseñadas para

atrapar los peces pequeños que viven enlagos y ríos.) Hable de por qué una cañade pescar necesita tener buena flexibilidad.(Para permitir que el pescador detecte siun pez ha mordido la cuerda y que la cañase doble pero no se rompa cuando un pezinquieto nada lejos con el anzuelo en laboca.) Discuta las ventajas de una cañaligera. (El pescador no se cansa alsostenerla y se reduce el peso cuando lapesca se realiza desde una lancha.)Pida que tengan en mente las preguntasde la página 28 mientras trabajan en elproyecto. Cerciórese de que entienden quetrabajarán en equipo para obtener unconjunto de diseños de prototipos. Sugieralas tareas por hacer, como se menciona enla sección Participación, intercambiandoresponsabilidades periódicamente duranteel proyecto.

Tiempo EstimadoCuatro a cinco clases:• Primer periodo, los estudiantesdiseñan y construyen su primerconjunto de cañas de pescar.• Segundo periodo, prueban yevalúan los prototipos.• Tercer periodo hacen críticas einician el proceso de rediseño.• Cuarto periodo, terminan laconstrucción, las pruebas yevalúan el prototipo rediseñado.• Quinto periodo, se puedenanunciar los resultados de lacompetencia y los estudiantespueden hablar acerca de qué fuelo que aprendieron al participaren el desafío del diseño.Para ahorrar tiempoPida a un alumno que haga unprototipo de caña de pescar encasa. Usted puede proveer parteo todo el material o simplementedejar que él busque los materialesnecesarios.

Agrupamiento sugeridoGrupos de tres o cuatro alumnos

Objetivos del proyectoLos estudiantes:• Diseñan, construyen, prueban y reajustanel prototipo de caña de pescar que reúnacriterios específicos de diseño.• Trabajan en equipo para establecer yalcanzar las metas. • Identifican y prueban una sola variable encada prototipo. • Usan los registros apropiados de sudiseño, probando y evaluando el proceso. • Aplican todos los conceptos que hanaprendido sobre los materiales compósitosde las actividades anteriores en el módulo.

28 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Propuesta para un Conjuntode Prototipos de Cañas dePescarAntes de que se formen los equipos paraplantear las ideas, puede exponer lasrestricciones del diseño enumeradas enesta página. El propósito de la primera restricción eshacer los prototipos comparables paraefectos de la competencia. La segunda es limitar la cantidad dematerial que el estudiante puede agregar alpopote para reforzarlo. La tercera permite comparar la masa y laflexibilidad de diversas cañas de pescar.Las cañas más largas o más cortas que lospopotes, no pueden compararse fácilmentecon las de longitud estándar en términosde masa y flexibilidad. Al discutir la cuarta restricción, defina eltérmino variable y de un ejemplo de cómopueden cambiar una sola variable en unprototipo. Enumere las variaciones que

pueden hacer a su diseño. A medida que vayan haciendo supropuesta, pueden observar la hoja 1 deRegistro del Diseño. Solicite que sugieranestimaciones de las características de losmateriales tales como: longitud de la cinta,número de mondadientes, etc. Si eltiempo es corto, pueden omitir el paso dela estimación de materiales. Vaya directo alas propuestas con cada equipo antes deque procedan al paso de las predicciones.

Predicciones acerca de losPrototipos Se dispone de la hoja 2 de Registro delDiseño para este paso. Este es un buenmomento para repasar con la clase cómose medirán la resistencia, la flexibilidad yla masa de la caña. Demuestre cómo unamasa grande puede causar fallas en elpopote, no quebrándose sino doblándose.Un popote doblado pierde la capacidad desostener mucho peso.

Para medir la resistencia del popote,deben encontrar la pesa de mayor pesoque puedan sostener sus prototipos sindoblarse.Para medir la flexibilidad harán la pruebade la viga en voladizo (de la actividad 4).Como repaso, demuestre cómo instalaresta prueba usando un popote. Recuerdeque deberá medir la desviación con por lomenos dos pesas distintas. Repase cómoutilizar los datos para encontrar laflexibilidad del popote (calcule lapendiente de la gráfica para ese popote.) Explique que el criterio que definirá lacompetencia depende de la masa de lacaña. La caña más resistente y más ligeraserá la triunfadora. Los estudiantespodrían hablar de la densidad de diversosmateriales.

Desafío del Diseño Escriba los criterios para ganar elconcurso de diseño de la caña depescar en el pizarrón y asegúresede que los alumnos entiendenexactamente lo que significa cadauno. Estos se enumeran en lapágina 30 del manual delestudiante de este módulo. Discuta por qué los criterios sonimportantes para el buen diseñode una caña una de pescar.Mantenga la lista a la vistamientras dure el proyecto, así sepueden referir fácilmente a ellosmientras diseñan y prueban susprototipos. Como alternativa, puede hacerque propongan criterios para lacompetencia. La hoja opcional deRegistro del Diseño los guía eneste proceso. Se dispone de hojas de Registrodel Diseño para acompañar cadauno de los pasos principales através del desarrollo del proyecto.Poniendo sus hojas terminadasjuntas, integrarán un expedientedetallado del proyecto.

DD

29P r o y e c t o d e D i s e ñ o 1 D i s e ñ a n d o u n a C a ñ a d e P e s c a r

Discusión de la CitaDiscuta con la clase cómo losdesperdicios pueden ser útilespara los inventores. Solicite a losestudiantes hablar sobre cualesdesperdicios pueden ser útilespara su prototipo de caña depescar.

Desarrolle y Siga unProcedimiento RepetibleLa hoja 3 de Registro del Diseño es parautilizarla mientras desarrollan elprocedimiento para construir el prototipo;ésta también contiene un listado de loscriterios de desempeño para decidir sobreel ganador de la competencia. La hoja 4 deRegistro del Diseño es para describir larealización de las pruebas. Discuta porqué es importante registrar los pasos en suprocedimiento y por qué en los proyectos ylos experimentos de ciencia o deingeniería, es importante que los pasossean repetibles. Los alumnos debendescribir brevemente cómo probarán laresistencia y la flexibilidad y planearán elorden en el cual harán las pruebas paraevitar tener que hacer muchas copiasadicionales de sus prototipos debido afallas. Probablemente sea provechoso tenerduplicados de cada prototipo, porquecuando hacen la prueba de resistencia,prueban hasta que se rompe el prototipo.Si tienen dificultades en construir uno de

lus prototipos previstos, revisen lapropuesta y repitan las etapas del procesodel diseño. Registre los Datos de las Pruebas La hoja 5 de Registro del Diseñoproporciona una lista de los datos. Cuandolos estudiantes hagan la prueba de la vigaen voladizo, deben cerciorarse de que lalongitud del popote sea uniforme paratodos los prototipos probados. Enfatice laimportancia de estandarizar esta longitud a14 centímetros y a medir exactamente cadavez que realicen la prueba. Interprete los Datos de lasPruebas La hoja 6 de Registro del Diseñoincluye los espacios para que se hagan lasgráficas de barra de los resultados para lamasa y la resistencia de los prototipos yuna sección de papel cuadriculado paraque hagan gráficas de línea de los datos dedeflexión. Las preguntas se incluyen paraayudar a interpretar los datos una vez quelos hayan representado gráficamente.También pueden utilizar calculadora para

calcular la pendiente de los gráficos para laprueba de flexibilidad y para calcular quécaña tiene el cociente más alto carga-masade la caña. Reflexión sobre las PrediccionesOriginales La hoja 7 de Registro delDiseño incluye las preguntas que permitenreflexionar sobre las predicciones originalesy dar las razones por las cuales piensan queobtuvieron esos resultados. Las fuentes deerror experimental pueden incluir: escalasque no están calibradas; medidas inexactashechas con las escalas; no manteneruniforme la longitud no apoyada de losprototipos durante la prueba de la viga envoladizo; medidas inexactas de ladeflexión; cálculos inexactos de lapendiente de cualquier gráfica de masacontra deflexión.

30 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Discuta otras ideas de los estudiantes yhable de cómo reducir o prevenir erroresexperimentales.

Presente sus Prototipos y losResultados de las Pruebas La hoja 8 de Registro del Diseño es paraayudar a planear las presentaciones yobtener argumentos del resto de la clasesobre los prototipos que desarrollaron.

Fomente un espíritu de respeto entre losintegrantes de su grupo cuando discutancómo dar y recibir críticas constructivasdurante las presentaciones. Haga que losque hacen críticas no constructivasreformulen sus planteamientos de unamanera provechosa y positiva.

Precise que aprendiendo de las cosas quelos otros equipos hicieron con o sin éxito,es como pueden ahorrarse dificultades ydesarrollar diseños más sofisticados

cuando hagan su segundo conjunto deprototipos.

Solicite que hagan presentaciones cortas -tres a cinco minutos - que hablenclaramente y que vean directamente a suscompañeros al hacer las presentaciones.Cuando hayan terminado, deben preguntarsi alguien tiene dudas o sugerencias ytomar nota de lo que presentan los demás.

Crítica de los Prototipos La hoja 9 de Registro del Diseño incluyepreguntas que pueden hacerse mientrasescuchan la presentación de loscompañeros. Pídales que apuntencualquier duda o comentario pero tambiénque escuchen atenta y respetuosamentedurante la presentación. Dígales que noolviden hacer sus preguntas y comentariosconstructivos al final de la presentación.

Rediseñe su Caña de Pescar

Haga que repitan el ciclo del diseño paramejorar los prototipos. Reparta más hojasen blanco de Registro del Diseño para quelas completen. Si el tiempo es corto, que aporten unapropuesta de un nuevo y mejoradoprototipo y deje que discutan las ideas delos otros equipos. Si su clase no hace elrediseño, puede determinar al ganador dela competencia basado en el primerconjunto de prototipos y hacer unreconocimiento al rediseño que la clasepiensa que es más probable que tengaéxito. Un equipo podría construir esterediseño y compararlo con el prototipoque ganó en la primera vuelta.

Discusión de la CitaPregunte a los alumnos si estánde acuerdo con la cita y por qué.Solicite que hablen de sus éxitoscuando hicieron este proyecto.Déjelos discutir otras cosas quepodrían hacer para mejorar susdiseños.

31AP r o y e c t o d e D i s e ñ o 2 D i s e ñ a n d o u n N u e v o M a t e r i a l

Hable de los Resultados de laCompetencia Usted puede determinar al ganador de lacompetencia o asignar un panel deestudiantes de otro grupo para determinar alganador. Los jueces deben utilizar loscriterios enumerados en la página 30 de laversión del estudiante u otros criterios que sehaya establecido previamente. Puede haceruna pequeña ceremonia en clase y entregarlos premios el día que se anuncien losresultados.

Escriba las Conclusiones sobre loque se Aprendió del Proceso La hoja 10 de Registro del Diseño incluyepreguntas que inducen a los alumnos areflexionar sobre el desafío del diseño. Ustedpuede asignarles platicar sobre las preguntasa la vez que van completando la hoja deregistro del diseño. Haga un espacio detiempo para compartir las partes preferidasdel proyecto. Puede utilizar las respuestasaportadas como base para dar premiosdivertidos.

Registro del Diseño

Están disponibles diez hojas de Registro delDiseño para acompañar los pasos delproyecto. Puede fotocopiarlas y darlas alinicio del proyecto o repartirlas en el procesoen cada paso. Indíque que deben escribir en sus registroslos comentarios de las discusiones queocurran paso a paso durante elprocedimiento. De esta manera sus registrosno serán solo la lista de lo que han hecho,sino una herramienta de aprendizaje a la quepueden referirse. Los alumnos pueden guardar sus registros deldiseño individualmente o tener unexpediente común para el grupo. Sinembargo, si se utiliza un registro del grupo,cerciórese de que cada integrante tenga laresponsabilidad de hacerlo en cierta parte delproyecto. Puede sugerir que los haganindividuales. De esta manera, trabajan juntospara integrar el del grupo al final delproyecto. Este debe expresar ideas yparticipación de todos los miembros delequipo.

GUÍA DE PLANEACIÓN

22Diseñando un Nuevo

Material

Hojas de Registro del DiseñoSe dispone de las hojas 11-22 de Registrodel Diseño para ayudar al estudiante atrabajar en cada uno de los pasos en esteproyecto. Estas hojas pueden tambiénformar la base para el registro del diseñoe integrar un expediente completo de sutrabajo mientras diseña su materialcompósito. Si el tiempo para este proyectoes corto, los estudiantes pueden anotarsus respuestas cuando vayan haciendo lashojas 11, 12, 16 y 17. Las preguntas delas otras hojas de Registro del Diseñopueden sirvir de base para la discusión, silo desea.

Resumen de la Actividad Los alumnos proponen un diseño originalde un nuevo material compósito. Duranteel curso del proyecto construyen,prueban y reajustan un conjunto demuestras de materiales compósitos yevalúan cómo estas probetas trabajansegún los criterios establecidos.

Preparación AnticipadaUna semana antes de que inicie elproyecto, pida que los estudiantescolecten objetos o materiales que nofuncionan bien porque tienen defectos,porque están viejos o se handeteriorado por el uso o el paso deltiempo. Usted también puede reunir variosmateriales para dar ideas para losnuevos compósitos. Es útil traermateriales puros y compósitoscomunes e inusuales que se puedanexaminar. Esto ayudará a enfocarse enel diseño de materiales más que en eldiseño de objetos. La tabla de abajopuede darle algunas ideas.

Papel aluminio.Tubos y recubrimientos decobre.Chapa de madera.Triplay.Picadientes.Paja de Escoba.Cepillos de Cerda.Esponjas varias.Linóleo.Plástico flexible.Plástico duro.Plástico claro.Plástico de color.Cristal claro.Cristal de color.Vidrio refractario.

Vidrio de seguridad.Canicas de vidrio.Canicas de plástico.Objetos de poliestireno.Etiquetas adhesivas.Cartulina dura.Lija.Plastilina.Parafina.Vaselina.Fieltro y otras fibras.Materiales afelpados.Piel.Tierra para Maceta.Arena.Grava.Granito.

Mármol.Mosaicos de cerámica sinrecubrimiento.Mosáicos de cerámicacon recubrimiento.Imanes.Resortes pequeños.Tornillos.Pinturas para papel.Pinturas de latex.Pinturas esmaltadas.Pinturas para uñas.Pegamento en barra.

Materiales para Examinar o Usar

PROYECTODE DISEÑO

31B M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Sugerencias de losVeteranosLos alumnos disfrutaron estaactividad porque tenían másresponsabilidad sobre suaprendizaje y másoportunidad de cuestionar quéera lo más importante en eldiseño. Tener másoportunidades yresponsabilidades les anima aaprender más. Fueespecialmente agradable verque a menudo prestanatención llevando materialesde su casa y toman un papelactivo al dirigir lainvestigación.

Me gustó la manera en quetrabajaron juntos durante esteproyecto. Debido a que nohabía respuesta correcta oincorrecta, aprendieron arespetar a los miembros delequipo y a considerar todaslas ideas planteadas.

Permita a los equipos trabajarindependientemente y no seasuste del caos en la sala declase. Escuche por arriba delhombro las conversacionespero participe solamentecuando sea absolutamentenecesario.

Laura Walhof,

Maestra de químicaGlenbrook South High SchoolGlenview, lIIinois

Seguridad Si los estudiantes construyen o prueban losmateriales compósitos en el salón de clase,discuta las medidas de protección que debentener en cuenta, incluyendo las siguientes:• Manipular material peligroso como elpegamento epóxico. • Derrame de líquidos que pudieran dañarmesas o pisos ocasionando que la gente seresbale y se caiga.

• Pesos suspendidos que caen cuando unaprobeta falla. • Pedazos de material que vuelan si unaprobeta se rompe violentamente.• Medidas de seguridad especiales para susalón de clase. • Precauciones que pueden tomar, como usode lentes y ropa de seguridad y zapatoscerrados.

Participación en Clase

Para ayudar a canalizar la energía de los jóvenes, puede sugerir que cada equipo asigne tareas acada uno de sus integrantes en el transcurso del proyecto. Por ejemplo, uno puede tomar notas,otro puedo ser el facilitador (manteniendo en movimiento la discusión, suministrandoaccesorios y haciendo el control de calidad durante la construcción y las pruebas); dos puedenser los ejecutores (haciendo dibujos, prototipos constructivos y realizando las pruebas),trabajando juntos o independientemente en estas tareas. Pueden intercambiar papeles en losvarios puntos del proyecto, por ejemplo, después de la etapa de la predicción o antes de la etapade la reflexión. Sugiera alternar responsabilidades.

La página T12 le sugiere maneras para ajustar el Módulo de Compósitos a su plan de estudiosen general. La Minipedia incluye ejemplos específicos de interés sobre los compósitos quepuede relacionar con otras áreas de la ciencia. Leer sobre materiales naturales en la sección deBiología de la Minipedia o sobre aspectos pragmáticos del diseño de materiales en las seccionesde equipo deportivo, el diseño de materiales compósitos o las naves aéreas, son secciones quepueden dar ideas para diseñar nuevos materiales compósitos.

onexión con su Plan de EstudiosC

31P r o y e c t o d e D i s e ñ o 2 D i s e ñ a n d o u n N u e v o M a t e r i a l

MaterialesProporcionar un conjunto de diferentesmateriales para que los examinen comofuente de ideas y para la construcción realde las muestras de materiales compósitos.Las tablas en las páginas 26 y 31A ofrecenalgunas sugerencias. Sugiera que usenmateriales que encuentren en casa.

Conducción del ProyectoHaga que lean la página 31 y discutancómo pueden proporcionar una atmósferade trabajo en la sala de clase cuandoejecutan este proyecto. Considere queacomoden sus mesas de manera quepuedan trabajar en equipo. Acondicionarun área de conferencia y tener una hoja deregistro de asistencia para la misma y parael laboratorio puede ayudar a evitar elcongestionamiento y dar sentido detrabajo profesional a su salón de clase.Intente poner en práctica todas lassugerencias constructivas que hagan parael ambiente de trabajo. Solicite que tengan en cuenta las preguntasde la página 32 mientras trabajan en elproyecto.

Tiempo EstimadoCuatro o cinco clases• Primera clase, los estudiantesnecesitan tiempo para reunirse ydiseñar sus muestras de materiales;pueden construir las muestras en laescuela durante el resto de la clase oen casa de tarea.• Segunda clase prueban y evaluansus probetas.• Tercera clase se critican losproyectos y empiezan a rediseñar unnuevo conjunto de muestras.• Cuarta clase prueban y evalúan lasmuestras rediseñadas.• Quinta clase, pueden completarsus reportes y discutir lo que hanaprendido participando en el desafíodel diseño.

Para Ahorrar TiempoAsigne de tarea la construcción delos materiales de muestra. Puedeproporcionar algunos o todos losmateriales componentes o pedirlesque usen materiales que puedancolectar en los alrededores de sucasa.

Equipos SugeridosGrupos de tres o cuatro

Objetivos del ProyectoLos estudiantes:• Diseñan, construyen, prueban yrediseñan muestras de un nuevo materialcompósito.• Identifican y prueban una variable decada muestra.• Evalúan su material de acuerdo acriterios específicos seleccionados.• Trabajan con su equipo para establecery alcanzar sus metas.• Mantienen registros apropiados de susdiseños, pruebas y procesos deevaluación.• Aplican todos los conceptos aprendidosacerca de los materiales compósitos enlas actividades previas en el módulo.

32 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Propuesta para un NuevoMaterial CompósitoAntes de que se dividan los equipos paraplantear sus ideas, puede llevar a cabo unalluvia de ideas, en la cual se mencionenobjetos que funcionarían mejor si fueranhechos de un nuevo material compósito.Plantee las primeras dos preguntas delrecuadro gris para la discusión. Escribatodas las sugerencias en el pizarrón. Losestudiantes pueden considerar cualquierade las sugerencias enumeradas, otraspueden surgir mientras trabajan pararefinar las ya existentes o bien ideas norelacionadas que no tuvieron oportunidadde compartir en la discusión en clase.

Plantee a la clase las restricciones deldiseño enumeradas en esta página. Aldiscutir la primera etapa, recuerde a losalumnos que el propósito de este proyectoes que produzcan un nuevo materialcompósito concebido por ellos mismos.Es por eso que la muestra no puede ser un

material compósito existente en elmercado. Al discutir la segunda restricción deldiseño, puede definir el término variable ydar un ejemplo de cómo podrían cambiaruna sola variable de un diseño de materialcompósito. Explique que losexperimentos están diseñados para probaruna sola variable por la facilidad deanalizar y de entender los resultados.Ayúdelos a encontrar distintas cosas quepueden variar sobre el diseño de unmaterial compuesto determinado. Repase los tres tipos principales demateriales compósitos: compósitospartículados, compósitos laminados ycompósitos reforzados con fibra o fibro-reforzados. Recuerde mencionar quemientras diseñan su material compósitodeberán considerar si funcionará mejorcon partículas, láminas o fibras embebidascomo componentes.Recuérdeles considerar el sentido prácticoy la seguridad mientras diseñan su

material compósito. El cual debe incluirmateriales que sean de fácil adquisición yseguros para trabajar con ellos. Si los alumnos tienen dificultades paraencontrar ideas para sus proyectos, puedemostrarles objetos quebrados queencuentre en el salón de clase. Cosas tansimples como un lápiz con la puntaquebrada pueden ayudar al estudiante apensar en ideas para nuevos materiales.

Algunos proyectos que han trabajado bienen otros grupos incluyen: Cuadros de bicicleta.Guantes a prueba de agua.Almohadas.Puentes.Garrochas.

Desafío del DiseñoLas hojas de Registro del Diseñoson para seguir cada uno de lospasos principales que conducen alestudiante durante el proyecto.Las hojas terminadas, puedenintegrarse en un expediente delproyecto.

DD

Puede fotocopiar las listas en las páginas 26y 31A de este manual para darles ideas dealgunos materiales buenos para el proyecto,si les solicita traerlos de su casa. Si dosequipos diferentes tienen una idea similar ola misma para un material compósito,permita que ambos las desarrollen. Cadaequipo puede tener una manera diferentede solucionar problemas de diseño y lacomparación de soluciones puede dar unacomprensión más profunda de cómo secomportan los materiales .

Mientras hacen su propuesta, los jóvenespueden completar la hoja 11 de Registro deDiseño. Recomiende hacer estimaciones demateriales en términos de centímetroscuadrados de papel de aluminio, longitudde una cuerda, etc. Puede revisar laspropuestas con cada equipo antes de queprocedan con el paso siguiente.

Criterios para Evaluación deProbetasLa hoja 12 de Registro de Diseño ayuda aestablecer criterios para evaluar la probeta,lo cual es crucial para el éxito de esteproyecto. Pídales hacer una exposiciónclara sobre el propósito o la ventaja másimportante de su nuevo material. Haga quehablen de todas las ideas para evaluar,relacionando los puntos susceptibles deevaluación con el propósito del material.Concluyendo si son relevantes con respectoal propósito principal o no lo son.

Predicciones Sobre lasMuestrasUse la hoja 13 de Registro de Diseño paraeste paso. Cerciórese de que mencionenuna razón clara de por qué piensan que unamuestra en particular funcionará mejor.

Desarrolle y siga unProcedimiento Repetible Discuta con el grupo por qué es importanteregistrar los pasos en su procedimiento ypor qué en los proyectos y los experimentosde ciencia o de ingeniería, es importanteque los pasos sean repetibles. La hoja 14de Registro del Diseño es para que la usencuando desarrollen el procedimiento paraconstruir probetas. Si tienen dificultades para hacer una de lasprobetas, solicite que revisen la propuestay repitan el proceso del diseño. Utilice la hoja 15 de Registro del Diseñopara describir cómo se realizarán laspruebas. Repase de qué manera puedenevaluar la resistencia y la rigidez de losmateriales y permita discutir cómo adaptarestas pruebas para materiales con diferentescaracterísticas en la superficie.

33P r o y e c t o d e D i s e ñ o 2 D i s e ñ a n d o u n N u e v o M a t e r i a l

Discutiendo la Cita

Después de que los alumnos

hayan tenido la experiencia de

inventar un nuevo material

compósito, pregúnteles si están

de acuerdo con la declaración de

Edison sobre los genios. Si fueran

a definir a un genio, en qué

proporción asignarían la

inspiración y la transpiración?

¿Agregarían otros "ción" a la

mezcla? Si es así, ¿cuáles y en

qué proporción?

34 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Hable de otros tipos de pruebas quepudieran utilizarse para evaluar losmateriales dependiendo de la función delos mismos. Recalque que deben ingeniarel mecanismo para realizar las pruebas depropiedades físicas: flotabilidad, resistenciaal rayado, transparencia, conductividadeléctrica, etc. Si las características físicasmedibles no son tan importantes, podríanpedir a sus compañeros que usen susmateriales y clasifiquen el funcionamiento.

Registre los Datos de lasPruebas La hoja 16 de Registro de Diseñoproporciona varias tablas de datos enblanco que se pueden usar para registrarlos datos. Se puede adaptar una o más deestas tablas. Tal vez sea más fácil crearuna tabla para el registro de las pruebasque hagan.

Interprete los Datos de lasPruebas Plantee las diferentes maneras en que sepueden utilizar las gráficas para análisis dedatos. Las de barras son buenas paraexhibir comparaciones numéricas simples.Las de círculo para demostrar la relaciónentre varios grupos de datos que formanun conjunto. Con las gráficas en líneademostran la relación entre la variableindependiente y una variable dependiente.En la hoja 17 de Registro de Diseño seencuentra el espacio para hacer lasgráficas, también pueden sugerir formatosalternativos para interpretar y exhibir losdatos obtenidos. Asegúrese de que se utilicen los criteriosestablecidos al principio del proyecto parapreparar las conclusiones sobre cuál de susprobetas fue la más exitosa.

Reflexión sobre lasPredicciones OriginalesLa hoja 18 de Registro de Diseño incluye

preguntas que ayudan a reflexionar sobrelas predicciones originales y las razonesque contribuyeron a obtener los resultadosprevistos.

Probablemente entre las fuentes de errorexperimental se incluya: que el equipo noestá calibrado correctamente; que hayainexactitudes en la utilización del equipo olas pruebas; medidas no exactas;inexactitudes en los cálculos basados enmedidas; variaciones relacionadas con lainterpretación. Discuta otras ideas que setengan y hable de cómo reducir o prevenirerrores experimentales.

Discutiendo la CitaPregunte a sus alumnos quépiensan acerca de que losinventores pidan prestado. Soliciteque expliquen lo que piensanacerca de la idea de Emerson deque cada uno debe ser un inventory si hoy es tan verdadero como lofue hace casi 200 años, en la épocade Emerson.

Presente el MaterialCompósito y los Resultados delas PruebasLa hoja 19 de Registro de Diseño ayuda aplanear presentaciones y responderpreguntas. Fomente un espíritu de respeto entre losalumnos cuando discutan cómo dar yrecibir críticas constructivas durante laspresentaciones. Haga que los que hacencríticas no constructivas reformulen susideas de una manera provechosa. Enfatice que al escuchar con actitudpositiva se aprende de la experiencia de losdemás y que tal vez puedan ahorrarsedificultades y desarrollar diseños mássofisticados cuando hagan el segundoconjunto de prototipos.Recalque que la exposición debe ser claray que deben ver a sus compañeros al hacerpresentaciones, las cuales deben ser cortas,de tres a cinco minutos. Permita que usenun proyector, si lo desean. Cuando

terminen de hacer la presentación, debenpreguntar si alguien tiene preguntas osugerencias y tomar nota de lasaportaciones de los demás.

Crítica de los MaterialesCompósitos de losCompañeros de Clase La hoja 20 de Registro de Diseño incluyepreguntas que pueden surgir mientrasescuchan. Pida que apunten cualquierobservación pero también cerciórese deque escuchan atenta y respetuosamentedurante la presentación. No olvide quedeben hacer preguntas y comentariosconstructivos al final de la presentación.

Rediseñe su MaterialCompósito Reparta otro juego de hojas en blanco deRegistro de Diseño para que las completen

en clase y repitan el proceso del diseñopara mejorar las muestras de materialescompósitos. Si el tiempo es corto, hagaque propongan materiales compósitosmejorados y deje discutir entre equipos lasdiferentes ideas para mejorar. Si usteddesea, los alumnos pueden terminar elrediseño para obtener créditos adicionales.

Haga un Informe FinalLa hoja 21 de Registro de Diseño sirvecomo lista de comprobación cuando haganel informe final. Puede formular nuevasreglas para preparar reportes quecontengan sus expectativas para elcontenido, el formato y los detalles degramática y ortografía. Cada equipo puede producir un informefinal único, con la participación de variosintegrantes del equipo responsables deescribir por lo menos una parte

35G l o s a r i o

36 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

(introducción, cuerpo, recomendaciónfinal, portada, contenido, cuadros,diagramas y gráficas). Después, puedeneditar el informe completo o porsecciones.

Asigne el informe final como tarea, o bienpuede dar tiempo en clase para queplaneen cómo desean trabajar en elmismo. También puede ser provechosoque los estudiantes tengan tiempo en clasepara corregir el borrador. Hacer elinforme final en una asignación cruzadadel plan de estudios, calificada en comúnpor los profesores de ciencias y español,puede ser una buena opción. Lasasignaturas comunes ayudan a reforzar laidea de que la habilidad de comunicaciónescrita es un aspecto esencial delentrenamiento científico. Una alternativaal informe final puede ser que escriban unfolleto promocional sobre el material quediseñaron, dirigido a posibles compradores

o fabricantes. El folleto debe enfatizar lasventajas y posibles aplicaciones. Puedenincluir un resumen de las pruebas quehicieron al material como evidenciaconvincente que realce las demandas queexisten para éste.

Escriba Conclusiones sobre loque Aprendió en el ProcesoLa hoja 22 de Registro de Diseño incluyepreguntas que conducen a la reflexiónsobre el Reto del Diseño. Asigne hablarsobre preguntas particulares cuandocompleten la hoja de Registro de Diseño.De tiempo para compartir con la clase laparte agradable, la menos agradable y losmomentos memorables del proyecto. Puede invitar a un ingeniero o a uncientífico en materiales para que venga a laclase a hablar con los estudiantes sobrecuál es su trabajo y qué tipo deoportunidades están disponibles para losque tengan entrenamiento en ciencia eingeniería. Pida preparar con tiempo laspreguntas para el conferencista invitado,ya sea acerca de los proyectos que hacen osobre otros aspectos de su trabajo que seande interés. Recuérdeles ser respetuosos ydiscretos al hacer preguntas personales.

Registro de Diseño

Las hojas de la 11 a la 22 de Registro deDiseño están disponibles para recopilar lospasos de este proyecto. Puedefotocopiarlas y distribuirlas al principiodel proyecto o a medida que se avance.Pueden hacer sus registros personales sino desean utilizar las hojas distribuidas.Indique que deben escribir todas lasdiscusiones que ocurran durante cada pasodel proceso. De esta manera los registros serán unaherramienta de aprendizaje a la quepueden referirse posteriormente. Pueden guardar sus registros de diseñoindividualmente o tener un registro comúnpara el equipo. Sin embargo, si se utilizauno del equipo, cerciórese de que cadaestudiante tenga la responsabilidad dehacerlo en cierta parte del proyecto.Explique que, aunque no incluyan las

hojas de Registro del Diseño, ya seaindividual o del equipo, deben ser lafuente principal de información para elinforme final del proyecto. Los estudiantesque guardan un expediente escritoapropiado y detallado probablementetendrán más facilidad para reunir elinforme final, que aquellos que tengan unomás sencillo. Puede sugerir a los quetienen dificultad para escribir que hagansu registro en computadora o graben susresúmenes en cintas de audio.

37G l o s a r i o

38 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

A1A p é n d i c e M i n i p e d i a

Apéndice

Minipedia incluye artículosilustrados sobre una variedad detemas. La puede usar paraayudar a relacionar losconceptos que se presentan enel Módulo Compósitos con ladisciplina que usted imparte.Puede fotocopiar parte de laMinipedia y repartirla a losestudiantes para lecturaadicional o como material dereferencia cuando hagan losproyectos de diseño.

Actividades de ExtensiónLos primeros dos juegos deactividades de extensión sediseñaron para maestros defísica y matemáticas quehicieron algunas de lasActividades en el MóduloCompósitos o lo han presentadocomo demostración en clase.Los maestros de física puedenencontrar una Actividad deExtensión en el módulo Jóvenesen la Minipedia al final de lasección Física y Compósitos.Los maestros de matemáticaspueden encontrar Actividadesde Extensión de las páginas A19a la A21.Cada una de las tres Actividadesde Extensión que siguen a la deMatemáticas puedenfotocopiarse con aumento al129% y repartirse

para que los alumnos las haganen clase, como tarea en casa ocomo una actividad extra en ellaboratorio. Estas Actividadesde Extensión pueden fortalecerla comprensión de los alumnosen materiales compósitos y delos conceptos en ciencias ymatemáticas que se presentanen el módulo.

Formatos Puedefotocopiarlos para que los usenmientras hacen las actividades ylos proyectos de diseño. Losformatos proporcionan tablas dedatos y otros apoyos para queregistren las predicciones, lasobservaciones, los datos ycualquier otra información.

Indice El Módulo Compósitosincluye hechos fascinantesacerca de todas las áreas de laciencia. Usando el índice, estosdatos están fácilmente alalcance de sus manos.

El apéndice está dividido en cuatro secciones: Minipedia,Actividades de Extensión, Formatos de Registro e Indice. Cadasección se describe a continuación:

Contenido

Minipedia

Biologíay Compósitos.....................A2

Químicay Compósitos.....................A4

Física y Compósitos.....................A7

DiseñandoCompósitos......................A10

Materiales Deportivosy Compósitos...................A11

Aeronavesy Compósitos...................A16

Actividades de Extensión

Física.................................A9

Matemáticas....................A10

Actividadde Extensión 1................A22

Actividad de Extensión 2................A25

Actividadde Extensión 3................A27

Formatos.........................A33

Indice..............................A71

A2 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

MINIPEDIA

La biología incluye el estudio de lavida y forma de los organismos vivos.Los materiales que conforman laspartes de un organismo vivo reflejanla función específica de cadacomponente. Debido a que losmateriales biológicos comúnmentedeben poseer una combinación depropiedades para cumplir con susfunciones, tales como ser resistentespero ligeros, por lo general estáncompuestos por dos o más sustanciasdistintas unidas íntimamente paraformar un material compósitonatural.

Sistema CelularTodos los materiales naturales estáncompuestos por células de diferentestipos. Por ejemplo, las hojas de lirioincluyen una capa central de célulasesponjosas, cubiertas en su partesuperior e inferior por una capa defibra celulosa, como se observa en laFigura 1. Tal constituciónproporciona a las hojas del lirio buenaresistencia mecánica mientras les

permite, al mismotiempo, tener un pesoligero. Las capasexternas o pielesfibrosas soportanmayores esfuerzos,mientras que las célulaspoco densas ubicadasen la parte intermediade la hoja funcionan

como conectivas entre las capascelulares que le proporcionanresistencia al momento de doblarse.Las alas de las libélulas presentan undiseño similar. Las secciones de lasalas de un aeroplano son imitación detal construcción, la cual consiste de

celdas de polímero reforzado confibras o finas capas de celdas dealuminio (acomodadas en formasimilar a un panal de abejas)distribuidas en forma alterna con lasfinas capas del polímero reforzadocon fibras. Tal compósito es muyrígido y ligero y posee muy altaresistencia.Otro material compósito celular muycomún es la madera. Básicamente, lamadera consiste de una matrizvertical de células huecas llamadastraqueidas. Las paredes de unatraqueida son, por sí mismas,compósitos. Las células estánformadas de varias capas de fibras decelulosa, enrolladas helicoidalmente yorientadas hacia varios ángulosrespecto al eje longitudinal. Dentro delas fibras, las microfibrilas estánembebidas en una matriz de lignina,un polímero complejo que une lasfibras de celulosa. El arreglo de estasfibras proporciona la mejorcombinación de resistencia a losmuchos tipos de esfuerzos mecánicosa los cuales puede estar sujeto unárbol.

Huesos y Tejido ConectivoTambién es posible encontrarejemplos de materiales compósitosbiológicos a altos niveles deorganización, como huesos y tejidosconectivos presentes en el sistemaesquelético. Tejido es en particular unnombre apropiado para estosmateriales biológicos, debido a que,en muchos casos, las células se tejenen una tela que es muy similar enconstitución a un compósito de fibrade vidrio.

Biología y Compósitos

Figura 1. Seccióntransversal de una hojade lirio.

Célulasesponjosas

Piel de fibra celulosa

A3A p é n d i c e M i n i p e d i a

Los huesos largos que forman elesqueleto de un vertebrado songeneralmente tubos huecos de paredgruesa, compuestos por largas ycontinuas fibras de colágenoembebidas en una matriz defosfato de calcio. Laorientación de las fibras y lacantidad de mineralizaciónpermite a estos huesos soportargrandes fuerzas de flexión yabsorber las cargasnormalmente impuestassobre los ellos.En formasimilar, el cartílagoestá compuesto porfibras de colágenoembebidas en una sustancia elásticallamada chordín. En combinación, estosmateriales producen un material desoporte fuerte y muy flexible. Lacutícula no viva secretada por laepidermis de los artrópodos paraformar su exoesqueleto está construidaen forma similar.

Máquinas VoladorasSuperligeras de la Naturaleza Las aves son capaces de convertirse enmáquinas voladoras particularmente através de la adaptación de plumas, alasy huesos huecos. En conjunto todasestas adaptaciones contribuyen a laexcepcional ligereza de las aves. Porejemplo, el esqueleto de un pájarofragata con una envergadura de 7 pies(2.13 m) pesa sólo 4 onzas (0.240 kg).Aunque el esqueleto de un ave esextremadamente ligero, es también muyresistente y elástico, característicasnecesarias para que el ave sea capaz derealizar acrobacias aéreas, las cualesinvolucran gran esfuerzo en suestructura ósea. Esta combinación deresistencia y ligereza se debeprincipalmente a la estructura delgaday hueca de sus huesos. Similares en

construcción a los delos mamíferos, los delas aves sonmaterialescompósitos

constituidos por proteínas

fibrosas y

colágeno,endurecidos por una matriz

extremadamente densa defosfato de calcio. Para

disminuir peso, los huesos de lasaves son esencialmente tubos huecos

de pared muy delgada, llenos de aire enlugar de médula como en la mayoría delos animales, como se muestra en laFigura 2. En las grandes avesplaneadoras, algunos de ellos tienen unarmazón estructural que lesproporciona un refuerzo adicional,como se muestra en la Figura 3.

Como se pudo apreciar, los materialescompósitos juegan un papel crucial enla estructura y función de losorganismos vivos. El entendimiento dela función de los materiales compósitosy de cómo un organismo vivo dependede ellos para cumplir con susnecesidades, incrementa grandementenuestra habilidad para reconocer yapreciar la adaptación de los diversostipos de organismos a su medioambiente.

Figura 3. Estructura ósea del ala del buitrereforzada con un soporte armado.

Figura 2. Hueso hueco deave relleno de aire.

A4 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Un plástico es un material constituidopor moléculas de polímero que a suvez están formadas por la repeticiónsucesiva de unidades más simplesllamadas monómeros. Las unidades omoléculas de monómero estánquímicamente enlazadas unas conotras para formar moléculas mayoresen arreglos de una, dos o tresdimensiones. Los polímeros sintéticosson muy útiles en la construcción decompósitos ligeros y con altaresistencia a la carga. De hecho, en laactualidad los polímeros participan enmás del 80 % de los compósitosestructurales reforzados. Bañeras,fregadores y partes para auto son sólounos ejemplos de productos hechoscon estos compósitos.Una de las principales ventajas deluso de polímeros como matriz paracompósitos es su baja densidad. Bajocosto y facilidad de transformación enproductos útiles son otras ventajas delos polímeros. Cuando se combinancon fibras reforzantes, las cuales soncon frecuencia obtenidas a partir depolímeros o derivados de precursores

poliméricos, los polímeros setransforman en materialesextremadamente fuertes, peroconservan su bajo peso.

Química de los PolímerosLa estructura de los polímeros, consus unidades de monómeros repetidascientos de veces, trasladan a estosmateriales sus propiedades

características. La interacción de lascadenas, a través de enlacesintermoleculares y/o interacciónfísica, tiene un efecto importante enel comportamiento de un polímero.Cuando las cadenas de un polímeroestán desenlazadas y alineadas, elpolímero será suave y flexible.Cuando están fuertemente enlazadas,este se comportará como un sólidoduro. La masilla elástica presenta estapropiedad viscoelástica: puedeestirarse lentamente y fluir comolíquido o rebotar contra el piso comopelota de hule.La mayoría de los polímeros tienenuna columna vertebral (cadenaprincipal) hecha de átomos decarbono. Esta estructura prevalece enmuchos, debido a las propiedades delcarbono para formar enlacescovalentes estables consigo mismo,haciendo cadenas largas o estructurastridimensionales. Muchos de losproductos comerciales hechos deplástico, como bolsas delsupermercado, botellas paramedicamentos, jeringas, fibras textilesy empaques para alimentos, contienensólo hidrógeno y carbono, por lo queson conocidos como polímeroshidrocarbonados. El polietileno (PE)es uno de los ejemplos más simplesde este tipo de polímeros. El PE sepolimeriza a partir de un compuestoconocido como etileno, tambiénllamado eteno, formado por doscarbonos y cuatro átomos dehidrógeno. Una típica reacción depolimerización para sintetizar el PE apartir de monómero de etileno semuestra en la Figura 4.

Química y Compósitos

CH2 = CH2 CH2 CH2Catalizador

PolietilenoEtileno

Figura 4. Síntesis del Polietileno.

A5A p é n d i c e M i n i p e d i a

Además del carbono y elhidrógeno, sólo algunos otroselementos pueden estar presentesen los polímeros. El oxígeno y elnitrógeno algunas veces están enla cadena principal de losmismos, aunque también puedenincluirse en cadenas lateralesdonde el cloro y el flúor tambiénse incluyen con cierta frecuencia.Un polímero importante de

estructura un poco más complejaes el Nylon 6,6 cuya cadenaprincipal está constituida por doso más elementos, como se ilustraen la Figura 5. Éste material seutiliza comúnmente en laindustria textil.

Polímeros Termoplásticosy TermoestablesUn esquema de clasificación muyimportante en el campo de lospolímeros se basa en su respuestaal calor y a los disolventes.Aquellos polímeros quereblandecen y endurecenreversiblemente cuando seexponen al calor o se tratan conun disolvente apropiado sonllamados termoplásticos,mientras que aquellos que no lohacen se llaman termoestables. Los termoplásticos ytermoestables son especialmentecomunes en muchos compósitosreforzados, la Figura 6 muestratres tipos comunes de estructuraspoliméricas para ambos.

Los termoplásticos constan decadenas largas de moléculas quese comportan en un plástico demanera dúctil. Hay fuertesenlaces covalentes en laestructura de las moléculas, perono entre ellas; únicamenteenlaces secundarios mantienen alas cadenas juntas. De estamanera, es relativamente fácilperturbar su estructura (con

calor moderado o undisolventeapropiado) a pesar deque es muy difícilromper los enlacesinternos de la cadena.Ya que los

termoplásticos se puedenreblandecer, entonces pueden serrecalentados (o disueltos) yremoldeados o reformados. Portanto, los termoplásticos sonfácilmente reciclados. Algunospolímeros presentan unaimportante cristalinidad, es decir,forman arreglos de las cadenas enuna estructura ordenada yempaquetada. En un polímero, elgrado de cristalinidad es muyimportante, ya que determinapropiedades como resistencia,rigidez y densidad. Además, laorientación de los cristales confrecuencia gobierna ladireccionalidad y resistencia deun polímero.Los termoestables constan delargas cadenas moleculares queestán fuertemente entrecruzadasunas con otras para formar unared tridimensional, songeneralmente más resistentes quelos termoplásticos pero tambiénmás frágiles. Una vez curados, nopueden ser remoldeados sin

destruir el polímero. De estamanera, conservan su formaoriginal cuando son expuestos alcalor y son utilizados enaplicaciones que requieren ciertaresistencia a temperaturasmoderadamente altas, tales comoceniceros, platos, pistones parafrenos y conectores eléctricos yson más ampliamente utilizadosen compósitos, son poliésteres,que se combinan usualmente confibra de vidrio para elaborarcompósitos reforzados con fibra.Ejemplos de este tipo decompósitos se utilizan en losremos para botes. Paraaplicaciones en aeroplanos y/onaves espaciales, que requierencompósitos que puedan satisfacer

N—(CH2)6—N—C—(CH2)6—C

H

H

O

On

Figura 5. Estructura del Nylon 6,6.

(a) Termoplásticos Lineales PE, PVC, PS

(b)Termoplásticos cristalinos PE,poliamida (PA)

(c) Epoxy entrecruzado termoestable(EP), poliéster fenólico no saturado(UP)

Figura 6. Estructuras de Polímeros.

A6 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

una mayor demanda estructural,las resinas epóxicas son lascandidatas más viables. Dichasresinas termoestables son aúnmás resistentes que las resinaspoliéster.

Química de las FibrasSintéticasCasi todos los polímerosutilizados en aplicacionesestructurales están reforzadoscon fibras o con partículas. Enun compósito poliméricoreforzado con fibras, las propiasfibras proporcionan virtualmentetodas las características deresistencia a carga del compósito.Las que están hechas de carbonoo poliaramida (polímerosconformados por anillosaromáticos) son frecuentementeutilizadas en compósitos de altodesempeño, los cuales son a lavez muy resistentes y rígidos,pero muy ligeros.Las fibras de carbono producidassintéticamente, se obtienen apartir de precursores orgánicos ocompuestos intermediarios queposteriormente sontransformados en fibra decarbono. Los tres precursoresmás importantes son el rayonisotrópico, resinas liquido-cristalinas y poliacrilonitrilo(PAN), siendo éste último el máscomún.El proceso para convertir PAN enfibras de carbono involucra elestiramiento del precursor dePAN a alta temperatura paraorientar las fibras. Posterior alalineamiento las fibras de PAN seoxidan ligeramente paratransformarlas en un

termoestable. Finalmente sesometen a un tratamientotérmico a temperaturas en elintervalo entre 1000 a 3000 ºCen atmósfera inerte, con lo que seproducen fibras de carbono conalto módulo.Entre las fibras de poliaramidautilizadas para reforzarpolímeros, el Kevlar y otraspoliaramidas presentan excelenteresistencia y alta rigidez. Éstaspresentan tal resistencia que seutilizan como material reforzanteen chalecos antibalas. La Figura 7 muestra la estructuraquímica de una fibra depoliaramida. En ésta se puedeapreciar la estructura lineal deanillos aromáticos unidos porgrupos amida. Los grupos amidaestán a su vez unidos a través deenlaces secundarios entre átomosde oxígeno e hidrógeno decadenas adyacentes. La estructurade anillos aromáticos contribuyecon la alta estabilidad térmica,mientras que la configuraciónpara- permite la tenacidad yrigidez molecular, quecontribuyen con la altaresistencia y alto módulo. Lasfibras de poliaramida pertenecena una clase de materialesconocida como cristales líquidospoliméricos.

Debido a que estos polímeros sonmuy rígidos en solución, sepueden agregar para formardominios ordenados,característicos por suordenamiento longitudinal,paralelo respecto al eje de lasfibras. En contraste, lospolímeros convencionales, comoel nylon, el cual también presentaenlaces de hidrógeno lateralesentre los grupos amida, secaracterizan por el repliegue decadenas, desalineamiento yregiones cristalinas y amorfas,como se observa en el diagramacentral de la Figura 6.

Figura 7. Estructura de una Fibra de Poliaramida.

A7A p é n d i c e M i n i p e d i a

Los objetos elaborados por el hombrese diseñan para cumplir conpropiedades específicas, las cuales sonconferidas por el material del queestán hechos. Los de origen naturaltambién están hechos paradesempeñar funciones determinadas,que con frecuencia, en cierto grado,dependen del material de que estánhechos. Por ejemplo, el compósitoutilizado en la Actividad 4(poliestireno reforzado con papel) fuediseñado para mejorar la resistencia yla rigidez. La rigidez es unapropiedad física importante de losmateriales, que describe el intervalode elasticidad de un material.

Elasticidad de MaterialesEn el estudio de la elasticidad de losmateriales es útil pensar en resortes.Cuando se ejerce una fuerza sobre unresorte este se mueve, después deque se retira la fuerza este regresa asu geometría original. La propiedadque describe la elasticidad sedenomina constante del resorte, dichaconstante se abrevia como k y essiempre un número positivo. Éstarelaciona la fuerza ejercida y eldesplazamiento, de acuerdo con laEcuación 1, también conocida comola ley de Hooke.

Ecuación 1

En esta ecuación, F es la fuerza, k esla constante y x es el desplazamiento.La constante del resorte es la mismapara un resorte determinado,

independientemente de la cargaaplicada.Un resorte es sólo un ejemploespecial del comportamiento de unsólido elástico. La elasticidad es unapropiedad de muchas estructurassólidas. Si se grafica elcomportamiento del esfuerzo (fuerzaaplicada por unidad de área) y ladeformación (cambio porcentual en eldesplazamiento), se obtiene unacurva que representa la respuestacontinua de un material respecto a lafuerza aplicada, como se muestra enla figura 8.

La curva esfuerzo-deformación por logeneral tiene dos regiones distintas:una región elástica y una regiónplástica. En la región elástica, ladeformación aumenta en proporcióndirecta al esfuerzo aplicado (Ley deHooke).

Módulo de YoungLa pendiente de la región elástica dela curva esfuerzo-deformación (lalínea recta de la curva) en la Figura 8es una constante llamada módulo deelasticidad o módulo de Young,

Física y Compósitos

ESFU

ERZO

,

DEFORMACIÓN,

Región Elástica Región Plástica

Figura 8. Comportamiento esfuerzo-deformación deun material ideal.

Éste está definido por la ecuación 2.El módulo de Young es una constanteque varía para cada materialespecífico. Entre más rígido sea unmaterial más difícil será deformarlo ypor lo tanto, tendrá un mayor valorde módulo de Young. El cualdepende de las fuerzas de atracciónde un material y de otras condicionesquímicas. Algunos valores típicos semuestran en la Tabla 1.Una liga de hule es extremadamenteflexible (ya que su módulo de Younges muy bajo) debido a que las grandescadenas poliméricas que lo componenpueden ajustar su posición y formaunas con respecto de las otras.Cuando se tensa una liga de hule, losenlaces intermoleculares se desplazan,pero los enlaces interatómicospermanecen intactos. Este no es elcaso en materiales más rígidos. Lamayoría de ellos presentan estructuracristalina y para estirarlos esnecesario romper los enlacesinteratómicos, que son más fuertesque los intermoleculares del hule y

por ello más difíciles de romper. Elgran intervalo de valores del módulode Young se debe, por lo tanto, a lasgrandes diferencias en la fortaleza delos enlaces químicos presentes en losdiferentes materiales. Volviendo a la gráfica de la Figura 8,cuando pasa la región elástic unmaterial no recupera su formaoriginal aún cuando se retire la carga.Se alcanza tal deformación, que elmaterial se deforma plásticamente,muy similar a la masilla mostrandouna deformación permanente. Ladeformación plástica se produce poruna distorsión aun mayor del arregloatómico del sólido moviendo losdefectos del cristal a través del mismo(más bien similar al movimiento deun hilo al roperse en una media denylon).

Material

HulePlásticoPapelMaderaConcretoHuesoVodrioAluminioAceroZafiroDiamante

Módulo de Young(MPa)

71,4003,000

14,00017,00021,00070,00073,000

210,000420,000

1,200,000

A8 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Endeformació

esfuerzo ====εεσσ

Ecuación 2. Módulo deYoung.

Tabla 1. Valores Aproximados de los Módulosde Young de Sustancias Seleccionadas.

A9A p é n d i c e M i n i p e d i a

Cálculo del Módulo deYoung

Después de que los estudiantesrealicen la actividad del bloque deespuma de poliestireno, podráncalcular el módulo de Young de laprobeta. Utilice un dibujo o la gráficareal de la prueba de la viga envoladizo para introducir los términosutilizados en las ecuaciones de abajo.Enseguida, trabaje con el grupo paraderivar el módulo de Young. Así losestudiantes podrán utilizar sus datospara resolver la ecuación. Con la prueba de la viga en voladizo,la viga está sujeta a una cargaconcentrada P aplicada en el extremolibre, como se ilustra en la Figura 9.La viga tiene un módulo de flexión EIy longitud L, donde E es el módulode Young e I es el momento de inerciade la viga, respecto del eje donde sefija. La deflexión elástica máxima δδse puede expresar como:

Sustituyendo I en términos dedimensiones de la viga (para vigas

rectangulares, I=W * H3/12) en laexpresión anterior y rearreglando paraobtener el módulo de Young:

Ecuación 4.

PL3δ =

3EI

Ecuación 3.

E =4L3

WH3

P

δ

Física Actividades de Extensión

Figura 9. Viga en voladizo sujeta a una fuerzaconcentrada P.

δ

A10 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Los ingenieros que diseñan materialescompósitos varían sus diseños endiferentes formas. Pueden variar elmaterial de la matriz; el material derefuerzo y cómo y dónde se aplicanlos materiales de refuerzo. Debido aesta flexibilidad, los diseñadorespueden manipular las propiedadesmecánicas casi microscópicamente en

cualquier dirección de un compósito.Esta sección trata sobre algunos delos elementos con los que losingenieros trabajan en el diseño decompósitos.

Cómo se Refuerzan losMaterialesLos dos principales tipos de nuevoscompósitos que están diseñandoactualmente son compósitosreforzados con fibras y compósitoslaminares.

Compósitos Reforzados conFibrasPara los compósitos reforzados con

fibras, las variaciones en el diseño demateriales se puede lograrcontrolando longitud, diámetro,orientación, cantidad y propiedadesde las fibras, así como la interacciónentre la fibra y la matriz. Para lamayoría de los materiales se prefierenlas fibras largas, ya que incrementansu capacidad para resistir cargas adiferencia de las fibras cortas. Lamatriz en tales compósitosgeneralmente sirve como estructura ypuede proveer el control de laspropiedades químicas y eléctricas delcompósito. Típicamente, las fibrasreforzantes tienen mayor resistencia yrigidez que la matriz.

Compósitos LaminaresEn un compósito laminar, tal como laviga de la Actividad 4, frecuentementela matriz constituye la parte media delmaterial y los materiales reforzantesforman un sándwich con la matriz.La viga de espuma esestructuralmente débil, pero lasdelgadas hojas de papel proveenresistencia al compósito. Unadistribución ideal del esfuerzo detensión a través del compósito seilustra en la Figura 10. La cualdemuestra que las dos capas externasresisten la mayor tensión, resultandoun compósito más rígido y resistente.Para un material dado bajo flexión, elproducto EI describe la rigidez decurvatura, donde E es el Módulo deYoung (medida de rigidez delmaterial, ver La Física y losCompósitos) y donde I es elmomento de inercia. Para una vigacon una geometría rectangular quetiene una anchura b y un espesor t, elmomento de inercia está definido

Diseñando Compósitos

Viga de huleespuma

Fuerza Compresiva

Fuerza de Tensión

Esfuerzo

Figura 10. Distribución del esfuerzo a través del espesor de la viga durante laflexión.

Ts

Tm

Ts

σσ σσ

γγ

A11A p é n d i c e M i n i p e d i a

por la siguiente ecuación:

Ecuación 5.

La rigidez global de curvatura deun compósito tipo sándwich(utilizando los sufijos m para lamatriz de espuma y s para las doscapas reforzantes) se puededeterminar a través de lasiguiente fórmula:

Ya que el papel reforzante esmucho más delgado y tiene unmódulo relativamente más altoque la espuma, es posibleaproximar la ecuación anterior a:

De esta manera, la rigidezadicional se debe a lacontribución del mayor módulo

de tensión del papel reforzante.La espuma, que sirve comomaterial matriz simplementeprovee la estructura yconectividad entre las caras delas capas reforzantes. Elcompósito laminar resultante esuna estructura altamenteeficiente que es muy ligera,resistente y rígida.

DireccionalidadMuchos materiales tienendiferentes propiedades endiferentes direcciones. Esta

propiedad se denominaanisotropía. Por ejemplo,todos los tipos de cuerdas,desde muy finas, hastacables para embarcaciones,son rígidos sólo en ladirección longitudinal yaltamente flexibles en lasdemás direcciones.

La anisotropía puede observarseen un fran número depropiedades físicas, incluyendolas propiedades ópticas yeléctricas. Los materiales tambiénpueden ser anisotrópicos entérminos de resistencia y rigidez.Los polímeros y las fibras basadasen polímeros son usualmente

anisotrópicos debido a suorientación. Los ingenieros quediseñan compósitos confrecuencia aprovechan la ventajade la orientación preferencial delas fibras. Las cuales se orientanen los compósitos para ajustarsea una aplicación. Por ejemplo, enlas cañas de pescar, estánorientadas en la direcciónlongitudinal para incrementar laresistencia y la rigidez.La Figura 11 muestra losdiferentes modos en que lasfibras se pueden orientar. Cadaorientación de fibra tiene unfactor de eficiencia, ηη, asociadocon ésta. La resistencia delcompósito está dada por laEcuación 8, donde S es laresistencia a la tensión, V es lafracción del volumen de la fibra yun "factor de eficiencia". Lossufijos f, m y c denotan fibra,matriz y compósito,respectivamente.

De acuerdo a la Ecuación 8, si seasume que la matriz no tieneresistencia, entonces las fibrasorientadas unidireccionalmentedan al compósito mayorresistencia y rigidez en direcciónde las fibras; un arreglo ortogonalproduce un compósito de casi la

++

++++==

12tbE

2ttt

12tb2E

3m

m

2ms

s

3s

s

I = bt3/12.

((EEII))ccoommppóóssiittoo == 22EEssIIss ++ EEmmIImm

Ecuación 7.

((EEII))ccoommppóóssiittoo == ((ttss ++ ttmm ))22EEssttssbb

22

Figura 11. Efecto de la orientación de la fibra sobre la resistencia delos compósitos cuando se cargan en la dirección de la flecha

Aumento de la Resistencia

3/8 1/2 1

Ecuación 6.

A12 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

mitad de la resistencia del compósitocon arreglo unidireccional de lasfibras en dirección de la carga. Si las

fibras se arreglanisotrópicamente, la resistencia escasi 3/8 de la del compósitounidireccional. Este valor sereduce a 1/5 si la fibra se

arregla isotrópicamente en las tresdirecciones. Aunque las fibrasorientadas a 45 grados producen unaresistencia a la tensión relativamentebaja, son extremadamente efectivaspara resistir cargas de torsión, talescomo fuerzas de torsión o de corte. Las fibras cortas orientadas al azarutilizadas en el compósito de hielo enla Actividad 1 producen propiedadesrelativamente isotrópicas (igualespropiedades en cualquier dirección)en el compósito. Si se utilizancantidades iguales de dos fibrasreforzantes en dos materialescompósitos, el compósito con unarreglo isotrópico de las fibrasresistirá mejor la torcedura que elcompósito con las fibras arregladasunidireccionalmente. Pero elcompósito isotrópico no será enninguna dirección tan rígido como elotro cuando las muestras se sometana deformación por flexión. De esta manera, para diseñar uncompósito con resistencia a la cargamás eficiente, un ingeniero debe tenerun cuidadoso entendimiento de losrequerimientos de rigidez y lasdirecciones y magnitudes de la cargaprevistas para asegurar elalineamiento apropiado de las fibras.

AdhesiónEn la mayoría de los compósitos, lafibra es el principal constituyente deresistencia a la carga, mientras lamatriz provee soporte y transfiere la

carga a las fibras. Por lo tanto, se debemantener una buena unión de maneraque la carga esté propiamentedistribuida y se transmita de la matriza las fibras. Sin una buena unión, losmateriales compósitos pierdenresistencia y rigidez.

ConclusiónEn los compósitos, los ingenierospueden combinar materiales pococomunes y obtener resultadossorprendentes. Por ejemplo, el vidrioes generalmente conocido por sufragilidad. Pero también presentafuertes enlaces interatómicos, es muyligero y presenta buenas propiedadesaislantes. Los hilos de vidrio sepueden estirar y orientarcuidadosamente, de acuerdo a unplan preestablecido y aglutinar dentrode una matriz. El compósitoresultante se llama fibra de vidrio.Aunque la fibra de vidrio estácompuesta fundamentalmente devidrio no es de ninguna manera frágil.Es un compósito, rígido, resistente ala fractura y durable. Este ejemplomuestra cómo los ingenieros,manteniendo en mente el tipo, arregloy adhesión del material reforzante,trabajan en el diseño de compósitos.

Ecuación 8

A13A p é n d i c e M i n i p e d i a

Cuando un jugador de baseballgolpea una pelota, la pelota cambiatemporalmente su forma. Cuando unarquero dispara una flecha el arco sedobla y regresa a su forma originalcuando la ha liberado. La pelota debaseball y el arco son sólidos elásticosque almacenan energía potencialcuando se deforman. Cuando lafuerza deformante se remueve,regresan a su forma o posiciónoriginal, convirtiendo así la energíapotencial en energía cinética. Los artículos que almacenan energíaelástica se utilizan en diferentes tiposde deportes. También se puedendiseñar piezas de una rigidez máximapara usos deportivos. Mediante eldiseño de materiales compósitos semejora cualesquiera propiedades quese requieran. Los productores demateriales deportivos pueden ejercerun control detallado sobre la cantidadde fibras de refuerzo utilizadas en elcompósito. También pueden controlarla orientación de las reforzantes yutilizar combinaciones de diferentestipos, cada una con diferenteelasticidad y resistencia. Talflexibilidad en el diseño ha permitidoel desarrollo de artículos más ligeros,resistentes y rígidos para un mejordesempeño.

Salto deGarrochaLa introducciónde garrochasreforzadas confibra de vidrio harevolucionadoeste deporte.Antes de los años60s, lossaltadores nopodían alcanzarmás de 15 pies,utilizando equipohecho de bambú,aluminio oalgunasaleaciones deacero. Hoy endía, el uso degarrochas muy ligeras hechas de fibrade carbono, ha mejorado el recordmundial por encima de los 4.8metros.La garrocha es en esencia un resortetubular que se somete a una carga porimpacto cuando el atleta atora elextremo de abajo en la caja. En estemomento la energía cinética de lacarrera se convierte en energíarotacional, mientras la garrochapivotea y enseguida se convierte aenergía potencial elástica, que essuficiente para conducir al saltadorpor encima de la barra. Debido a queél trata de maximizar la energíacinética mediante una carrera lo másrápido posible, la garrocha necesitaser muy ligera. Pero tambiénsuficientemente flexible paratransmitir la energía elástica al atleta,y tan rígida para regresar la energía lomás rápido posible para que la puedasoltar.

Materiales Deportivos y Compósitos

Con garrochas hechas decompósitos, los atletasactuales hacen saltos 33 %más altos que los de 30años atrás.

A14 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Pero sobre todo, la garrocha no sedebe romper. Los compósitosreforzados con fibras de carbono sehan utilizado para fabricar garrochasque son de óptima ligereza,flexibilidad y resistencia.

EsgrimaAunque la esgrima se originó con laintención de herir en los duelos, hoydía la seguridad es el principal énfasisde las nuevas tecnologías. El Epée yel florete están hechos de un metalcompósito especial para prevenirdaños.El acero al carbono convencional quese utilizaba para fabricar espadaspresenta grandes problemas deseguridad para los esgrimistas. Porespecificación, las espadas se debendoblar lo suficiente pero no perder laelasticidad. Las espadas de acero alcarbono que podían cumplir con esterequerimiento, por desgracia, erantambién extremadamente frágiles. Serompían fácilmente. Esta fragilidadlas hacía muy peligrosas. Una espada podía sobretensionarse yromperse durante la competencia. Siesto llegaba a suceder, cualquierestocada con la espada dañada podíaperforar el equipo de protección deloponente, provocando serias lesiones.Ya que se rompían entre 50 y 100durante una competencia mundial,los riesgos de lesiones eran muy altos.Las nuevas espadas de compósitoutilizan fibras reforzantes para evitar

agrietamiento repentino y prevenir laocurrencia de fracturas catastróficas.El florete de compósito esesencialmente un ramillete dealambres de acero recubierto deníquel, los cuales se estiran y setratan térmicamente. Cuando seenfrían rápidamente, las zonas ricasen níquel forman secciones suaves ydúctiles, mientras que el alma de losalambres de acero los vuelveextremadamente duros. La Figura12a muestra una vista de la seccióntransversal del metal compósitoreforzado con fibras y la Figura 12bmuestra cómo el avance de una grietase detiene en la interfase. La Figura12c muestra que cuando una espadade compósito falla, ésta se deslamina(absorbiendo una gran cantidad de laenergía de deformación) pero no separte en dos. De esta manera, seobserva que raramente el extremodespuntado de la espada puede causardaño si está fabricada con materialescompositos.

Carreras en KayakLos kayaks ligeros y rígidos hechoscon materiales compósitos hanayudado a disminuir por variossegundos los tiempos de los recordsmundiales. Losnuevos kayaks estánconstruidos con unacombinación de telasde fibra de carbono yde poliaramidaembebidas en resinasepóxicas a altastemperaturas.

(a) sección transversal de metalcompósito que se usa en losfloretes de esgrima.

(b) detención de una grieta enla interfase con el metal delcompósito.

(c) falla de la hoja decompósito (arriba) y de unahoja convencional.

Los kayaks hechos decompósitos son más rígidosy por lo tanto más rápidosque los hechos de otromaterial.

Figura 12. Espadas deesgrima.

A15A p é n d i c e M i n i p e d i a

Estos kayaks sonextremadamente ligeros y muyrígidos. La rigidez ayuda adisminuir la pérdida de energíacuando el casco del bote seflexiona mientras se mueve através del agua.

Tiro con ArcoLa aplicación de innovaciones enmateriales para arcos ha llevadolos puntajes ganadores de cercade 1100 a 1300. Estos seaproximan cada vez más a los1440, que es el perfecto.El arco de madera había sido elestándar. Sin embargo, essensible a cambios detemperatura y absorbe humedaden climas cálidos o húmedos.Por lo tanto, a pesar de que lospermanecen rígidos y por ellodisparan rápido en clima frío,pierden rigidez y acumulanmusgo en climas cálidos. Desde mediados de los años 80s,se han fabricado arcos nuevoscon compósitos tipo sándwich,con un centro de espuma rígidaen el cual están embebidasdiminutas hojuelas de vidrio. Elcentro está recubierto por capasde fibras de vidrio y de carbono.El arco compósito no absorbehumedad, por lo tanto, sumanejabilidad es constante encualquier tipo de clima. Además,debido a que es más rígido queel madera, el compósito proveeun impulso mayor cuando sedispara la flecha ya que devuelvela energía elástica almacenadacuando se libera la tensión.

Cañas de PescarLas cañas de pescar modernas yde alta calidad son tubos huecosde materiales compósitos. Estaconstitución minimiza el peso yoptimiza la resistencia ysensibilidad. La construcción demuchas de ellas inicia con unacapa de fibras de grafito, unidasen espiral sobre un tubo huecode metal. Los espirales de fibracomienzan en la base del tubo yterminan en el extremo superior.Este espiral continuo de fibrasmejora dramáticamente laresistencia del cuerpo de la cañade pescar mediante ladistribución homogénea de lapresión en una gran área.Virtualmente elimina laposibilidad de colapso del tubo,lo cual puede ser un problemaen cañas mal diseñadas. Una segunda capa de fibras devidrio se coloca posteriormentesobre la capa inicial de grafito,orientada longitudinalmente enel eje de la caña de pescar. Estacapa ayuda a incrementar lasensibilidad debido a que lasvibraciones del pez se trasmiten

rápidamente en la dirección delas fibras de vidrio. Las fibrastambién incrementan laresistencia a la flexión global. En cañas de pescar muyespeciales, se coloca unatercera capa de fibras de grafitolongitudinalmente sobre lacaña. Esta tercera capaincrementa la resistencia yrigidez. El resultado final es

una pieza de equipo recreativo,en la cual la elección demateriales, la configuración delos mismos y la forma global,maximizan la resistencia ysensibilidad con un pesomínimo. Esta libertad de diseño no esposible con la mayoría de losmateriales unifásicos, incluyendometales y madera.

Raquetas de TenisLas raquetas de tenis modernasdeben su resistencia, rigidez ybajo peso a la ingeniería demateriales compósitos. Ver lapágina 17 para obtener másinformación acerca de laconstrucción de las raquetas detenis con materiales compósitos.

Los registros en tiro con arco se handisparado dramáticamente con el uso dearcos de compósitos.

A16 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Los materiales compósitos modernosse desarrollaron primeramente paracumplir con las demandas de laindustria aeroespacial. Elrequerimiento de materialesresistentes y rígidos pero al mismotiempo ligeros sumamente esencialesen todo tipo de nave aérea, ha sidoprogresivamente cumplido por loscompósitos. La reducción en peso esla principal razón de la altapopularidad de estos materiales.

Importancia de la Reducciónde PesoEn ninguna otra actividad el pesojuega un papel tan crítico como en elvuelo. Un simple balance de energíademuestra porqué. Para cualquier tipode aparato que vuela, impulsado porcualquier tipo de motor, la potencianecesaria para volar P es igual al pesode la nave W multiplicado por suvelocidad de descenso w:

La velocidad de descenso estátambién relacionada con la carga delala de la nave, es decir, el peso de lanave dividido por el área del ala A:

Por lo tanto, una máquina voladoracaerá más lento si cada unidad deárea del ala tiene menos peso quesoportar. A partir de esas dos

ecuaciones, es evidente que los dosprincipales requerimientos para unamáquina voladora son alta potencia ybajo peso.

Nave Impulsada por laFuerza HumanaEl impacto de los compósitos esespecialmente significativo en losaeroplanos impulsados por la fuerzahumana, donde el esfuerzo del pilotolimita la potencia del aeroplano. De laEcuación 10 es claro que el pilotoenfrenta un requerimiento crítico: elaeroplano debe tener una envergaduratan grande como sea posible y ser almismo tiempo muy ligero. Con laayuda de la tecnología de losmateriales compósitos, el triunfosobre cualquier miedo de volar connuestra propia potencia quedóclaramente demostrado en un retolanzado por el ingeniero BritánicoHenry Kramer en 1978: diseñar unaeroplano impulsado por la fuerzahumana capaz de permitirle a unapersona cruzar el Canal de LaMancha.

Volando a Través del Canalde La ManchaEl sueño de poder volar únicamentecon nuestra propia potencia duranteun período de tiempo sostenido hasido siempre un objetivo equívoco. Alo largo del Siglo XX, a pesar de quelos poderosos aviones propulsadospor motores de gasolina se hicieronalgo común, muchas personas aúnenfocaban su energía creativa en elvuelo sostenido por energía humana.Por décadas, se han realizadoprogresos continuos.

Aeronaves y Compósitos

P = W * w

Ecuación 9. Balance de energía para el vuelo.

Ecuacion 10. Relación entre la energía y la cargadel ala.

-PP == WW ** WW

AA

A17A p é n d i c e M i n i p e d i a

Motivado por una variedad depremios, el vuelo impulsado porfuerza humana ha mejorado susrecords, desde aquel impuesto porGabriel Poulain de 40.23 pies (12.3m) establecido en 1921, hasta el delprofesor Kimura en 1976 con unrecord de 6,868.75 pies (2,093.9 m)de vuelo recto. En 1977 el CondorGossamer de Paul MacCreamer, ganóel reto lanzado por Henry Kramer en1960, al cumplir un circuito, enforma de 8, de 1.15 millas (1.85 km)en 7 minutos y 27.5 segundos. Estefue el primer vuelo controladoexitoso impulsado únicamente porenergía muscular humana.El siguiente año, Kramer lanzó unreto aún más formidable: cruzar elCanal de La Mancha. La distancia demás de 22 millas (35 km) sobre marabierto entre Inglaterra y Francia, ibamás allá del alcance de cualquier naveimpulsada por un hombre en la épocaen que se ofreció el premio. Parapedalear la distancia a través delcanal, los competidores tenían quepresentarse con diseñosdramáticamente renovados para susnaves. La clave de su éxito fue laincorporación de materialescompósitos.Se utilizaron compósitos poliméricosreforzados con fibras de carbono(PRFC) para construir una nuevanave que tenía cerca de la mitad de ladensidad y seis veces la resistencia delos armazones de aleación dealuminio. Debido a esta remarcablerelación resistencia / peso, loscompósitos PRFC son materialesparticularmente apropiados para esetipo de aeroplanos. Utilizando unacombinación de PRFC con aleacionesde aluminio, se construyó una navehíbrida extremadamente resistente

llamada Albatros de Gossamer, conuna envergadura de 96 pies (29.2 m).Bajo las alas se encuentra un armazónde bicicleta modificado, conectado ala propela. El Albatros pesaúnicamente 55 libras, menos de lamitad del peso de su piloto. En Juniode 1979, Bryan Allen, unexperimentado ciclista, condujo alAlbatros de Gossamer a través delCanal de La Mancha en 2 horas y 49minutos. Esto marcó el vueloautoimpulsado más largo jamásrealizado. El record de vuelo a rompercubre más de 35 millas (56 km). Estefue un triunfo tanto para la tecnologíade materiales como para este tipo decompetencia.

AeroplanosLos materiales compósitos utilizadosen la industria de las naves aéreasincluyen matrices de resinas epóxicasreforzadas con fibras o filamentos. Lasfibras más comunes son las fibras decarbono, de poliaramida y de vidrio,solas o combinadas.

Figura 13. Vuelo del Albatros Gossamer endirección de las costas de Francia.

A18 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

La gran resistencia y rigidez de estoscompósitos puede diseñarse parasituaciones de carga carga, en lascuales el peso se reduce a un mínimo,debido a que se utiliza poco materialen el reforzamiento estructural. Comoresultado se obtienen componentesresistentes y ligeros que las navesaéreas cumplan con las demandascombustible-eficiencia que esetransporte requiere.Los ingenieros de la NASA handemostrado que la ventaja del peso delos compósitos se traduce como unincremento en la relación carga-ganancia o una reducción del gastoempleado en combustible. Porejemplo, si un avión comercialredujera un 25 % de su peso ahorraría1300 galones de combustible en unvuelo en una sola dirección de costa acosta a través de los Estados Unidos.Muchos jets utilizan componentescompósitos para reducir costos ylimitar el consumo de combustible.

Por ejemplo, del peso total estructuralde una nave Boeing 737-300, cercadel 3 % está constituido pormateriales compósitos. La Figura 14muestra los componentes de unaeroplano comúnmente fabricadoscon compósitos. Los componentesindividuales hechos de compósitosson 20 a 30 % más ligeros que suscontrapartes convencionales. Lasnaves aéreas comunes tales como elBoeing 757 y 767 y el Airbus A310emplean cerca de 3000 libras decomponentes compósitos. El uso demateriales compósitos continuaráincrementándose tanto en lasaeronaves subsónicas como en lassupersónicas.Estos materiales presentan una altarelación resistencia / peso, una altarelación rigidez / peso, buenadurabilidad y alta tolerancia al daño,haciéndolos superiores sobre casitodos los demás materiales utilizadoshoy día en diversas áreas del diseñode naves aéreas.

TimónExtremidadesEstabilizadoras

Paneles Fijos

Elevadores

Placas Selladas

Enlace del Ala al Cuerpo

Alerones Externos

Alerones Internos

InterceptoresAerodinámicos

Paneles Fijos

Puertas del Trende Aterrizaje de

la NarizPuertas del Tren deAterrizaje Principal

Componentes Exterioresdel Motor

A19A p é n d i c e A c t i v i d a d e s d e E x t e n s i ó n

El módulo de Compósitos incluyemuchas oportunidades para que losestudiantes apliquen conceptosmatemáticos, mientras participan enlas actividades y en los proyectos dediseño. Los maestros de ciencias ymatemáticas pueden colaborar en lasactividades o un maestro dematemáticas puede adaptar alguna deéstas como demostración y despuésproveer al estudiante datos paramanipular. La Actividad 4, elProyecto de Diseño 1 y la Actividadde Extensión 2 funcionan bien paraeste propósito. A través de todas lasactividades en el módulo deCompósitos, los estudiantes estánexpuestos a las aplicacionesmatemáticas del mundo real que loscientíficos e ingenieros se encuentrantípicamente.Se incluyen ideas cortas y sencillas(para maestros de matemáticas) en lasnotas adjuntas para algunasactividades. A continuación sepresentan varias actividades más en laextensión de matemáticas, que losmaestros pueden introducir en clase oasignar como tarea.

Diseño de un Modelo deCaña de Pescar MedianteEscalamiento de un PrototipoEn el Proyecto de Diseño 1, losestudiantes construyen un prototipode una caña de pescar. Para realizarlos modelos a escala real a partir desus prototipos, en la siguienteactividad de extensión dematemáticas, se examinarán algunasde las dificultades que los ingenierostienen que resolver cuando escalan un

prototipo de caña de pescar. Lafórmula para el módulo de Young es:

Donde δδ es la deflexión, W es lacarga aplicada, L es la longitud delmaterial desde el soporte a la carga, Ees el módulo de Young para elmaterial utilizado (una constante paracada material) e I es el momento deinercia. (Para más información sobreel módulo de Young consulte Física yCompósitos, Págs. A7 y A8) Losalumnos pueden utilizar la fórmulapara el módulo de Young paracalcular la deflexión. La ecuaciónque ellos deberían derivar se muestraen la Ecuación 2.

Después de que hayan derivado estaexpresión, pregúnteles si se imaginansi el modelo a escala real de uno desus prototipos, es probable queresulte en una caña de pescarutilizable.Deben incrementar la longitud (L)por un factor de 15, el peso (W) porun factor similar y el momento deinercia (I) por un factor de casi 3.Ellos deben notar que la deflexión semultiplica por un factor de miles odecenas de miles.

Matemáticas

Actividades de Extensión

E = L3W3Iδδ

Ecuación 1.

δδ = WL33EI

Ecuación 2.

A20 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Motive al grupo a observar que suprototipo hecho con un popote deplástico no producirá un modelo aescala real útil. Ayúdeles a entenderque para hacer una caña de pescarrazonable de tamaño real, deberían

fabricarla con un material que tuvieraun módulo de Young, miles o decenasde miles de veces mayor que el de unpopote de plástico.Relacionado con la última actividad,puede pedir que prueben diferentesnúmeros para L y graficar δδ comofunción de L. Ellos verán que lagráfica no es una línea recta. Ustedpodría pedirles utilizar númerosnegativos para L para aprender sobrela gráfica de una función cúbica.

Análisis Costo/Beneficio deGarrochas Fabricadas conDiferentes MaterialesEn este módulo aprenden acerca dediferentes compósitos utilizados enartículos para deportes, como engarrochas. Los alumnos puedenaplicar diferentes conceptosmatemáticos para seleccionar la

garrocha con la mayor relación costo-beneficio, utilizando la informacióndada en la Tabla 2.En la Tabla 2 se enlista informaciónacerca de diferentes materialesutilizados en garrochas. En laevaluación del desempeño, losestudiantes necesitan considerar tantodesempeño como costo. Debe tener elmenor peso para una relación dada larigidez del resorte (ver W/δδ en laEcuación 6) la mejor durabilidad y elmenor costo (materias primas máscosto de fabricación). La Tabla 2proporciona algunos de losparámetros pertinentes para cuatroposibles materiales.Asumiendo que tendrá una seccióntransversal tubular delgada en la cualson constantes la longitud L y eldiámetro 2r pero el espesor de lapared t se puede variar, la masa estádada por la Ecuación 3.

Ecuación 3.La dimensión variable de la seccióntransversal t se convierte en:

Ecuación 4.donde ρρ es la densidad del material.Debido a que el momento de inercia

es ππ r3 t para una sección transversaltubular,

Tabla 2. Comparación deMateriales Candidatospara Fabricar unaGarrocha de Salto.

t=M

2 ππ r L ρρ

M = 2 ππ r t L ρρ

Densidad Módulo Costo Fl Después

Material ρρ E Unitario ρρ de 106

(Kg. m-3) (GPa) ($t1) ciclos (MPa)

Acero de baja 7800 200 210 320aleación

Aleación de 2796 73 2500 200Aluminio 2014

Resina epóxica 1997 56 5000 300Reforzada

Resina epóxica 1661 138 130,000 530reforzada con fibra de carbono

A21A p é n d i c e A c t i v i d a d e s d e E x t e n s i ó n

la deflexión se vuelve:

Ecuación 5.donde C es una constante numéricarelacionada con la colocación de lacarga relativa a un punto fijo de viga.Rearreglando las ecuacionesanteriores, los estudiantes puedenobtener una expresión para la masaM:

Ecuación 6.Asumiendo que los parámetros L y rse fijan por el fabricante, la masa esdirectamente proporcional alparámetro del material (ρρ /E) parauna garrocha dada con relaciónrigidez del resorte (W/δδ ). El costo dela materia prima está por tantorelacionado con el parámetro pρρ/E,donde p es el costo de la materiaprima por unidad de peso. El tercer parámetro del material aconsiderar es la resistencia específicade duración. Esta está definida comola resistencia de duración (FL)

después de un millón (106) de ciclosde usos repetidos divididos por ladensidad. Note que FL está dado en laTabla 2.Para los tres parámetros listadosabajo, se podrá utilizar la informaciónde la Tabla 2 para realizar los cálculosrequeridos. Con base en estainformación, podrán evaluar la mejorelección para el material de lagarrocha.

a) Cuál es la garrocha más ligera(equivalente al cálculo ρρ/E).b) Cuál es la más económica (que secalcula como pρρ/E).c) Cuál es el material más durable(arriba de un millón de usos, para serexactos, mediante el cálculo de FL/ρρ )La Tabla 3 proporciona las respuestaspara los materiales listados en laTabla 2.Después de que se hayan terminadosus cálculos, deberán escribir unresumen, nombrando al material queellos piensan que sería la mejorelección para la garrocha de salto ydescribir por qué consideran que esematerial es el mejor.

Tabla 3. Evaluación de la Masa, Costo y Durabilidad de Garrochasde Salto.

δδ ==CWL3

E ππ r3 t

Masa ρρ /E Costo ρρ ρρ /E Duración FL/ ρρMaterial (10-7 m-1) (10-4 $ t-1 m-1) (10-3 m)

Acero de baja 3.83 0.8 4.18 aleación

Aleación de 3.76 9.38 7.29 Aluminio 2014

Resina epóxica 3.5 17.5 15.31Reforzada

Resina epóxica 1.18 153.4 32.53 reforzada con fibra de carbono

Utilice esta actividad de extensión cuando losestudiantes hayan terminado la Actividad 4 o siestán teniendo problemas para generar ideaspara reforzar sus cañas de pescar en el Proyectode Diseño 1.

Resumen de la ActividadLos alumnos prueban diferentes arreglos de cintareforzante, para aprender cómo la orientaciónde los reforzantes puede afectar la rigidez de uncompósito cuando éste se flexiona o tuerce.

Copias para los EstudiantesFotocopie la parte superior de las páginas A22 yA23 a 129% de aumento en hojas de papel de8.5” x 11” para tener una versión completa de laactividad de extensión para los estudiantes.

Conduciendo la Actividad• Lleve una muestra de triplay para mostrarla.

Deben notar en la hilada cómo las hojas

están acomodadas en ángulos rectos cuando

observan una sección transversal.

• Pida mantener las preguntas en mente mientras

realizan la actividad. Para reforzar las habilidades

de estudio, puede sugerir que escriban esas

preguntas en sus cuadernos.

El triplay se produce colocando capas de hojas de maderadelgada. La resistencia y rigidez de los paneles de triplay sedeben al aglutinamiento de las capas, alineando cada capaen diferente dirección. ¿Qué ventaja crees que tenga laalineación de las capas en diferente dirección?

PrediccionesLos dibujos de abajo muestran los tres modos de cómo lasfibras se pueden arreglar en un material compósito. Imaginaque tienes tres muestras de compósito con las fibras

acomodadas como se ilustra. Haz una predicción de larigidez relativa de las muestras de compósito si las doblas,clasificándolas de la más rígida a la más flexible. ¿Cómocambiaría tu respuesta si la prueba fuera torcer en vez dedoblar? Menciona las razones para tus predicciones.

Procedimiento, Datos y Observaciones

• Consigue 3 a 6 muestras de espuma plana con medidasde 17.5 cm x 5 cm x 1 cm (7 pulg. x 2 pulg. x 0.5 pulg.)y 3 a 6 m de cinta reforzante.• Piensa en formas de usar la cinta para reforzar las vigasde espuma aplicando la cinta en la superficie superior, en lasuperficie inferior o en ambas superficies. Propón un diseñoque pienses que producirá la viga más rígida cuandointentes doblarla o cuando trates de torcerla. Tus diseñosdeberán incorporar no más de 1 m de cinta reforzante de 2cm de ancho para cada viga.• Dibuja o describe tus diseños. Explica por qué piensasque cada viga funcionará apropiadamente para resistirflexión o torcedura, y predice cuál de ellas será la másrígida cuando se flexione o se tuerza.

A22 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

1 A c t i v i d a d d e E x t e n s i ó n U n o

1 Orientando Capas de Fibras para Refuerzo

Piensa en estas preguntas mientras completas esta actividad: ¿Cómo trabaja la orientación de las capas de un materialpara hacer un compósito rígido?¿Qué orientación de las fibras hace a un compósito másrígido cuando se flexiona? ¿o cuando se tuerce?

Al azar Ortogonal Unidireccional

Seguridad

Discuta aspectos de seguridad que sedeben conocer:

• Salto de piezas de espuma si la

muestra se rompe.

• Caída de pesos suspendidos.

• Aspectos de seguridad que pueden

ser de particular importancia en

clase.

• Precauciones que pueden observar

para mejorar su protección, tales

como utilizar lentes de seguridad o

zapatos cerrados.

GUÍA DE PLANEACIÓN

1Actividad de

Extensión

Objetivo

Mostrar cómo la

orientación de las fibras

de refuerzo afecta la

rigidez de un material

compósito.

Agrupación

Sugerida

Grupos de 2 a 4

estudiantes

Tiempo Estimado

• 15 a 35 minutos

• Haz tus diseños para el refuerzo de las vigas

•Evalúa la rigidez o la flexión de cada viga utilizando la

prueba de flexión a mano de la Parte A de la Actividad 4.

Registra en una tabla de datos simple. Califica las vigas de la

más rígida a la más flexible.

• Evalúa la resistencia a la torsión para cada viga, colocando

una mano en cada extremo y trata de torcerla. Califica las

vigas de la más rígida a la más flexible.

Reflexiones1. ¿En qué se diferencian los resultados con las predicciones

que hiciste sobre los compósitos hipotéticos cuyos dibujos

aparecen al principio de la actividad? ¿Crees que las razones

que diste para tus predicciones son válidas? Si es así, ¿Qué

observaciones apoyan tus ideas? Si no, ¿Qué otras ideas

tienes y cómo tus observaciones soportarían esas ideas?

En resumen2. ¿Por qué crees que agregar cinta a la viga modificó

la rigidez con respecto de como era?

3. ¿Te sorprendió alguno de los resultados con las vigas que

diseñaste?

4. ¿Cómo difirió la orientación de la cinta en la viga más

rígida cuando la flexionaste, en comparación con la más

rígida cuando la torciste? ¿Qué ideas tienes para explicar por

qué sucedió?

¿Cómo utilizarías la informaciónobtenida en esta actividad, si

estuvieras tratando de diseñar un material compósito para un

trampolín de clavados o para una caña de pescar? ¿Qué

orientación reforzante podrías tratar para cada uno de esos

objetos y por qué?

A23A p é n d i c e A c t i v i d a d e s d e E x t e n s i ó n

onexión con el DiseñoCC

Materiales (por grupo)• 6 vigas de espuma de poliestireno

(aislante) cortadas a una medida de 7

pulg. x 2 pulg. x 0.5 pulg.

(Nota: este es el mismo material utilizadoen la Actividad 4, la diferencia es que lasvigas de espuma son ligeramente másanchas. Las placas de espuma aislante sevenden en cualquier ferretería o entiendas de materiales para construcción).

• 6 metros de cinta reforzante de 2 cm deancho, como la cinta para empaque.

• Tijeras.

• Papel y lápiz.

Si los estudiantes desean hacer la pruebade viga en voladizo para evaluar la rigidez:

• 1 abrazadera o sargento; se puedeconseguir en el taller de carpintería de laescuela, en ferreterías o tiendas paramanualidades.• 4 o más pesas (objetos) de 50 a 500 g;las pesas con ganchos serán más fáciles demanipular. Como alternativa, puede darun pequeño plato o copa que puedan

suspender de la viga con una cadena ohilo. O bien, pueden colgar de la vigauna balanza de resorte.

• 2 reglas en centímetros.

• Resorte (aprox. 20 centímetros).

• Tachuelas.

Predicciones• Fomente la discusión de laspredicciones en la clase y la aportación derazones para emitir sus conclusiones.

Previsión de DificultadesPuede pedir que hagan una muestra extrade cada uno de sus diseños, para en casode que sus muestras originales se rompandurante la manipulación o prueba de laviga en voladizo.

Procedimiento, Datos yObservaciones

• Se puede hacer la prueba de flexiónmanual o la prueba de la viga en voladizo,dependiendo del tiempo disponible pararealizar esta actividad. La prueba deflexión manual tomará menos de cincominutos. La prueba de la viga en voladizotomará alrededor de 20 minutos.• Advierta no flexionar sus vigas hasta elpunto de romperlas, de manera quepuedan utilizarlas nuevamente para laprueba de torsión.• Mientras prueban las muestras, pidaseñalar el punto donde se aplican lasfuerzas de compresión y de tensión.• Demuestre cómo torcer la viga. Para unamáxima torsión, mantenga sus manos tancerca como sea posible a los extremos dela viga.

2 A c t i v i d a d d e E x t e n s i ó n U n o

A24 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Reflexiones

1. Las predicciones pueden diferir de lasiguiente clasificación. Acepte todas lasrespuestas que muestren que hanpensado en cómo las fibras puedencontribuir a la rigidez de flexión y detorsión. La categorización del másrígido al menos rígido con respecto a laflexión es: unidireccional, ortogonal y alazar. En la clasificación para la torsiónde la más rígida a la menos rígida es: alazar, ortogonal y unidireccional.

En resumen2. En forma similar al refuerzo del papelde la Actividad 4, la cinta reforzanteayuda a soportar el esfuerzo aplicado a laviga, ya sea en la forma de flexión otorsión. El resultado es una viga másrígida y más resistente.3. Algunos podrán sorprenderse de queel arreglo unidireccional de las fibrashaya producido vigas más rígidas a laflexión y el arreglo al azar produzcavigas más rígidas a la torsión. Aceptetodas las respuestas que muestren quehan planteado sus resultados y tratan deentender las razones para talesresultados.4. En la flexión pura todas las fibras enel arreglo unidireccional contribuyen aresistir la carga, mientras la mitad de lasfibras en el arreglo ortogonal resisten lacarga en la flexión y aun menos fibras enel patrón al azar contribuyen a laresistencia del compósito a la flexión.En la torsión, es probable que la carga setuerza a un ángulo de ±45º. Por tanto,el arreglo al azar tiene una mayorproporción de fibras resistiendodirectamente la carga de torsión que enlos otros arreglos. Acepte otrasrespuestas que muestren que han

captado cómo las fibras pudierancontribuir a la rigidez de la viga cuandoésta se flexiona en comparación a cuandose tuerce.

Mientrastratan de contestar esta pregunta, refuercela idea de que los ingenieros que diseñancompósitos con frecuencia orientan loselementos reforzantes, para adaptar laaplicación. La siguiente información puedeayudarle a guiar la discusión sobre laaplicación de los materiales compósitos entrampolines y cañas de pescar.

En un trampolín la mayor parte de la cargaestará flexionando el trampolín cuando elclavadista rebota en el extremo. Ademásdeberá estar uniformemente rígido paraprevenir la ruptura como resultado de lacarga al pisar o al torcer. De esta maneraun refuerzo unidireccional preferencial encombinación con un arreglo al azar parauniformar la rigidez sería el compósitoideal.

Comercialmente, un trampolín se fabricaprobablemente de un compósitopolimérico reforzado al azar con pedaceríade fibra de vidrio. En el caso de una cañade pescar tubular, el esfuerzo en la seccióntrasversal circular requiere refuerzo en unángulo de ±45º. Para la sensibilidad de lacaña, debería adicionarse también un pocode rigidez en la dirección a lo largo del ejede la misma, así, las fibras necesitantambién estar orientadasunidireccionalmente en la direcciónlongitudinal.

Para Maestros deMatemáticasLos estudiantes puedeninvestigar cómo ladireccionalidad del refuerzoafecta tanto la rigidez a laflexión como la rigidez a latorsión. Podrían acomodar lacinta de refuerzo en ángulosde 0º, ±30º, ±45º, ±60º, ±90º ocualquiera de estascombinaciones.

onexión con el DiseñoCC

Puede utilizar esta actividad de extensióndespués de que los estudiantes hayancompletado la Actividad 4; será de utilidadmientras idean la geometría de sus cañas depescar en el Proyecto de Diseño 1 o si necesitanayuda para entender por qué una caña depescar tubular no es tan rígida como lo es unasólida.

Materiales (por grupo)• Un conjunto de diferentes tipos de mezcladores

de café.

Copias para los EstudiantesFotocopie la parte superior de las paginas A 25 yA 26 a una aumento de 129% en hojas de papelde 8.5” x 11” para contar con una versión detamaño completo de esta actividad de extensiónpara sus alumnos.

Conducción de la actividad• Pida mantener las preguntas en

mente mientras realizan la actividad. Para

reforzar las actividades de estudio, puede sugerir

que las apunten en su cuaderno.

Predicciones •Permita discutir diferentes factores que puedan

afectar la rigidez del mezclador de café o su

flexibilidad. Pueden considerar materiales, masa,

espesor y la sección transversal de cada uno.

• Propicie que discutan sus predicciones y susrazones para hacer tal clasificación.

GUÍA DE PLANEACIÓN

Si has tomado una clase de geometría, tal vez te habráspreguntado "¿a alguien le habrá servido esto alguna vez?".¡Sorpresa! A ti te servirá, mientras examinas diferentes tiposde mezcladores de café y los pruebas para ver cuál es el másrígido.

Predicciones Consigue un conjunto de diferentes tipos de mezcladores decafé y obsérvalos cuidadosamente. Con base en la meraapariencia ¿Cuál crees que será el más rígido? ¿Y el másflexible? ¿Cómo clasificarías de antemano el conjunto? Discutetu clasificación con tus compañeros y apunta las razones paratus predicciones.

Prepara una Tabla de Datos para Registrar:• Dibujo de la sección transversal de cada mezclador.

• Clasificación esperada en cuanto a la rigidez.

• Clasificación real relativa a la rigidez.

• Masa.

• Longitud.

• Masa por unidad de longitud.

• Cualquier otra observación que tengas sobre los

mezcladores.

Procedimiento, Datos y Observaciones• Dobla cada uno de los mezcladores con la mano para

probar su rigidez. Registra tus observaciones en la tabla de

datos.

• Trata de flexionar el mezclador tomándolo de los extremos.

Registra tus observaciones.

• Registra la masa y la longitud de cada objeto en tu

tabla de datos.

A25A p é n d i c e A c t i v i d a d e s d e E x t e n s i ó n

1 A c t i v i d a d d e E x t e n s i ó n D o s

Objetivo

Mostrar cómo afecta la

geometría de un

mezclador de café a su

rigidez

Agrupación

Sugerida

Grupos de 2

estudiantes

Tiempo Estimado

• 10 a 20 minutos

2 Examinando la Geometría de un Mezclador de Café

Contesta las siguientes preguntas mientras realizas estaactividad:¿Cómo influye la forma de un objeto en su rigidez?¿Cómo influye la masa de un objeto en su rigidez?

¿Cómo podrían influir estosfactores en el diseño de un objeto especifico?

Seguridad

Discuta aspectos de seguridad que sedeben conocer:

• Proyección de piezas de plástico si

se rompe un mezclador.

• Lesiones en los ojos o la piel

ocasionadas con los mezcladores tales

como cortarudas o punciones.

• Aspectos de seguridad que pueden

ser de particular importancia en

clase.

• Precauciones que pueden observar

para mejorar su protección, tales

como utilizar lentes de seguridad.

onexión con el DiseñoCC

▲

Resumen de la ActividadDoblan diferentes mezcladores de café y losclasifican de acuerdo a su rigidez.

2Actividad de

Extensión

Procedimiento, Datos yObservaciones

Haga que sus estudiantes relacionen larigidez de los mezcladores de café con laforma geométrica de la sección transversalde cada uno. Ellos deben notar si eshueco o sólido y qué forma tiene. Algunospueden tener un conjunto de seccionestransversales, circulares, cuadradas,ovaladas, rectangulares, triangulares, formade ocho o forma de I. La rigidez variarádependiendo de si se dobla en formalongitudinal o transversal.

Reflexiones1. Acepte todas las respuestas queindiquen que los estudiantes hancomparado sus predicciones y susresultados e ideado factores que se puedanconsiderar para cualquier diferencia.

2. Podrían sorprenderse de que elmezclador de café con forma de ocho desección transversal es más flexible que elhueco con sección transversal circular uoval. Acepte cualquier otra respuesta quepresenten y motívelos a compartir por quése sorprendieron con los resultados.

En resumen

3. Los mezcladores de café que son tuboshuecos son más flexibles que aquellos queson sólidos. Sin embargo, de entre lostubos sólidos los que tienen su masadistribuida lejos del eje central tienden aser más rígidos que los de masa distribuidacerca del eje central.

4. Para los agitadores de café congeometría de sección transversal similar,entre mayor sea la masa por unidad delongitud mayor será su rigidez. Esto noserá necesariamente cierto para los quetienen diferente geometría. De entre losque nosotros utilizamos, que fueron: desección transversal circular, de formacruzada y de forma de ocho; el circularhueco es el más ligero, cerca del 30%,siendo también el más rígido simplementedebido a su distribución de masa másamplia.

Mientrasmás alejada

esté la masa respecto al eje central, mayorserá su inercia rotacional o resistencia a larotación, por ello será mayor su rigidez.Asumiendo que se está trabajando con unmaterial uniformemente rígido, si se deseauna flexibilidad mayor se debería tratar dereducir la masa por unidad de longitud odisminuir la sección transversal o ambas ala vez, como se hace para una caña depescar real.

A26 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Reflexiones1. ¿Cuál es la diferencia entre tus resultados y tuspredicciones?2. ¿Encontraste algo sorprendente acerca de losmezcladores y la forma en que se doblan?

En Resumen3. ¿Cómo se relaciona la forma de cada mezclador con surigidez? 4. Calcula la masa por unidad de longitud de cada uno yregístrala en la tabla de datos. ¿Cómo se relaciona estacifra con la rigidez?

¿Puedes usar esta informaciónsi estás tratando de diseñar una caña de pescar concapacidad de flexión limitada?

onexión con el DiseñoCC

onexión con el DiseñoCC

2 A c t i v i d a d d e E x t e n s i ó n D o s

Preparación Anticipada Necesitará uno o más dispositivos de balines yanillo para probar la resistencia de las muestraspreparadas en esta actividad. Para obtener losplanos e instrucciones generales para fabricareste dispositivo, escribe o llama a:Coordinador del programaMaterials World ModulesNorthwestern University 2115 North Campus Drive Evaston, IL 60208-2610 (847)467-2489e-mail: mwm@nwu.edu

Nota de seguridadDebido a que el catalizador para curar la resinapolimérica desprende gases (especialmente si seestá trabajando con poliésteres), asegúrese querealicen el curado de la resina en un áreaventilada o de preferencia con campana deextracción.

La mayoría de los compósitos que has realizado en estemódulo no tienen usos comerciales. Pero puedes fabricar uncompósito muy similar a los materiales utilizados en algunosproductos comerciales. Este compósito se compone de unaresina polimérica, puede ser epóxica o poliéster y capas defibra de vidrio.

PrediccionesLee el procedimiento descrito en la Parte A para fabricar undisco polimérico con y sin refuerzo de fibra de vidrio. ¿Quédisco piensas que será más resistente? Explica tu predicción.

Consigue los siguientes Materiales:• Guantes de plástico o quirúrgicos.

• Lentes de seguridad.

• Marcador negro.

• Tela de fibra de vidrio.

• Tijeras.

• Balanza o báscula con pesas.

• Resina epóxica o poliéster y catalizador (endurecedor).

• Instrucciones para mezclar resina epóxica o de poliéster

• Taza para medir.

• Brocha de 1 pulg. (2 cm).

• 2 cuadros de película de polietileno pesado, de 8 a 10 cm2.

A27A p é n d i c e A c t i v i d a d e s d e E x t e n s i ó n

GUÍA DE PLANEACIÓN

Objetivo

Mostrar cómo la fibra

de vidrio hace más

resistente un disco de

resina polimérica.

Agrupación

Sugerida

Grupos de 3 ó 4

estudiantes

Tiempo Estimado

2 clases. Durante la

primera clase, el

estudiante fabrica el

disco. El disco se

cura durante la

noche. En la segunda

clase el estudiante

prueba la resistencia.

3 Fabricación de un Compósito Usando un Polímero Reforzado con Fibra deVidrio

Analiza las siguientes preguntas mientras completas esta

actividad:

¿Cuáles son las propiedades de la fibra de vidrio?

¿Cuáles son las propiedades de las resinas polimérica,

epóxica y poliéster?

¿Cómo afectan las capas de fibra de vidrio a la resistencia

de un disco hecho de resina polimérica?

¿Cuáles son las ventajas de un compósito hecho de resina

polimérica reforzada con fibra de vidrio?

SeguridadDiscuta aspectos deseguridad que se debenconocer:

• Proteger las manoscontra las astillas de lafibra de vidrio.• Proteger piel y ojos demateriales cáusticoscuando mezcle la resinapolimérica.• Protección contra gasespeligrosos, cuado utiliceacetona y seque las

muestras.• Pesos suspendidos quecaen si el resorte serompe en el dispositivode balines y anillo.• Precauciones quepueden tomar paragarantizar suprotección, tales como eluso de campana deextracción de gases,guantes, lentes deseguridad y zapatoscerrados.

▲

1 A c t i v i d a d d e E x t e n s i ó n T r e s

Use esta actividad de extensión después de completar laActividad 4 o como alternativa para uno de los proyec-tos de diseño.

Resumen de la ActividadLos estudiantes fabrican un compósito de fibra devidrio con resina polimérica y prueban suresistencia.

3Actividad de

Extensión

Notas sobre el Material•El poliéster, el epóxy y otras resinas

termofijas son fáciles de conseguir en

tiendas de manualidades.

•Algunas resinas poliméricas causan

reacciones alérgicas. Un polímero que no

causa reacciones alérgicas en la mayoría

de las personas es el epóxico Vinacron.

Para ahorrar Tiempo• Tenga más de un dispositivo de balines

y anillo para la clase. Si se dispone de

cuatro o más de ellos, la prueba de

resistencia no ocupará todo el período

de clase.

• Haga marcas sobre el cono de papel

para indicar los 60 ml (2 oz.)

AntecedentesEsta actividad ilustra el refuerzo de unamatriz polimérica frágil con fibra devidrio. El polímero usado en esteexperimento puede ser una resina epóxicao poliéster, la cuál forma un polímerotermofijo al reaccionar con un catalizador.La reacción química que se genera cuandose mezclan estos componentes causa unenlace polimérico especial conocido comoentrecruzamiento. Es debido a esteentrecruzamiento que los polímerostermofijos son resistentes, rígidos yampliamente utilizados en muchasaplicaciones.

Copias para los EstudiantesFotocopie la parte superior de las páginasA 25 y A 26 ampliándola al 129% en hojasde 8.5” x 11” para tener una versión másamplia de esta actividad de extensión parasus alumnos.

Conducción de la actividad • Traiga una muestra de fibra de vidrio

para que la examinen.

Haga que observen la fibra de vidrio y

anoten sus propiedades de ligereza y

resistencia.

• Pida que mantengan en mente las

preguntas mientras realizan la

actividad. Para reforzar las habilidades

sugiérales anotar las preguntas en sus

cuadernos.

Predicciones• Pida que comenten las predicciones

acerca de cuál disco será más resistente.

Luego, pregúnteles su razonamiento para

las mismas.

• Mondadientes o palitos chinos.

• 2 tapas de recipientes para yogurt de 8 oz.

• Acetona (300 ml).

• Algún objeto plano y pesado (ej. un libro).

• Dispositivo de carga de balines y anillo.

Haz una tabla de datos para registrar:• Descripción de las propiedades de la fibra de vidrio.

• El peso de cinco capas de discos de fibra de vidrio.

• Observaciones del compósito de fibra de vidrio.

• Observaciones del disco control.

• Porcentaje en volumen de la fibra en el compósito.

• Carga máxima que puede soportar el compósito de fibra de

vidrio antes de la fractura.

• Carga máxima que puede soportar el disco control antes de

la fractura.

Procedimiento, Datos y Observaciones

Fabricación de un compósito de fibra de vidrio

Fabricarás dos muestras: (1) Un material hecho de fibra devidrio y una resina polimérica (compósito) y (2) un discohecho solo de la resina polimérica como muestra control.

• Usa guantes de látex (quirúrgico o de otro tipo) y lentes de

seguridad.

• Observa una muestra de fibra de vidrio. Nota de seguridad:

maneja la fibra de vidrio con cuidado. Observa la

consistencia de fabricación ¿Es dura o suave?, ¿Flexible o

rígida?, ¿Resistente o débil? Escribe éstas y cualquier otra

observación que tengas en tu tabla de datos.

• Utiliza tijeras o navaja para recortar cinco discos

de fibra de vidrio, de 7 cm de diámetro. Se puede marcar o

cortar directamente a partir del contorno de las tapas del

yogurt.

• Obtén el peso del total de los cinco discos y anótalo en tu

tabla de registro de datos.

• Nota de seguridad: Al manejar las resinas poliméricas, usa

siempre guantes y lentes de seguridad, estos protegen

tus ojos y evitan que pueda haber reacciones alérgicas en la

piel. Sigue cuidadosamente las indicaciones de tu Profesor.

Mide 60 ml (2 oz) de la resina epóxica o poliéster en un cono

de papel y sigue las instrucciones relacionadas con la

mezcla y el curado de la resina proporcionadas por tu

Profesor o por el proveedor.

• Por protección, coloca papel periódico sobre cualquier

superficie (escritorio, mesa de trabajo, etc.) que vaya a ser

utilizada para la preparación o curado de las resinas.

A28 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

2 A c t i v i d a d d e E x t e n s i ó n T r e s

Parte A

Procedimiento, Datos yObservaciones

• La mayoría de los compósitos

estructurales contienen entre 50 y 60%

de fibra. El compósito epóxico reforzado

hecho en este laboratorio tiene cerca del

50% de fibra por volumen.

• Pida discutir las variables que piensen

que son importantes en las variaciones de

los discos compósitos.

Alternativa para ActividadAbiertaLos alumnos pueden fabricar losrecipientes para el compósito. Puedenescoger entre varios materiales y elementosreforzantes. La siguiente lista muestra losposibles materiales que pudieran formarparte del compósito.

También podrían considerar diferentesmaneras para evaluar sus compósitos, porejemplo, que el material pudiera ser uncompósito muy resistente, muy débil,barato, más costoso o reciclable.

Coloca una película de polietileno dura encima del papelperiódico. Vierte una pequeña cantidad de resina polimérica en latapa de yogurt. Extiende esta cantidad sobre la superficie conayuda de la brocha.• Coloca encima de ésta uno de los círculos de fibra de vidrio.Esparce con la brocha más resina polimérica sobre la fibra de vidrio y asegúrate de retirar completamente todas las burbujas de aire que pudieran quedar atrapadas. Ten cuidado de aplicar la cantidad necesaria y suficiente para saturar la fibra de vidrio.

Coloca otro de los círculos de fibra de vidrio sobre la resina aplicada y nuevamente esparce sobre éste resina. Realiza este procedimiento, uno a la vez, hasta completar los cinco discos de fibra de vidrio, como lo muestra la Figura 1. Tu compósito deberá tener el espesor de la tapa de yogurt queempleaste para hacerlo.• Cubre tu compósito laminar de fibra de vidrio con una hoja depolietileno. Coloca un objeto plano y pesado (libro u otro objeto)para comprimir la fibra y retira el exceso de resina dellaminado (el que pueda escurrir alrededor del compósito despuésde comprimirlo). Coloca el compósito en una campana de extracción y déjalo curar toda la noche (no retirares lacompresión). Lava la brocha con acetona en la campana deextracción.• Llena la segunda tapa de yogurt con la mezcla de la resinapolimérica. Ten cuidado de que no rebase los bordes de latapa. Esta resina será una muestra con el mismo espesor que ladel compósito reforzado y servirá como muestra control para laposterior comparación en las pruebas mecánicas de esfuerzo.Deja curar toda la noche bajo la campana de extracción.• Después de que las muestras hayan curado toda la noche,examínalas y anota tus observaciones acerca de las propiedadesde la superficie (dureza, flexibilidad y resistencia de ambasmuestras).

A29A p é n d i c e A c t i v i d a d e s d e E x t e n s i ó n

3 A c t i v i d a d d e E x t e n s i ó n T r e s

Posibles Materiales para la Actividad Abierta

Figura 1. Construcción de un compositolaminado de fibra de vidrio.

Fibra de vidrio

Capa de resinaExtender

Película de polietileno

Acetato de poliviniloAlmidón y adhesivos relacionadosCemento Portland y otros cementos

inorgánicosPegamentos base proteína como la

caseínaPastas de flúor (Teflón)Caramelo

KevlarFibra de grafitoPulpa de papel, algodón, yute y

otras fibras comerciales orgánicas

Papel reciclado, cartón corrugado

Popotes de plásticoAserrínMondadientes de maderaPaja de trigo o maíz, cáscaras

de frutas y hojas de plantas

Materiales Matriz Elementos Reforzantes

Reflexiones

1. Los estudiantes deben darse cuenta deque el compósito de fibra de vidrio esmucho más resistente que el disco hechode resina polimérica. Si ellos han hechoalguna otra actividad en este módulo,probablemente no se sorprenderán.

2. Pida que comenten las razones quedieron para sus predicciones y revíselas,basándose en sus observaciones si esnecesario. Se puede usar la siguienteexplicación para ayudar en lasobservaciones de las interacciones entre lafibra y la matriz del material: En elpolímero reforzado con la fibra de vidrio,más del 90% de la carga se soporta por lafibra. Si bien la matriz polimérica es algofrágil, realmente no es tan frágil como lafibra de vidrio. Por lo tanto, cuandoocurre una falla dentro del compósito, laocurrencia de la primera fractura de unafibra sobrecargada se propaga a la matrizmás flexible. La matriz tiende a absorber ya contrarrestar la propagación de lafractura. Así que la combinación de los materiales ysus propiedades resulta en un incrementoen la resistencia.

En Resumen3. En la prueba del disco con eldispositivo de balines y anillo debendeterminar que el esfuerzo de rupturapromedio del polímero reforzado con fibrade vidrio es de dos a cinco veces mayorque el de la resina polimérica sin reforzar.Acepte otras respuestas que muestren quehicieron observaciones cuidadosas,analizado sus datos y razonado losresultados de la actividad.4. Probablemente notarán la fragilidad dela fibra de vidrio y de la resina poliméricaa simple vista y el incremento en laflexibilidad y resistencia del compósito dela fibra de vidrio.

Admitatodas las

respuestas que se presenten acerca de lascaracterísticas del compósito de fibra devidrio, especialmente su alta resistencia,poco peso y bajo costo. Los poliésteres yepóxicos reforzados con fibra de vidrio seusan ampliamente en automóviles,aplicaciones marítimas, tuberías deplantas químicas, equipo deportivo,aplicaciones domésticas, dispositivoseléctricos y electrónicos. Bajo peso, altaresistencia, excelente resistencia a lacorrosión, flexibilidad y bajaconductividad térmica, son algunas de lasventajas para su aplicación en estas áreas.

Pruebas de Resistencia del CompósitoReforzado con Fibra de Vidrio.Prueba la resistencia de tus dos muestras con un dispositivo debalines y anillo como lo muestra la Figura 2.• Pesa el compósito para determinar el porcentaje en volumende la fibra cargada. La densidad de la fibra es 2.55 g/cc, yel del epóxico es de 1.38 g/cc.

El contenido de fibra de un compósito se expresageneralmente como la fracción volumen de la misma. Paraencontrar la fracción volume, usa la siguiente fórmula, dondeW representa el peso de cada material indicado:

• Coloca el dispositivo de balines y anillo como se presenta enla Figura 2. Carga el compósito sobre los tres soportes.Coloca las diferentes cargas en el dispositivo hasta romperlo,y anota el total de la masa que causó la fractura.

•Repite este procedimiento sobre la muestra control.

A30 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Parte B

(( )) (( ))[[ ]]1.38g/cc / WW / /2.55g/ccW fibradiscofibra −−

4 A c t i v i d a d d e E x t e n s i ó n T r e s

Reflexiones1. ¿Cómo son tus resultados comparados con laspredicciones? ¿Encontraste algo sorprendente a cerca delcompósito de fibra de vidrio o de la muestra control?2. ¿Piensas que la razón para tu predicción es válida?, sies así ¿Cuál de las observaciones soporta tus ideas? Si no,¿Qué otras ideas tienes y cuál de las observacionessoporta esta idea?En Resumen3. ¿Qué aprendiste con esta actividad con compósitos defibra de vidrio?4. ¿Cómo se compararían las propiedades del compósitocon respecto a las propiedades de cada uno de losmateriales que lo forman?

Observando las propiedades deeste compósito , ¿dónde crees que puede utilizarse?

onexión con el DiseñoCC

onexión con el DiseñoCC

Fracción volumen de fibra =

Para Maestros de MatemáticasLa prueba de balines y anillo esparticularmente útil para la medición deresistencia relativa de muestras donde no esnecesario el conocimiento preciso de la tensiónen la fractura. Para calcular la tensión deflexión máxima en el centro, S, la teoría para laflexión transversal de platos delgados yelásticos soportados en varios puntos producela expresión:

donde P es la carga, t es el espesor de laprobeta, a es el radio de los puntos delsoporte, b es el radio de la región de cargauniforme (aproximado a t/3), R el radio de laprobeta y V es el radio de Poisson. Haga quecalculen la resistencia a la fractura máximautilizando esta ecuación. Asumir el radio dePoisson para las muestras como 0.23.Debido a la gran variación estadística en laresistencia de un material frágil como losepóxicos, es muy importante compartir en ellaboratorio todos los datos de fracturagenerados. Reúna los datos para determinar elpromedio y la desviación estándar de laresistencia a la fractura para los discoscompósitos y para el disco control

Nota sobre el Dispositivo de Balines y AnilloNormalmente, los ingenieros no usan la prueba de viga envoladizo para materiales frágiles o cualquier otra prueba queexponga los materiales a gran tensión. La concentración delesfuerzo cerca de las mordazas de la máquina de tensióncausa la falla muy cerca de las mismas, en vez de que sea enla sección de medición; sin embargo, el dispositivo de balinesy anillo provee un método confiable para probar la resistenciade probetas planas y frágiles, tales como los compósitosepóxicos reforzados con fibra que probaste. En esta prueba,la probeta se apoya sobre tres balines espaciadosequitativamente sobre un círculo y se carga con otro balín enel centro. El que se muestra en la Figura 2 elimina lanecesidad de cortar vigas rectangulares para la prueba de laviga en voladizo.

A31A p é n d i c e A c t i v i d a d e s d e E x t e n s i ó n

5 A c t i v i d a d d e E x t e n s i ó n T r e s

Carga

Probeta

Figura 2. Esquema del dispositivo de prueba de balines yanillo.

A33A p é n d i c e F o r m a t o s

Contenido:Registro de ActividadRegistro de Actividad - Hoja 1

Tabla de Datos Compósito de HieloRegistro de Actividad - Hoja 2

Tabla de Datos Cacería deCompósitos

Registro de Actividad 3Tabla de Datos Actividad 3

Registro de Actividad 4Tabla de Datos Actividad 4

Registro de Actividad 5Tabla de Datos para la Prueba dela Viga en Voladizo

Registro de Actividad 6Gráficas y Datos para la Pruebade la Viga en Voladizo

Registro de Actividad 7Tarjetas para notas de Investigación en Biblioteca

Registro de Actividad 8Lista de Referencia para PublicaciónCientífica

Hojas de Registro paraProyecto de Diseño 1

Registro de Diseño Hoja 1Propuesta de Prototipo para Cañade Pescar

Registro de Diseño Hoja 2Predicciones sobre Desempeño dePrototipos de Caña de Pescar

Registro de Diseño Hoja 3Procedimiento para Construir Prototipos de Caña de Pescar

Registro de Diseño Hoja 4Descripción de Pruebas paraCañas de Pescar Prototipo

Registro de Diseño Hoja 5Tabla de Datos para Cañas de Pescar Prototipo

Registro de Diseño Hoja 6Interpretación de Datos

Registro de Diseño Hoja 7Reflexiones sobre las Predicciones

Registro de Diseño Hoja 8Presentación de Prototipos yResultados

Registro de Diseño Hoja 9Crítica de los Prototipos de OtrosEquipos

Registro de Diseño Hoja 10Conclusiones sobre el Proyecto deDiseño Caña de Pescar

Registro de Diseño Hoja OpcionalEstableciendo los Criterios para laCompetencia de la Caña de Pescar

Hojas de Registro paraProyecto de Diseño 2

Registro de Diseño Hoja 11Propuesta para un Conjunto deMateriales Compósitos

Registro de Diseño Hoja 12Criterios para Evaluar Materiales Compósitos

Registro de Diseño Hoja 13Predicción sobre el Funcionamientode las Muestras

Registro de Diseño Hoja 14Procedimiento para ConstruirProbetas

Registro de Diseño Hoja 15Descripción de Pruebas paraProbetas

Registro de Diseño Hoja 16Tabla de Datos para Probetas

Registro de Diseño Hoja 17Interpretación de Datos

Registro de Diseño Hoja 18Reflexiones sobre las Predicciones

Registro de Diseño Hoja 19Presentación de Probetas y Resultados

Registro de Diseño Hoja 20Crítica de las Probetas de OtrosEquipos

Registro de Diseño Hoja 21Lista para Elaboración del Reporte

Registro de Diseño Hoja 22Conclusiones del Proyecto deDiseño

FormatosLos formatos incluyen las hojas de Registro de Actividades y de Registro del Diseño para elmódulo Compósitos. Están ordenadas en orden numérico empezando con las hojas deRegistro de Actividad y seguidas por las de Registro del Diseño. Puede fotocopiarlos paraque los usen los estudiantes mientras desarrollan sus actividades y diseños. Son una basepara los registros de ciencia. Si desea que lleven registros independientes, pueden servir demodelo para tablas de datos y proveen preguntas para discusión mientras completan lospasos de las Actividades y de los Proyectos de Diseño.

ACTIVIDAD

1

Nombre: Fecha:

Tabla de Datos Compósito de Hielo Registro de Actividad Hoja 1D

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ACTIVIDAD

2

© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Tabla de Datos Cacería de Compósitos Registro de Actividad Hoja 2O

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ACTIVIDAD

© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Tabla de Datos para Actividad 3 Registro de Actividad Hoja 3M

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3

ACTIVIDAD

4

© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Tabla de Datos para Actividad 4 Registro de Actividad Hoja 4

Des

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ACTIVIDAD

4

© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Tabla de Datos para Prueba de la Vigaen Voladizo

Registro de Actividad Hoja 5

Probeta Sencilla Probeta con Papel en un Lado

Probeta con Papel en dos Lados Probeta con Desunión en un Lado

Pesas(en gramos)

Deflexión(en centímetros)

Observaciones: Observaciones:

Pesas(en gramos)

Deflexión(en centímetros)

Observaciones:

Pesas(en gramos)

Deflexión(en centímetros)

Observaciones:

Pesas(en gramos)

Deflexión(en centímetros)

ACTIVIDAD

4

© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Gráficas de Datos para Prueba de laViga en Voladizo

Registro de Actividad Hoja 6

Masa

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Deflexión (en centímetros)

Clave:

Probeta Sencilla

Papel en Un Lado

Papel en Dos Lados

Desunión

ACTIVIDAD

5

© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Tarjetas para notas de Investigación en Biblioteca

Registro de Actividad Hoja 7

Fuen

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ACTIVIDAD

5

© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Lista de Referencia para PublicaciónCientífica

Registro de Actividad Hoja 8

¿Tu publicación incluye introducción, cuerpo, conclusión y bibliografía completa?

Introducción¿Tu introducción discute el material del cual está hecho el material compósito?

¿Tu introducción describe el uso del material en el cual te estás enfocando?

Cuerpo¿El cuerpo de tu publicación dice:

Cómo se desarrolló el compósito?Cómo está hecho el compósito?Detalles de las formas en que se puede usar el compósito?

¿El cuerpo discute las principales ventajas y desventajas de fabricación y uso del com-pósito, en términos económicos y de impacto ambiental?

Conclusión¿La conclusión propone aplicaciones futuras para el compósito?

¿La conclusión especula sobre el posible surgimiento de nuevos materiales o nuevosusos?

Bibliografía¿Está completa?¿Está listada en orden alfabético?¿Seguiste el estilo proporcionado en la página 25?

Estilo en General¿Revisaste los errores gramaticales y ortográficos en tu reporte?¿Incluiste tu nombre en el reporte?

© Northwestern

PROYECTODE DISEÑO

1

Nombre: Fecha:

Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 1

Propuesta de Prototipos para Cañas de PescarLa Compañía Atrapa Más puede proveer algunos de los materiales para construir tuprototipo de cañas de pescar. Antes de que puedan proveer los materiales, necesitan verun prototipo de tu diseño de caña de pescar. Este ayudará a la Compañía a determinarlos tipos y cantidades de materiales que deben tener. Aunque tu equipo estáproporcionando sus materiales para los prototipos, es un paso necesario escribir unapropuesta en el proceso del diseño. Responde estas preguntas conforme trabajas en tupropuesta. Si necesitas más espacio para escribir, usa el reverso de esta hoja.

Haz una lluvia de ideas para los tres diseños que podría construir tu equipo. Dibuja odescribe cada uno de tus diseños.

¿Cuáles crees que son los pros y los contras de cada uno de sus diseños? Evalúencada diseño con base en los criterios para determinar la caña de pescar ganadora dela competencia. (Ver página 30)

¿Cuál diseño piensas que funcionará mejor? ¿Por qué? Relata tu respuesta sobre loscriterios de evaluación de la competencia.

Una vez que hayas escogido un diseño, necesitas escoger un elemento del diseño paravariarlo en tres de los cinco prototipos de caña de pescar. La variable que escogistedebe ayudarte a evaluar un aspecto de la construcción de tu material compósito. Porejemplo, si decides reforzar un popote con cinta, debes variar el tipo, orientación ocantidad de cinta a usar en tres o más prototipos. Dibuja o describe en qué variará eldiseño.

Haz una lista de todos los materiales que necesitarás para hacer tus prototipos decañas de pescar.Incluye una estimación de la cantidad de cada material que vas a necesitar.

PROYECTODE DISEÑO

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© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 2

Predicciones sobre el Desempeño de los Prototipos de Caña de Pescar.Haz una revisión del procedimiento que seguirás para medir la resistencia,flexibilidad y masa de cada caña de pescar y cómo usarás estas medidas paraevaluarla en su funcionamiento en general. Después piensa en tus prototipos y usalas siguientes preguntas para hacer predicciones del funcionamiento. Si necesitasmás espacio para escribir, usa el reverso de esta hoja.

¿Cuál prototipo piensas que será el más resistente? ¿Por qué?

¿Cuál prototipo piensas que será el más flexible? ¿Por qué?

¿Cuál prototipo piensas que será el más delgado en su masa? ¿Por qué?

¿Cuál prototipo piensas que funcionará mejor en general? ¿Por qué?

PROYECTODE DISEÑO

1

© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 3

Procedimiento para Construir Prototipos de Caña de Pescar.La compañía Atrapa Más necesita que hagas un registro del procedimiento queseguiste para hacer tus cañas de pescar prototipo. De esa manera, la Compañíapuede evaluar y repetir el procedimiento, tu caña de pescar debe parecerprometedora. Registra la siguiente información. Si necesitas más espacio paraescribir, usa el reverso de esta hoja.

Lista de Materiales.

Descripción de los pasos para hacer cada prototipo.

Número de cada tipo de prototipo hecho.

Descripción de los problemas surgidos durante la construcción.

Lo que hicimos para tratar de resolver esos problemas y cómo funcionaronestas soluciones.

Otras cosas que debemos intentar la siguiente vez.

PROYECTODE DISEÑO

1

© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 4

Descripción de Pruebas para Cañas de Pescar Prototipo.La Compañía Atrapa Más quiere que participes en las pruebas de sus prototipos.Describe cómo las probarás, incluyendo descripciones claras del equipo yprocedimiento de prueba que usarás. Si necesitas más espacio para escribir,usa el reverso de esta hoja.

Encontrar la masa de la caña. Breve descripción del procedimiento.

Tipo de escala que se uso (si se tiene)

Prueba de Resistencia. Breve descripción de la prueba.

Tipo de equipo que se usó.

Esquema para la prueba. (dibujo)

Procedimiento para prueba de resistencia.

Cómo se determinarán los resultados.

PROYECTODE DISEÑO

1

© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 4Continuación

Prueba de Flexibilidad. Breve descripción de la prueba.

Tipo de equipo que se usó.

Esquema de la prueba de flexibilidad (dibujo).

Procedimiento para prueba de flexibilidad.

Cómo se calcularán los resultados, de acuerdo con las mediciones.

Otras pruebas que se realicen (opcional)

Resultados de funcionamiento en general.Los resultados generales se calcularán usando los siguientes criterios defuncionamiento.•El prototipo funcional deberá estar tan fuerte para sostener 200 g sin fallar.•El prototipo funcional deberá ser tan flexible para flexionarse por lo menos 2

cm con una carga de 200 g.•El prototipo ganador será la caña más fuerte para su peso. Esto se calculará

dividiendo la carga más grande que pueda sostener la caña sin fallar entre lamasa de la caña: Carga Máxima

Masa de la Caña

PROYECTODE DISEÑO

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© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 5

Tabla de Datos para Cañas de Pescar Prototipo. Puedes usar las siguientes tablas pararegistrar los datos de tus prototipos de cañas de pescar.

Prototipo Pesa (en gramos) PrototipoCarga máxima antes de deformarse (engramos)

Prototipo 1

Prototipo 2

Prototipo 3

Prototipo 4

Prototipo 5

Prototipo 1

Prototipo 2

Prototipo 3

Prototipo 4

Prototipo 5

Resumen de Resultados: Resumen de Resultados:

Flexibilidad del Prototipo 1

Masa (en gramos) Deflexión (en centímetros)

Flexibilidad del Prototipo 3

Masa (en gramos) Deflexión (en centímetros)

Flexibilidad del Prototipo 5

Masa (en gramos) Deflexión (en centímetros)

Flexibilidad del Prototipo 2

Masa (en gramos) Deflexión (en centímetros)

Flexibilidad del Prototipo 4

Masa (en gramos) Deflexión (en centímetros)

Resumen de Resultados:

PROYECTODE DISEÑO

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© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 6

Interpretación de los Datos. La Compañía Atrapa Más quiere que hagas lainterpretación preliminar de tus datos para presentarla con tus prototipos. Sigue estasinstrucciones para interpretar tus datos.

Haz estas tres gráficas•En la primera gráfica, presenta los

resultados de tu prueba deresistencia. Presenta la masa másgrande que cada prototipo pudosoportar antes de fallar.(Sugerencia: puedes organizar lainformación en una gráfica debarras)

•En la segunda gráfica, presenta losresultados de tu prueba deflexibilidad trazando la cargacontra la deflexión por cadaprototipo. Usa un color diferentepara cada prototipo y dar unaclave para la gráfica.

•En la tercera gráfica, compara la masa de diferentes prototipos, usandouna gráfica de barras.

Según la primera gráfica ¿cuál prototipoes el más resistente? ¿Qué piensas quehace a este prototipo más resistente que los otros?De acuerdo con la segunda gráfica, describe cómo puedes saber cuál prototipo es el más flexible.

PrototipoClave

Mas

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Deflexión (en centímetros)

Mas

a (e

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Prototipo

PROYECTODE DISEÑO

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© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 6continuación

De acuerdo con tu interpretación de la segunda gráfica ¿Cuál prototipo es el más flexi-ble? ¿Qué piensas que hace al prototipo más flexible que los otros?

¿Cuál prototipo es el más liviano?Usa esta información de funcionamiento para determinar cuál de los prototipos fue másexitoso.•Cada prototipo exitoso debe resistir una carga de 200 g sin fallar.•Cada prototipo exitoso debe ser lo suficientemente flexible para flexionarse por lo

menos 2 cm con la carga de 200 g.•El prototipo ganador será la caña más fuerte para su peso. Esto se calculará

dividiendo la carga más grande que pueda soportar la caña sin fallar entre la masade la caña:

Presenta tus calculos de:para todos los prototipos quecumplan con los dos criterios.

¿Cuál de tus prototipos fue más exitoso? ¿Cuáles características del diseño de esteprototipo piensas que contribuyeron a su éxito?

Carga MáximaMasa de la Caña

Carga MáximaMasa de la Caña

PROYECTODE DISEÑO

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Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 7

Reflexión sobre las Predicciones Originales.Reflexionar sobre tus predicciones puede ayudarte a entender mejor por qué algunosprototipos tuvieron éxito y otros no. Puedes usar esta información para mejorar tudiseño y refinar tus pruebas mientras preparas el rediseño de tu caña de pescar. Sinecesitas más espacio para escribir, usa el reverso de esta hoja.

¿Cómo comparas los resultados de tus prototipos con tus predicciones originales pararesistencia, flexibilidad, masa y funcionalidad en general?

Si tus resultados fueron como lo esperabas ¿Hubo otros factores además de losoriginalmente predichos que pudieron conducirte a alcanzar esos resultados?

¿Si tus resultados no fueron como lo esperabas, cuáles son las posibles razones paraesas diferencias?

¿Qué tan exactos o inexactos piensas que fueron tus resultados? ¿Cuáles son lasposibles fuentes de error experimental? ¿Cuáles son algunos pasos que puedescorregir en esos errores para la próxima vez que pruebes tus prototipos?

PROYECTODE DISEÑO

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Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 8

Presentación de Prototipos y Resultados.La Compañía Atrapa Más requiere que sus ingenieros hagan presentaciones de losdiferentes productos que la compañía diseña y produce. Durante las presentaciones, losingenieros hablan acerca de sus prototipos y cómo los diseñaron y probaron. Después,solicitan ideas de los demás integrantes de la compañía sobre cómo pueden mejorar elproducto. Sigue este mismo procedimiento haciendo la presentación de tus prototipos decaña de pescar a tus compañeros de clase. Si necesitas más espacio para escribir, usa elreverso de esta hoja.

Información que debe incluir tu presentación:• Presenta tus prototipos y explica cómo los hiciste.• Identifica cómo varió el diseño para este grupo de prototipos.• Usa tus gráficas para ayudarte a explicar tus resultados.• Menciona cuál caña es el prototipo ganador y discute por qué piensas que esa caña

fue la más exitosa.

Después de presentar tus prototipos, pide a tus compañeros de clase que evalúen lossiguientes aspectos de tu proyecto y registra sus comentarios:

La idea detrás de tu diseño:

Cómo hiciste tu diseño:

Cómo probaste tus prototipos:

Cómo interpretaste los resultados de tus pruebas:

Tu evaluación de por qué tu prototipo ganador tuvo éxito:

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© Northwestern University, 1998

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Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 9

Critica los Prototipos de Otros Equipos,Los ingenieros de la Compañía Atrapa Más trabajan juntos para tratar de mejorar losproductos que la compañía diseña y produce. Para hacer esto, intercambian críticasconstructivas. De igual manera, tu evaluación y apoyo puede ayudar a tus compañerosde clase con sus diseños de caña de pescar. Además las presentaciones de tuscompañeros podrían aportar ideas sobre cómo puedes mejorar tu prototipo de caña depescar.

Guía para tu Crítica.• ¿Entiendes el diseño del prototipo y el elemento que varió? Si no es así, qué

información piensas que le falta a la presentación? Pregunta a los presentadores sipueden proporcionar esa información.

• ¿El equipo explicó claramente cómo construyeron sus prototipos? ¿El procedimiento fuerepetible? ¿Tienes algunas sugerencias para mejorar el proceso de construcción yobtener los mismos resultados finales?

• ¿El equipo explicó claramente cómo probaron sus prototipos? ¿Las pruebas fueronrepetibles? ¿Encuentras alguna fuente de error en esas pruebas? ¿Tienes algunasuerencia para eliminar esas fuentes de error?

• ¿Estás de acuerdo con la interpretación de los resultados del equipo? Si no es así ¿conqué parte de la interpretación no estás de acuerdo? y ¿por qué? ¿Qué explicaciónalterna puedes ofrecer para esos resultados?

• ¿Estás de acuerdo con la evaluación del equipo para el prototipo ganador? Si no esasí ¿cuál prototipo piensas que es el mejor? y ¿por qué? ¿Estás de acuerdo con laevaluación del grupo de por qué funcionó su prototipo ganador? Si no es así ¿Porqué piensas que ganó?

• Qué aprendiste al escuchar la evaluación de este equipo y al hacer tu crítica? ¿Cómopuedes aplicar la información o ideas que obtuviste sobre diseño, prueba yevaluación de prototipos de caña de pescar cuando diseñes tu siguiente juego deprototipos?

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Diseñando una Caña de Pescar Registro de Diseño Hoja 10

Conclusiones sobre el Proyecto de Diseño Caña de Pescar.Se supone que las competencias son divertidas. La Compañía Atrapa Más espera quehayas disfrutado tu práctica. Esta es tu oportunidad para analizar lo que aprendiste altrabajar en el proyecto. Si necesitas más espacio para escribir, usa el reverso de estahoja.

¿Cuál fue tu parte favorita del proyecto?

¿Cuál fue la parte que menos te gustó? ¿Si fueras a repetir el proyecto, quécambiarías de manera que disfrutaras más ese aspecto?

¿Cuál fue la parte más memorable del proyecto?

¿Qué sabes ahora sobre compósitos que no sabías antes de trabajar con el proyecto?

¿Qué aprendiste sobre los compósitos al construir tus prototipos de caña de pescar?

¿Qué aprendiste sobre los compósitos al probar tus prototipos de caña de pescar?

¿Qué aprendiste sobre los compósitos cuando rediseñaste tus prototipos de caña depescar?

¿Qué más te gustaría aprender sobre los compósitos o sobre otros materiales y cómopodrías aprenderlo?

PROYECTODE DISEÑO

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Nombre: Fecha:

Diseñando una Caña de PescarRegistro de Diseño

Hoja Opcional

Estableciendo los Criterios para la Competencia de la Caña de Pescar.En cada lugar del país la gente pesca diferentes tipos de peces. De manera que losrequerimientos para las cañas de pescar ideales serán diferentes, dependiendo en lospeces y las condiciones de la pesca. En tu clase pueden decidir los criterios paraescoger la mejor caña de pescar en su región. Contesta las siguientes preguntasmientras discutes los criterios para escoger la caña de pescar ganadora:

¿Cuáles son algunas características importantes de las buenas cañas de pescar?

¿Quisieras que tu caña de pescar fuera resistente? ¿Qué tan resistente? ¿Por qué?

¿Quisieras que tu caña de pescar fuera rígida o flexible? ¿Por qué?

¿Idealmente, quisieras que tu caña de pescar fuera igualmente flexible en la base yen la punta? ¿Por qué si o por qué no?

¿Quisieras que tu caña de pescar fuera pesada o liviana? Explica.

¿Existen algunas restricciones en qué tan pesada o liviana debería ser? Si es así¿Cuáles son?

PROYECTODE DISEÑO

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© Northwestern University, 1998

Nombre: Fecha:

Diseñando una Caña de PescarRegistro de Diseño

Hoja Opcional Continuación

Según las restricciones del diseño, escoge tres criterios de la siguiente lista que usaráspara decidir cuál es la caña de pescar que ganará la competencia.

Restricciones del Diseño• Debes usar los popotes que se te proporcionan.• Aunque alteres el popote, el diámetro no podrá ser más de 0.5 cm. mayor que el

diámetro original.• Aunque modifiques el popote, este no podrá ser ni más largo ni más corto que el

original.

Para cada uno de los criterios que escogiste, describe cómo planeas medirlo.

Con base en las medidas ¿Cómo determinarás cuál es la caña de pescar ganadoradel concurso?

¿Necesitas revisar cualquiera de los criterios con base en la dificultad para medirlo ola dificultad para determinar el ganador usando los criterios? Si es así, seleccionanuevos criterios, menciona cómo planeas medirlos y cómo planeas usar las medidaspara determinar un ganador.

Propón a la clase tres criterios finales, cómo vas a medir cada uno y cómo vas a usarlas medidas para determinar el prototipo ganador, para referencia de la claseconforme trabajan en sus prototipos.

Lista de Criterios___resistencia en la punta de la caña ___resistencia en la base de la caña___flexibilidad en la punta de la caña ___rigidez en la base de la caña___flexibilidad en la base de la caña ___rigidez en la punta de la caña___masa de la caña de pescar ___otros (lista)_________________

PROYECTODE DISEÑO

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© Northwestern University, 1998

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Diseñando un Nuevo Material Registro de Diseño Hoja 11

Propuesta para Reunir Muestras de Materiales Compósitos.Eres un ingeniero que trabaja para la Compañía Diseño Sin Límites, una firma deingenieros orgullosa de diseñar nuevos materiales compósitos que pueden mejorar lavida de la gente, algunos de forma mínima, pero otros en gran medida. Esta es tuoportunidad para usar tu imaginación, tu creatividad y tu conocimiento en materialescompósitos para diseñar un nuevo material compósito. Usa las preguntas para ayudartea encontrar una propuesta. Si necesitas más espacio para escribir, usa el reverso deesta hoja.

Haz una lista de todas tus ideas de productos que podrían hacer la vida más fácil.¿Algunos de ellos podrían involucrar un nuevo material compósito? Describe las ideasde cualquier nuevo material compósito que tengas.

Piensa en las veces que te cansaste de usar algo que no funcionó muy bien debido almaterial de que estaba hecho. ¿Cómo podrías cambiar el material para mejorar elobjeto? Describe tus ideas.

Observa las respuestas de tus compañeros de equipo a estas dos preguntas. ¿Qué ideastienes para hacer un nuevo material compósito? En equipo escojan la idea que más lesgustó.Hagan una lluvia de ideas para tres diseños diferentes de su material compósito quepodría hacerse en equipo. Describe o haz un dibujo de cada uno de los diseños.

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Diseñando un Nuevo Material Registro de Diseño Hoja 11Continuación

¿Cuál diseño piensas que funcionará mejor? Con tu equipo, decidan un diseño parahacerlo.

Una vez que hayan escogido un diseño, necesitan escoger cuál elemento van a variaren tres o cinco muestras de tu material compósito. La variable que escojas deberáayudarte a encontrar cuál muestra de material compósito funciona mejor para tuproducto. Por ejemplo, podría variar el tipo, la orientación, la localización o lacantidad de uno de los componentes que forman el compósito.Dibuja o describe cómo variará el diseño de tus muestras de materiales.

Haz una lista de todos lo materiales y la cantidad que necesitarás para hacer tuconjunto de muestras.

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Criterios para Evaluar Muestras de Materiales Compósitos.Tu material compósito es nuevo, único y excitante. ¿Pero cómo vas a convencer a tujefe de que el material compósito se comporta de la manera que se supone que lohaga? Sigue los siguientes pasos para ayudarte a hacer una lista de los criterios deevaluación para tus muestras de materiales compósitos. Si necesitas más espacio paraescribir, usa el reverso de la hoja.

¿Cómo debe ser tu material compósito para cumplir con ciertas características? Porejemplo, debe tener cierto espesor, una determinada textura o actuar en una formaespecífica?Usa tus respuestas a estas preguntas, para hacer una lista de los criterios paraevaluación de tus muestras.

Para cada una de los criterios que escogiste, describe la forma en que planeasmedirlo.

Con base en esas medidas ¿Cómo determinarás cuál muestra funciona mejor?

¿Necesitas revisar cualquiera de los criterios debido a la dificultad para medirlos o a ladificultad para evaluar las muestras? Si es así, selecciona nuevos criterios, mencionacómo planeas medirlos y cómo vas a usar las mediciones para evaluar las probetas.

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Predicciones sobre el Funcionamiento de las Muestras.Revisa cómo evaluarás tus muestras por su funcionamiento en general. Después piensaen tus muestras y usa las siguientes preguntas para hacer predicciones sobre sufuncionalidad.¿Cuál muestra piensas que funcionará mejor? Relata tu predicción para cada unode los criterios seleccionados para evaluación.

Cuál característica de la muestra piensas que contribuirá a su mejor funcionamiento?Explica la respuesta.

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Procedimiento para Construir Muestras de Materiales CompósitosComo Ingeniero de Diseño, es parte de tu trabajo mantener un registro del procedimientoque seguiste para hacer tus muestras de materiales compósitos. De esa manera lacompañía puede evaluar y repetir el procedimiento, tu material podría parecerprometedor. Llena la siguiente información, usando el reverso de la hoja si necesitas másespacio para escribir.Lista de Materiales:

Descripción de los pasos para hacer cada conjunto de materiales compósitos.

Asigna un número a cada tipo de muestra que hagas.Descripción de problemas durante la construcción.

Lo que hicimos para resolver los problemas y cómo funcionaron las soluciones.

Otras cosas que debamos probar la próxima vez.

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Descripción de Pruebas para Muestras de Materiales Compósitos.Una vez que hayan construido su conjunto de muestras, necesitarán probarlas para verqué tan bien funcionan de acuerdo con los criterios que seleccionaste.

Describe cómo probarás tus muestras, incluyendo descripciones claras o dibujos delequipo y métodos que usarás.

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Tablas de Datos para Muestras de Materiales CompósitosPuedes usar una o más tablas para registrar los datos de tus prototipos de muestras demateriales compósitos. Puedes usar parte de cualquiera de las tablas o agrerar algopara hacer que cumplan con tus necesidades.

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Interpretación de Datos.Interpreta tus datos por medio de gráficas lineales, de barra, circulares o usandocualquier otro método gráfico que pueda ayudarte a notar las tendencias en lainformación. Puedes usar las gráficas que se muestran abajo o si deseas, puedes hacertus gráficas en una hoja por separado. Si necesitas más espacio para hacer gráficas,puedes usar el reverso de la hoja.

Con base en la interpretación de tusdatos y los criterios que estableciste alprincipio del proyecto de diseño ¿quémuestra de material compósitofuncionó mejor? Explica por qué.

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Reflexionando sobre las Predicciones Originales.Reflexionar sobre tus predicciones puede ayudarte a entender mejor por qué algunasmuestras de materiales compósitos tuvieron éxito y otras no fueron tan exitosas. Puedesusar esta información para mejorar tu diseño y refinar tus pruebas mientras te preparaspara rediseñar tus materiales compósitos.¿Cómo comparas tus resultados con tus predicciones originales para elfuncionamiento de las muestras?

Si tus resultados fueron como lo esperabas ¿Hubo otros factores además de lospredichos originalmente que condujeron a esos resultados?

Si los resultados no son como esperabas ¿Cuáles son las posibles razones para lasdiferencias?

¿Qué tan exactos o inexactos piensas que fueron tus resultados? ¿Cuáles son algunasposibles fuentes de error experimental? ¿Cuáles son algunas formas de corregir esoserrores para las pruebas del siguiente conjunto de muestras que pruebes?

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Presentación de Muestras y Resultados.La Compañía Sin Límites requiere que sus ingenieros hagan presentaciones de losdiferentes materiales que la compañía diseña y produce. Durante las presentaciones, losingenieros hablan acerca de sus muestras y cómo las diseñaron y probaron. Después,solicitan ideas de los demás integrantes de la compañía sobre cómo pueden mejorar losmateriales. Sigue este mismo procedimiento haciendo la presentación de tus muestrasde material compósito a tus compañeros de clase.

Información que debe incluir tu presentación:• Presenta tus muestras y explica cómo las hiciste.• Identifica cómo varió el diseño para este grupo de muestras.• Usa tus gráficas para ayudarte a explicar tus resultados.• Menciona cuál muestra fue la más exitosa y por qué.

Después de presentar tus muestras, pide a tus compañeros de clase que evalúen lossiguientes aspectos de tu proyecto y registra sus comentarios:

El objetivo de tu material:

Cómo construiste tu material:

Cuáles fueron las variaciones en tu conjunto de muestras del material:

Cómo probaste tus muestras:

Cómo interpretaste los resultados de las pruebas:

Tu evaluación de por qué una muestra en particular tuvo más éxito:

Tu evaluación de por qué otras muestras no tuvieron éxito:

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Critica las Muestras de Materiales Compósitos de Otros Equipos.Como Ingeniero de la Compañía de Diseño Sin Límites, parte de tu trabajo es ayudar alos ingenieros que trabajan en otros proyectos a mejorar sus diseños. Puedes proveernuevas ideas y aportaciones por medio de la crítica constructiva a sus proyectos.Criticar los proyectos de otros puede incluso darte nuevas ideas de algunas formas paramejorar tus muestras del material. Lee las preguntas antes de que cada equipo haga supresentación y anota los comentarios constructivos que vengan a tu mente durante lapresentación. Usa el reverso de la hoja si necesitas más espacio para escribir. Puedeshacer comentarios verbales o escritos o como lo indique tu profesor.

Lista de Verificación para tu Crítica:• ¿Entiendes el objetivo y el diseño del material compósito? ¿Los criterios para evaluar el

diseño son claros? Si no es así, ¿Qué información piensas que no fue clara o qué seomitió durante la presentación? Pregunta a los presentadores si pueden proporcionaresa información.

• ¿Está claro cuál elemento del diseño varió? Si no, solicita la aclaración.•¿El grupo explicó claramente cómo construyeron sus muestras? ¿El procedimiento es

repetible? ¿Tienes alguna sugerencia para mejorar el proceso de construcciónobteniendo los mismos resultados finales?

• ¿El grupo explicó claramente como probaron sus muestras? ¿Las pruebas sonrepetibles? ¿Encontraste algunas fuentes de error en esas pruebas? ¿Tienes algunassugerencias de cómo eliminar las fuentes de error?

• ¿Estás de acuerdo con la interpretación de resultados del equipo? Si no es así, ¿Enqué parte de la interpretación no estás de acuerdo y por qué? ¿Tienes algunaalternativa para explicar esos resultados?

• ¿Estás de acuerdo con la evaluación del equipo sobre cuál muestra cumple los criteriosde diseño? ¿Cual muestra consideras que fue más exitosa y por qué? ¿Estás deacuerdo con la evaluación de por qué funcionó la muestra más exitosa? Si no es así,¿Por qué crees que funcionó?

• ¿Qué aprendiste al escuchar la evaluación del equipo y al ofrecer tu crítica? ¿Cómopuedes aplicar la información o las ideas que obtuviste al diseñar, probar y evaluartus muestras de materiales compósitos para el diseño de tu siguiente conjunto demuestras?

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Guía para Hacer el Reporte de tu Material Compósito.Usa la siguiente guía para ayudarte a hacer el reporte final del material compósito quediseñaste. Presenta un informe bien escrito, organizado, limpio que la Compañía deDiseño Sin Límites puede usar como fuente de ideas para futuros proyectos.

Introducción.• ¿La introducción describe brevemente por qué decidiste trabajar en tu nuevo material

compósito, incluyendo qué aspecto del material o su aplicación fue particularmenteinteresante para ti?

Cuerpo del Reporte.• ¿Tu conclusión incluye una recomendación final acerca del material compósito que

diseñaste?

• ¿Tu conclusión incluye una evaluación de quién estaría interesado en usar estematerial y por qué?

• ¿Tu conclusión incluye una evaluación de quién estaría interesado en fabricar estematerial y cuál sería el impacto económico y ambiental del proceso?

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Conclusiones del Proyecto de Diseño de un Nuevo Material.Tus patrones en la Compañía de Diseño Sin Límites te animan a pensar en lo que hasaprendido trabajando con tu primer proyecto de ingeniería. Esto te ayudará aimaginarte qué clase de trabajo te gusta más hacer y establecer metas altas en tutrabajo.¿Cuál fue tu parte favorita del proyecto?

¿Cuál fue la parte del proyecto que menos te gustó? ¿Si fueras a repetir el proyecto,qué cambios harías de manera que pudieras disfrutar más este aspecto?

¿Cuál fue la parte memorable del proyecto?

¿Qué sabes ahora sobre compósitos que no sabiás antes de trabajar en el proyecto?

¿Qué aprendiste sobre compósitos al construir tus muestras de materiales compósitos?

¿Qué aprendiste sobre compósitos al probar tus muestras de materiales compósitos?

¿Qué aprendiste sobre compósitos cuando rediseñaste tus muestras?

¿Qué otra cosa te gustaría aprender sobre compósitos o sobre otros materiales ycómo podrías aprenderla?

 

Acero en espadas de esgrima, A14en garrochas, A13Módulo de Young, A8

Adhesión, A12Aeronaves, A16-A18

aeroplanos, A18 aviones Boeing, A18estructura de las alas, A2impulsadas por la fuerza humana, A16A17

Aeroplanos jet, compósitos en los, A17-A18

Alas, de naves aéreas, A16-A17 de las aves, A3

Alas de las libélulas, A2Albatross Gossamer, A17Aluminio,

en las alas de las naves aéreas, A2, A17en garrochas, A13 módulo de Young, A8

Análisis costo/beneficio, A20-A21Anisotropía, A11-A12Arcos (en arquería), A13, A15Arquería, A13, A14-A15Aves, A3Balines y anillo, dispositivo, A30-A31Barcos

de compósito de hielo, 1B Titanic, 10-11

Biología y compósitos, A2-A3 consejo para la enseñanza, 21

Bloque de espuma (Actividad 4), 16B, 18-22, 23

cálculo del Módulo de Young, A9distribución de tensiones en, A10

Caña de pescar, (Proyecto de Diseño 1)27-30

actividad de extensión de matemática,A19-20construcción de, A15fibras en, A11refuerzo de, A23, A24

Carbono, cadena principal de polímeros, A4fibras de, A6, A17

Cartílago, A3Cartón corrugado, 23Células, A2Cerámica (porcelana), 5Chalecos antibalas, A6Chordin, A3Colágeno, A3Compósito de hielo, 1B, 3, A12Compósitos estructurales, 9Compósitos funcionales, 9Compósitos laminares, 5, 9

diseño de, A10-11Compósitos metálicos en esgrima, A14Compósitos particulados, 5, 9Compósitos, 4B, 4-5

diseño, A10-A12en las naves aéreas, A16-A18en Biología, A2-A3en Química, A4-A6en las casas, 5en equipos deportivos, A13-A15hechos por los estudiantes, recetas de,A29reforzados con fibras, A, A6y Física, A7-A9

Compósitos reforzados con fibra, 5, 9 diseño de, A10Actividad de extensión, A22-A24, A27A30poliéster y fibra de vidrio, A6, A28, A29

Concreto, 9 razones para reforzarlo, 3Módulo de Young, A8

Concreto reforzado, 3Condor Gossamer, A17Cristalinidad, A5, A6, A8Cross-linking de moléculas, A5, A28Cuerda, 15, A11Cutícula de los artrópodos, A3Defectos en los materiales, 15Deformación, A13

elástica, A7, A8, A9, A13plástica, A8

Difracción de rayos X, 15Direccionalidad, A11Diseño de compósitos, A10-A12

para equipos deportivos, A13Educación técnica,

actividades de extensión, A20-A21, A22A24, A27-A31consejos para la enseñanza, 7y compósitos, A10-A18

Eficiencia del combustible, en navesaéreas, A18

Eficiencia, A11Elasticidad, A7-A8, A13

en garrochas, A13, A20, A21en raquetas de tenis, 17

Energía cinética, 17, A13elástica, 17potencial, A13

Enlace covalente, A4, A5de hidrógeno, A6en materiales compósitos, A12entre los átomos (edición del estudiante,15)interatómico, A8

intermolecular, A8molecular, 10B

Epoxy, A6 Actividad de extensión, A27-A31en una nave aérea jet, A18en raquetas de tenis, 17

Esgrima, A14Esquimales, 1BExoesqueleto, A3Fibra de vidrio, A12

actividad de extensión, A27-A31en cañas de pescar, A15

Fibras, A4, A6 anisotropía, A11en el diseño de compósitos, A10, A11A12método de producción, A6

Fibras de boro, 17Fibras de grafito, 9, 17Física Y Compósitos, A7-A9

actividades de extensión, A9, A22-A24consejo para la enseñanza, 15

Flexibilidad, 10B en garrochas, A13

Fragilidad, 15 de las espadas de acero al carbono, A14

Fuerza humana, aeronaves impulsadas por,A16-A17 establecimiento de records , A17

Fuerzas de tensión y de compresión, 10B,10, 15Fuerzas de compresión, 10B, 10, 15Fuerzas de tensión, 10B, 10, 15Geología, consejo para la enseñanza, 7Graficación, 21Hidrocarburos, A4Hielo, 1B, 3Hojas en las plantas, A2Huesos de vertebrados, A3Huesos, A2-A3

módulo de Young de, A8Hule, módulo de Young, A8Incas, 4Inercia rotacional, A26Ingeniería

de diseño de compósitos, A10, A11, A12Invención e inventores, 29, 34Isotropía, A12Kayaks, A14, A15Kevlar, A6, Kremer, Henry, A16, A17Ladrillos, 4Ley de Hooke, A7Lignina, A2Llantas, 9Madera, A2

en raquetas de tenis, 17Módulo de Young, A8

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INDICE

Matemáticas Actividades de extensión, A19-A21, A24,A25-A26, A31Consejo para la enseñanza, 21

Materiales de refuerzo, A10-A11Materiales para deportes, 9, 16-17, A13

A15Matriz, 5

materiales, A4, A10resistencia de la, A11-A12

Mayas, 4Metales, 15Mezcladores de café

Actividad de extensión, A25-A26Modelos a escala,

Actividad de extensión en Matemáticas,A19-A21Proyecto de diseño, 1, 27-30

Modelos de caña de pescar, 26-30escalado de, A19-A20

Módulo de Young, A7 Actividad de Extensión en Matemáticas,A19-A20para definir la rigidez del enlace, A10A11

Moléculas, 10B, 15Momias, 4Monómeros, A4Nylon, A5, A6Papel,

en cartón, 23en el bloque de espuma, A10-A11Módulo de Young, A8

Pelota de baseball, A13Pesca, 27Plásticos, A4

polímeros termoresistentes, A5-A6Módulo de Young, A8termoplásticos, A5

Poliacrilonitrilo (PAN), A6Poliaramidas, A6

en kayaks, A14en chalecos antibalas, A6

Poliésteres, A6 Actividad de extensión, A27-A31

Polietileno, A4-A5Polímeros cristalinos líquidos, A6Polímeros reforzados con fibra de carbono(PRFC), A17Polímeros reforzados con fibra, 16, A2, A6,A17Polímeros termoresistentes, A5-A6Polímeros, 16, A4-A6

Actividad de extensión, A27-A31anisotropía, A11en aeronaves, A2en hule, A8

reforzados con fibras de carbono, A17Química y compósitos, A4-A5

Actividades de extensión, A27-A31Consejos para la enseñanza, 20,25

Raquetas de tenis, 9, 17Reducción del peso

Importancia en naves aéreas, A16, A18Resistencia

de materiales, 10B, 15, 16B, A11-A12Medida con un dispositivo de balines yanillo, A31

Resortes, 15 constante del resorte, A7

Rigidez, 10B, 15, 16B, A7 de los kayaks, A14-A15de las raquetas de tenis, 17de las garrochas, A13-A14en compósitos laminares, A10-A11importancia del enlace, A12

Salto con garrocha, A13-A14 Actividad de extensión en Matemáticas,A20-A21

Sólidos (elásticos), A7, A8, A13Tejido conectivo, A2-A3Tejidos, A2-A3Tensión, A7, A31Termoplásticos, A5Torsión, A11-A12, A22-A24Traquéidas, A2Trasbordador espacial, 24Triplay, 9, A4Vidrio, A12, 15

Módulo de Young, A8 vidrio de seguridad, 4B

Viga en voladizo, prueba de la, 20-21 cálculo del Módulo de Young, A9problemas con, A31

Viscoelasticidad, A4

A72 M ó d u l o C o m p ó s i t o s

Créditos FotográficosEdición del Maestro

p. T6 abajo, Universidad Northwestern.

p. T7 abajo, Universidad Northwestern.

p. T8 arriba, imágenes de Lori AdamskiPeek/Tony Stone © Derechos de autor.

p. T8 abajo, arma Samuray del siglo 17,Nueva York Recursos de Arte del MuseoChiossone, Genova, Italia/Scala.

p. T9 Imágenes de Mark Wagner/TonyStone © Derechos de autor.

p. T12 Imágenes de Frank Oberla/TonyStone © Derechos de autor.

p. T 22 Universidad Northwestern.

p. 5 Jarrón chino, dinastía Ming (1368-1644), Reservas de arte/Giraudon,Nueva York.

p. A2 Universidad Northwestern.

p. A3 Imágenes de Frank Oberla/TonyStone © Derechos de autor.

p. A13 Imágenes de Dave Cannon/TonyStone © Derechos de autor.

p. A14 arriba, Universidad Northwestern

p. A14 abajo, imágenes de DugaldBremner/Tony Stone © Derechos deautor.

p. A15 Imágenes de DavidMadison/Tony Stone © Derechos deautor.

p. A17 Universidad Northwestern.

Créditos Artísticos

Andrew De Vigal, pp. A3 y A18Víctor Kennedy, p. T4

Créditos FotográficosEdición del Estudiante

p. iv arriba, Edwin Tunis © Derechos deautor 1959, revisado © Derecho deautor 1979 Banco Nacional deMaryland, ejecutor y fideicomisario porvoluntad de Edwin Tunis.

p. v abajo, NASA

p. 4 Michael Holford, Loughton

p. 11 arriba, foto de colección de la bib-lioteca pública de Nueva York.

p. 16-17 Fotos cortesía de la CompañíaArtículos Deportivos Wilson.

p. 24 NASA

Créditos Artísticos

Andrew De Vigal, Dibujos Tecnicos pp. 3, 5, 9, 10, 15, 18, 21 y 23.

Patti Green, Logotipos pp. v, 1, 2, 7, 8, 12, 13, 14, 18, 19, 20,22, 30 y 34.

Víctor Kennedy, Caricaturas pp. v, 1, 7, 12, 19, 27 y 31.

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