Eure-k - Universidad Panamericana

Eure-kPublicación de la Escuela de Ingeniería de la Universidad Panamericana, campusCiudad de México, dirigida a estudiantes de las diferentes ingenierías. Los artículosson elaborados por alumnos.Consejo EditorialIng. Pedro Creuheras VallcorbaDr. Roberto González OjedaM.C. Silvia Gómez CalderónDr. Félix Orlando Martínez RíosEditorDr. Eduardo Haro Sandovaleharo@up.edu.mx

CONTENIDOSeptiembre de 2008, No. 1Mensaje del directorEditorialivvAdministración y nanzasCómo los videojuegos están cambiando el área de trabajo 1Rodrigo Gudiño RamosArrendamiento Financiero, qué es y para qué nos es útil 5Juan José Hernández AlvarezEl precio del petróleo 9Michelle Bonilla, Diego Cantú, Adrián Cuautli, Victor Manuel CruzCómputoTutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT) 15Francisco Javier Espinosa Pineda, Valeria Guzmán Teodoro, Jorge Heber Orozco López,Daid Serra GorjónTutorial Inteligente: LEGOMEDIA® 27Óscar Merlos, Alejandro Gómez, Gerardo Miranda, Mónica CastilloDirección de operacionesAplicación de dinámica de sistemas al estudio de dos casos: el consumo de aguaen la cuidad de México y la fuga de cerebros de México 33Rodrigo Arce Z., Lizette Barrera C., Ana Lilia González D., Víctor Mora N., ErnestoRaya A., Fernando Silva N.Eléctrica, electrónica y controlControl por Modulación de Ancho de Pulso 45Maricarmen Sánchez H., José Ernesto Martín del Campo, Daniel Mariscal A.Control de un actuador eléctrico 49Joaquín Landa Elordui, Pilar Aguayo Vargasii

MecánicaDiseño y Construcción de un Robot Paralelo 2RR (Mecanismo de 5 barras) 59Thania Delgado, Martín Barrios, Víctor HernándezTratamietos Criogénicos para piezas resistentes al desgaste 69Vicente Galván García, Alberto Tirado Nájeraiii

Mensaje del directorLa comunidad educativa de la Escuela de Ingeniería de la Universidad Panamericanaha querido compartir una serie de proyectos académicos que nuestros alumnos llevaron acabo, de manera que quede constancia del trabajo realizado en las aulas durante el semestreenero-julio que recién terminó.Se trata de trabajos de calidad, de varias áreas de conocimiento, seleccionados por losrespectivos profesores. Podemos decir que los trabajos aquí recogidos son los mejores delperiodo que concluye.La UP tiene como reto fundamental impactar en el desarrollo social, no solo a través dela formación profesional de sus estudiantes en la docencia, sino de la propia transformaciónque se logra en el aprendizaje por medio de la investigación, desarrollo e innovación.Ahora tengo el gusto de escribir estas líneas en el primer número de esta revista electrónicade los alumnos de la Escuela de Ingeniería. Ojalá que sea un paso más en la apasionantetarea que tenemos de contribuir a la investigación tecnológica y de difundir el conocimientoadquirido.Quiero agradecer a las personas que han ayudado a la realización de esta revista, a losalumnos y profesores que han colaborado con su trabajo. En especial al Dr. Eduardo HaroSandoval, principal impulsor de esta nueva iniciativa; y al Dr. Roberto González Ojeda,coordinador general de investigación de la Escuela de Ingeniería y promotor de la misma.Esperamos que esta publicación sea de utilidad y los invitamos a estar atentos a nuestrosiguiente número, con nuevos contenidos.Ing. Pedro Creuheras V.Director de la Escuela de Ingeniería1 de Septiembre 2008iv

EditorialEl conocimiento interdisciplinarioDr. Eduardo Haro SandovalEs patente que el conocimiento cientíco tiene una gran repercusión en todos los sectoresde la sociedad contemporánea, y que en su desarrollo juegan un papel estratégico las nuevasáreas de la ciencia. Es por eso que el estudiante universitario tiene el deber de formarseintegralmente y de prepararse para poder aportar, desde su disciplina particular, solucionesa los diferentes problemas de la sociedad. Debe tener presente que no existe una separaciónentre su formación universitaria y su futura vida profesional y social.Por otra parte, la complejidad de los problemas reales hace necesario que haya aproximacionesdiferentes, aproximaciones que son complementarias entre sí. Enfocar un problemadesde distintos puntos de vista no debe acarrear incompatibilidades o contradicciones entrelas diversas disciplinas que se utilizaron en su estudio. La unión en la ciencia, el trabajoen equipo, proporciona la fuerza necesaria para comprender un problema complejo y poderdarle una mejor solución.Es en la Universidad donde se aprende a dialogar con otros puntos de vista diferentes alpropio. Cuando se tiene una meta común, el trabajo interdisciplinario lleva a un intercambioy a un enriquecimiento de ideas. Es por eso que el universitario debe tener el propósito dedialogar desde su ciencia y entre las diferentes ciencias, de estar abierto a aprender cosasnuevas y variadas, aunque en un primer momento no parezcan tener relación con su área deconocimiento. El universitario ha de ser una persona inquieta: tiene que estudiar, investigar,imaginar, polemizar, crear y proponer. Solo de esta forma podrá llegar más lejos en laresolución de problemas complejos.Esta revista es una muestra de la diversidad de disciplinas impartidas en la Escuelade Ingeniería de la Universidad Panamericana. En ella caben artículos de contenido muyvariado, desde materias técnicas hasta humanísticas, pues esto es la Universidad: pluralidadde conocimiento. Tengo la certeza de que esta publicación contribuirá a consolidar entrealumnos y profesores el deseo de conocimiento de otras ramas del saber, de estar abierto anuevas ideas y de explorar caminos diferentes, que en esto consiste el espíritu universitario.v

Cómo los videojuegos estáncambiando el área de trabajoRodrigo Gudiño RamosIngeniería Mecatrónica, 2o. semestre1. Introducción:The Kids Are Allright. Artículo con el que verdaderamente comprendí la razón por laque muchas cosas actualmente suceden en el ámbito laboral y empresarial. Mostrándonos elimpacto socioeconómico que ha generado el ámbito de los videojuegos y todo lo relacionadoen sociedades que abarcan desde la juventud hasta la alta dirección de empresas en todo elmundo, John C. Beck y Mitchell Wade, estudiantes de la Universidad de Harvard en Boston,Massachusetts, publicaron este artículo con un enfoque empresarial y estadístico, y le darémi opinión como un punto de vista con una visión económica y cultural, para comprendermás a fondo la manera en que inuyen los videojuegos en nuestra área laboral.Analizaremos a través de éste ensayo la historia de cómo ha inuido el área de losvideojuegos en las personas; y cómo ha llegado hasta a cambiar su forma de trabajar y suforma de ver las cosas y las opciones en la vida cotidiana alrededor de los conceptos quemaneja la Economía.2. Desarrollo:Al principio del documental se comienza con comparar las generaciones que han surgidodesde el cambio de los baby boomers (actualmente de edad aproximada de 45 a 58 años),generación que en su época realizó un cambio drástico en cuanto a sus predecesores y su áreade trabajo. Cuando llegaron ellos, eran mucho más y con muchas más capacidades, ya quetenían más posibilidad de especializarse en las áreas que ellos querían. Pero con la llegada alárea de trabajo profesional de las nuevas generaciones, personas que tenemos como infanciaun ambiente de videojuegos y mundos de competencia bastante especializados, hubo unimportante cambio en el mundo profesional y empresarial.1

Cómo los videojuegos están cambiando el área de trabajoRazones macroeconómicas tuvieron una importante inuencia (como los empleos / desempleosy su producción). Se menciona una cifra de 90 millones de personas que han crecidocon los videojuegos en los Estados Unidos solamente, lo que doblega a la población de losbaby boomers. Nos movemos más rápido (alrededor del 12 % ya son administradores dealgún área).Una gráca de la frontera de posibilidades de producción estudia también nuestro comportamientoen el paisaje de los negocios, dibujando en el eje x de la gráca a otra generacióncomo empleado y en el eje y a un empleado de nuestra edad aproximadamente; así se puedeobservar que se ha llegado hasta a remodelar el ámbito de los negocios gracias a que se hanllegado a obtener posiciones vitales en empresas tanto multinacionales como transnacionales.La razón se explica mucho con la manera en que se nos ha impartido la educación yalrededor de lo que hemos sido guiados. El hecho de poder escoger especícamente y conmás claridad las habilidades que estudiaremos para el ámbito profesional, la manera y ellugar en que las estudiaremos y el concepto que tenemos acerca de éste y de su complexiónsobrepasa las expectativas de los baby boomers. Esto claramente muestra un estudio desdeel punto de vista de la elección y el costo de oportunidad en un entorno económico. Tenerpresentes las consecuencias que tendría el estudiar ciertas carreras nos facilita observar elcosto de oportunidad que estas ofrecen, y fortalece nuestra manera de elegir correctamentelas cosas.Hablando de los causantes de éste comportamiento, y como un fuerte ejemplo los videojuegos,se puede observar una postura económicamente positiva al ver el área en la que éstosse venden y publican. Se menciona que se acostumbra estratégicamente vender todo tipo devideojuegos en jugueterías y tiendas para la juventud donde se maneja mucho el conceptode big-boxes; también donde se dene realmente el mercado masivo y más frecuentado,donde no importa que consecuencia traiga el vender tanto a los chicos, si no vender.Las estadísticas de la compra-venta de las computadoras frente a los videojuegos muestranun cambio drástico de la elección de las familias para economizar. Se presentan estadísticasde que los videojuegos son más baratos que las computadoras, más vendidos queellas (por supuesto contra computadoras que no tienen simuladores de videojuegos) y más2

Cómo los videojuegos están cambiando el área de trabajoinvertidos por empresas transnacionales que manejan computadoras, tales como Microsofty el caso del Xbox, o el 25 % de las casas de E.E.U.U. con PlayStation's de Sony.También se menciona que los norteamericanos cada vez gastan más en invertir en videojuegosy entretenimiento de este tipo en lugar de ir al cine, a conciertos o ver películasrentadas. Con el ejemplo de las previsiones mundiales del Deutsche Bank, las cuales le estimanun crecimiento del 13 % al mercado de los videojuegos anualmente en los próximoscuatro años, se puede observar que reemplazarán completamente a la televisión, principallogro de los baby boomers.Y para no mostrar mucha especialización de la edad, se menciona que también en elReino Unido se observa más inversión en éste mercado por parte de los adultos y jóvenescomo clientes especializados. Una muy importante consecuencia se menciona acerca de laeconomía de los compradores, la elección entre el videojuego y el trabajo es drástica, contanta gente conectada a redes mundiales de videojuegos se observa que hasta trabajan parapoder seguir con el vicio.Se menciona que por ejemplo en la famosa película Tomb Raider en donde actuóAngelina Jolie, para la publicidad y anuncios se forzó a que se mostrara el nombre delpersonaje proveniente del videojuego: Lara Croft y no el nombre de la actriz (AngelinaJolie); un ejemplo que explica que los videojuegos hasta se han vuelto sustitutos del cine, laatracción en verdad era Lara Croft.Dos décadas de videojugadores a nivel mundial han sido devastadoras contra las demásatracciones y juegos. Hacia donde se centra el observar una pantalla y oír, hacia allá sedirigen los videojuegos. Se han vuelto recuerdos de la infancia, costumbres, negocio y hastala cultura de algunas sociedades. Las posibilidades de producción de juguetes tradicionalesse ven verdaderamente escasas frente a las de los videojuegos.3. Conclusión:Pienso que se debe contar con el área de los videojuegos como una herramienta paracomprender a nuestra generación, observar nuestro comportamiento y en verdad asumir elpapel de la generación predecesora, la que nos dio las herramientas y la educación para llegara lo que en verdad hemos llegado y lo que nos falta. Claro que si se habla de nosotros comouna generación de aproximadamente dos décadas, nos falta bastante para comprender delmundo, sus características, sus peligros y sus caminos habiendo vivido aproximadamentemenos de un tercio de edad. Yo si siento un pasado con recuerdos de videojuegos, desde losdiez años tuve mi primer Nintendo NES, y lo que muestra gran avance en la tecnología esque se puede jugar NES con un iPod Touch, cuando el NES antes era en verdad un aparatogrande y sosticado, lo que también muestra que no es algo imposible, que el mundo dela producción y empresarial es un ámbito importantísimo y de grandes aspiraciones paranosotros.3

Cómo los videojuegos están cambiando el área de trabajoBibliografía:John C. Beck, Mitchell Wade, The Kids are Allright, Harvard Business School Press,pp. 1-10.4

Arrendamiento Financiero, qué es ypara qué nos es útilJuan José Hernández AlvarezIngeniería Industrial Gestión e Innovación Tecnológica, 6o. semestre1. IntroducciónHoy en día se oye hablar mucho sobre bienes arrendados o nanciados dentro de unacompañía o negocio pero ¾Qué es en realidad?.Dentro de las fuentes del nanciamiento existen principalmente dos tipos de arrendamiento,el arrendamiento nanciero y el arrendamiento puro.El arrendamiento nanciero es una forma de adquirir o muchas veces renovar bienes,por lo general activos jos dentro de una compañía o negocio tales como computadoras,maquinas, vehículos, bienes inmuebles, equipo industrial o de trabajo, etc.Este tipo de arrendamiento se establece por medio de un contrato mediante el cual,la persona que adquiere un bien (llamado arrendatario) se compromete a pagar una rentaperiódica que cubra el valor original del bien, junto con los cargos adicionales que contempledicho bien y la arrendadora a su vez (llamado arrendador) se compromete a otorgar el usotemporal de dicho bien teniendo esta derecho sobre el bien a arrendar. En estos casos altérmino del contrato, el arrendatario puede decidir entre varias opciones:1. Comprar. Esto es, pagar un porcentaje del valor original, al término del contrato.2. Renovar. Es decir, prolongar el tiempo del contrato disminuyendo el importe de lasrentas.3. Participar en la venta del bien arrendado. En este caso, se pone a la venta el objetodel arrendamiento y se le entrega al arrendatario un porcentaje de la cantidad que seobtenga.5

Arrendamiento Financiero, qué es y para qué nos es útil2. DesarrolloVentajas de un arrendamiento nanciero:Nos permite utilizar el bien, sin ser de nuestra propiedad.En un inicio no representa un gran desembolso de dinero para la empresa o negocio,sin embargo, es necesario pagar cierta cantidad de contado al principio.Al término del contrato, existen diversas opciones de las cuales podemos escoger laque más nos convenga.El benecio es scal, ya que el objeto de las rentas es deducible de impuestos.No existe un pago de impuestos, pues no se tienen activos jos. Es conveniente protegerel bien con el mayor cuidado posible, ya que el arrendatario tiene la responsabilidad porlos daños que sufra, que sean diferentes a los que se ocasionarían por el uso cotidiano.Por lo tanto es de vital importancia que al contratar un arrendamiento nanciero, se conozcany analicen las diferentes instituciones que se dedica a esto. Pues de esta manerase podrá escoger la que se adapte mejor a las necesidades de la empresa o negocio. Lasinstituciones nancieras, están especializadas y autorizadas por la Secretaría de Hacienday Crédito Público para adquirir ciertos bienes y que reciban una ganancia por medio delarrendamiento.En un mundo en el que a diario oímos de la palabra globalización y cuando se buscaque una empresa sea innovadora, es importante estar a la vanguardia en cuanto a desarrollostecnológicos y mantenerse competitivos día con día ante la exigencia de los mercados.Debido a los altos costos, en la actualidad resulta difícil tener herramientas de trabajo paraestar a la vanguardia, es por esto que muchas veces las empresas pueden desaprovechar lasoportunidades que se les presentan.Es por esto que el arrendamiento es una fuente de nanciamiento muy accesible paratodo este tipo de herramientas o bienes que podamos necesitar- Logrando de esta maneraun negocio competitivo que pueda estar a la altura de los demás, también es una forma deacercarnos a esa innovación que muchas veces no logramos por falta de recursos, lograndoasí, equipar nuestros negocios sin necesidad de adquirir los bienes con los cuales trabajamos.Conclusión:El arrendamiento nanciero es una fuente de nanciamiento para personas físicas omorales que requieren de un bien y que no pueden adquirir por completo dentro de unaempresa o negocio.Es por esta razón que existen éste tipo de nanciamientos que se inclinan hoy en díahacia el uso y no hacia la propiedad. En los últimos años, se ha incrementado esta actividadenfocada a los equipos tecnológicos con que trabajan las empresas y negocios, destacando laventaja de evitar que se empolven nuestros equipos y poder utilizar tecnología de puntasin necesidad de adquirirlos. Por lo tanto el arrendamiento nanciero le da la oportunidada las empresas para adquirir tecnología de punta sin un gran desembolso.6

Arrendamiento Financiero, qué es y para qué nos es útilEsta razón debería impulsar a las empresas mexicanas a utilizar más este tipo de recursos,que son una buena fuente de nanciamiento para adquirir equipos de gran calidad y que asu vez le de valor agregado a la empresa sin necesidad de una gran inversión.Bibliografíaˆ Asociación Mexicana de Sociedades Financieras de Arrendamiento, Crédito y Factoraje,A.C., ¾Qué es el arrendamiento nanciero?, www.amsofac.org.mx/paginas/asesoria/arrendnan.shtml.ˆ Richard, Stewart, Alan J., Fundamentos de Finanzas Corporativas, McGraw-Hill, 2004,4ª Ed.7

Arrendamiento Financiero, qué es y para qué nos es útil8

El precio del petróleoMichelle Bonilla, Diego Cantú, Adrián Cuautli, Victor Manuel CruzIngeniería Industrial Gestión e Innovación Tecnológica, 2o. semestre1. IntroducciónComo todos sabemos la energía, es un factor que determina el crecimiento y desarrolloeconómico, y siendo su aplicación universal, es básica en el proceso productivo y en elbienestar del ser humano. Su requerimiento es creciente a tal extremo que se han convertidoen uno de los temas de mayor preocupación en el análisis económico actual; ello es debidoal carácter agotable del recurso energético, y de las inversiones en generarlo.La existencia de una notable desproporción entre las reservas de los diversos energéticosy sus respectivos niveles de producción, particularmente en el caso de los hidrocarburos esmuy preocupante.La última década nos demuestra que en efecto, la presencia del petróleo en los grandeshechos de la historia para el consumidor (sea en el caso del uso de sus derivados como bienesde consumo nal), es importante y representa 3 4partes del consumo de energía comercial yque, sin ésta, no se pueden producir bienes o prestar servicios.Pero lo que nos preguntamos es: ¾Cuáles son los factores que inuyen en la variación delprecio del petróleo? ¾Cuáles son los sectores mas afectados con la variación del precio delpetróleo?2. DesarrolloLa economía de un país debe basarse en el pleno conocimiento de sus debilidades yfortalezas como de las potencialidades de sus recursos y en la racionalidad de su manejo asícomo en la amplitud y diversidad de las actividades de bienes y servicios en ella asentadas. Laenergía, se encuentra íntimamente vinculada al grado de desarrollo de las fuerzas productivasde una sociedad, de tal forma que uno de los indicadores más relevantes del nivel de desarrolloe industrialización de un país es el tipo y cantidad de energía que emplea.Si se compara el potencial de recursos naturales con la producción de los mismos, seaprecia que el petróleo juega un papel determinante en el patrón de consumo energético deMéxico, y su "escasez" se presenta como una restricción que limita su dinámica.9

El precio del petróleoFigura 1:La creciente modernización tiende a limitar su consumo. No contamos con recursos -nancieros para invertir en proyectos caros; por tanto, la posibilidad de satisfacer la crecientedemanda de energía prevista para el futuro se basa fundamentalmente en la capacidadeconómica de localizar y explotar en forma óptima nuevos yacimientos de hidrocarburos,acompañadas de un creciente desarrollo tecnológico. Sin embargo, dado el lento proceso enel hallazgo de las nuevas reservas y el ritmo de crecimiento en el consumo, se corre el riesgode incrementar aceleradamente la importación de petróleo en el mediano plazo.El sector petrolero, en México y en el mundo, está pasando en los últimos años por unaetapa poco favorable. La variación del precio de los hidrocarburos por los países productoresviene causando severos problemas en casi todas las economías del mundo. Las razones sonobvias: durante los últimos diez años en el Perú, existe un desequilibrio entre el descensode la producción del recurso energético no renovable y la insatisfecha demanda interna derenados de petróleo, lo que hace que dependamos fuertemente de las importaciones.A continuación presentaremos una serie de grácas y un análisis de diferentes datosrecabados acerca del precio del petróleo.En la gráca 1 podemos apreciar que cuando ocurren eventos inesperados como unaguerra, conictos políticos, el precio del petróleo es inestable, un ejemplo es la Guerra enIrak, el acontecimiento del 11 de septiembre, etc.En los últimos años, como consecuencia de la Guerra en Irak, el precio del petróleo haincrementado debido a la escasez provocada por la imposibilidad de Iraq de comerciar su petróleo,mientras su territorio está ocupado por los estadounidenses. La demanda permanececonstante pero la oferta disminuye, elevando así el precio de este bien.Por otro lado, analizamos el caso del petróleo en un futuro, y como podemos ver en latabla 2, el precio del bien va a aumentar exponencialmente.Esto es debido a que es un recurso no renovable, que aún no ha podido ser sustituidopor completo por combustibles alternos.La población mundial crece constantemente, nuestro ritmo de vida, nuestras actividadesy la falta de conciencia provocarán que en aproximadamente 15 años este recurso se agote.Conforme este bien sea más escaso, el precio incrementará más. El precio esta en función dela disponibilidad del bien.10

El precio del petróleoAÑO Precio delBarril2006 652007 782008 942009 1312010 1832011 2572012 3602013 4312014 5182015 6212016 7462017 8952018 1074Cuadro 1:El desempeño de los precios se atribuye principalmente a:⇑ Que la Administración de Información de Energía de Estados Unidos dio a conocerque los inventarios de gasolina se redujeron en 4.5 millones de barriles la semana pasada.⇓ Sin embargo esta tendencia fue parcialmente contrarrestada por la depreciación deldólar respecto al euro y otras divisas lo que animó la compra de materias primas, entre elloel petróleo, que se negocian en dólares en los mercados internacionales.⇓ El Departamento de Energía de Estados Unidos informó que las reservas de petróleode este país aumentaron en 7.4 millones de barriles la semana pasada, para acumular 319.2millones de barriles.Esta subida de precios se puede explicar por la necesidad de que la demanda debaacomodarse a la producción. Este cambio de pendiente en la producción explicaría esa subidade precios comentada entre 2002 y 2006, al ser inevitable para obligar al mundo a reducirsu aumento de consumo anual. Así hemos visto en noticias como el incremento de demandade crudo ha bajado de un 5 % anual a un 1,7 % aproximadamente.Con la acomodación del consumo humano a la nueva pendiente de la demanda, ya no esnecesario que el precio suba tan rápido. El trabajo de cambio de pendiente ya se ha hechoy ya estamos en la nueva pendiente. Ahora el precio sólo debe subir al ritmo adecuado paraobligarnos a no incrementar nuestro consumo más allá de ese 1,7 % anual aproximado. Comopodemos ver en la gura 3, en los últimos 5 meses el crecimiento del precio del petróleo se hamoderado y ahora se puede decir que sólo sube aun ritmo de un 20 % anual, más o menos.Tal vez este sea el ritmo adecuado de aumento para mantener nuestro crecimiento mundialde demanda de petróleo en la pendiente actual de producción.11

El precio del petróleoFigura 2:Figura 3:12

El precio del petróleo3. ConclusionesPor todo lo anterior podemos concluir que el precio del petróleo irá incrementando de manerapaulatina, debido a que hablamos de un recurso no renovable y las fuentes de energíaalternativa aún no son una opción totalmente desarrollada, especialmente en nuestro país.En una economía tradicional, como la de México, el petróleo sigue siendo de suma importancia,en la que el desarrollo de otras fuentes energéticas no es importante.El petróleo es un recurso que, considerando el consumo a nivel global, se agotará en unperiodo calculado de entre 15 a 20 años.Ahora sólo falta que el mundo se adapte a la situación, acomodándonos a un menorconsumo de petróleo año a año y que nos unamos para mejorar nuestro medio ambientedesarrollando fuentes de energía alternativas.Bibliografíahttp://www.oil-price.net/index.php?lang=es&gclid=CKDNlJ-XwpICFQezsgodLCrHbAwww.crisisenergetica.orgCENTRO DE ESTUDIOS DE LAS FINANZAS PÚBLICAS13

El precio del petróleo14

Tutorial de Manejo Defensivo yNormas de Tránsito (TMDNT)Francisco Javier Espinosa Pineda, Valeria Guzmán Teodoro, Jorge Heber Orozco López,Daid Serra GorjónIngeniería en Sistemas Computacionales, 8o. semestre1. IntroducciónLos métodos para transmitir el conocimiento requieren actualmente que el proceso enseñanza aprendizaje incorpore los avances tecnológicos. Una de las herramientas tecnológicasque está posibilitando modicar este proceso es la computadora a través del desarrollo demúltiples aplicaciones educativas.Incorporar metodologías de enseñanza auxiliadas por medios informáticos aumenta la ecienciaen la transmisión y adquisición de conocimiento; además, permite manipular grandescantidades de información, la homogenización del conocimiento, la disponibilidad, masicacióny la permanente actualización del mismo.Los Sistemas Tutoriales Inteligentes utilizan las virtudes que ofrecen los recursos de lamultimedia, las interfaces inteligentes y las interfaces grácas para establecer un diálogo"más humano" con el estudiante, tratando de utilizar métodos naturales de comunicación.El TMD&NT es un tutorial inteligente que guía al usuario a través de una leccióneducacional con el objetivo de aprender la características e instrucciones más importantesdel Manejo Defensivo, Normas de Tránsito y Señalización. Los últimos dos puntos han sidoregionalizados enfocándolos al Reglamento de Tránsito del Distrito Federal, así como lasseñales de vialidad para México.Para cumplir con las características básicas de los tutoriales inteligentes TMD&NT estáestructurado de manera modular:1. Módulo de Administración del Conocimiento: Donde se permite al tutor del sistemamanipular el contenido temático, a través de la adición de nuevos temas.2. Módulo de Evaluación del Conocimiento: Se presenta en forma de dos exámenes cortosdiferentes, uno con preguntas de opción múltiple y un examen multimedia de imágenesde señalización vial.15

Tutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT)3. Módulo Temático: Subdivido en Manejo Defensivo y Reglamento de Tránsito, y Señalización.4. Módulo de Bitácoras. En este módulo se almacena y muestra el avance del usuario,también incluye bitácoras de modicación de contenidos.2. DesarrolloDurante la etapa de desarrollo del tutorial inteligente se llevó a cabo, de forma gradual,la construcción de los diferentes módulos que integra el TMD&NT. No sin antes haberdiseñado la base de datos, sobre la que se almacena toda la información necesaria para elbuen funcionamiento del tutorial.Es importante mencionar que todo el sistema se desarrolló en una plataforma web utilizandoel lenguaje PHP, permitiendo a la aplicación funcionar en un esquema cliente-servidor.La base de datos está desarrollada con el manejador de bases de datos de MySQL.2.1. Base de datosLa base de datos se encuentra diseñada de manera que cumpla con la integridad referencialque la aplicación demanda. A continuación se presenta cada tabla, así como una brevedescripción.2.1.1. PreguntasContiene la información de todas las preguntas, pertenecientes al módulo de evaluaciónde contenido, con su respectiva respuesta correcta. También se almacenan otras opcionesque presenta la aplicación como posibles respuestas, el nivel de la pregunta y el tema al quese reere.2.1.2. TemaContiene la información de todos los temas existentes en el tutorial. Los datos almacenadosson el nombre del tema, la explicación al tema, el módulo temático al que pertenece,audio e imágenes correspondientes.2.1.3. MóduloContiene la clave y el nombre de los módulos temáticos del tutorial (Manejo Defensivo,Señalización y Reglamento de Tránsito).2.1.4. PreguntaxquizRelaciona las preguntas del tutorial con determinado examen corto en especíco, señalandola clave de la pregunta, la clave del examen corto y el resultado obtenido en dichapregunta.16

2.1.5. AudioTutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT)Contiene todos los sonidos del tutorial, señalando la ruta dinámica en el servidor.2.1.6. AudioxtemaRelaciona los temas del tutorial con su respectivo registro en la tabla de audio.2.1.7. ImagenxtemaRelaciona los temas del tutorial con su respectivo registro en la tabla de imágenes.2.1.8. ImágenesContiene todas las imágenes del tutorial, señalando la ruta de éste en el disco.2.1.9. QuizContiene la información de las evaluaciones del tutorial. Entre los que se encuentran: lacalicación, el estado de avance del examen corto, y el número de preguntas.2.1.10. EventoContiene la descripción de todos los eventos en los que el usuario puede verse involucradoal navegar en el tutorial.2.1.11. LogeventoGuarda los registros de los eventos en los que un usuario se ha visto involucrado, seseñala la clave del evento, la clave del usuario y la fecha en la que se registró el evento.2.1.12. LogquizGuarda los registros de los exámenes cortos que ha hecho determinado usuario, se señalala clave de la evaluación, la clave de usuario y la fecha en la que realizó el examen corto.2.1.13. LogtemaGuarda los registros de los temas que ha consultado determinado usuario, se señala laclave del tema, la clave de usuario y la fecha de la última consulta de dicho tema.2.1.14. UsuarioContiene la información de todos los usuarios registrados, como nombre, apellidos, usuario,contraseña y correo electrónico.A continuación se presenta el diagrama de entidad-relación de la base de datos (gura1):17

Tutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT)Figura 1:2.2. Módulo de Administración del ConocimientoEste espacio del tutorial fue diseñado con el propósito de que la aplicación sea capazde absorber nuevos temas y preguntas, el usuario es el encargado de introducir la nuevainformación mediante la interfaz gráca, especialmente diseñada para insertar directamenteen la base de datos. Para poder integrar la información en la base de datos es necesario queel usuario proporcione los datos que la interfaz requiere y así insertar los datos correctamente.Las inserciones para preguntas y temas se realizan sobre la tabla: preguntas y temarespectivamente. A continuación se presentan los ejemplos de pantalla en los que el usuariopodrá dar de alta nuevos temas o nuevas preguntas (Figura 2):2.3. Módulo de Evaluación del ConocimientoEste es el módulo más importante del tutorial, pues representa la parte en la que elusuario podrá probar los conocimientos que ha adquirido durante su recorrido por el tutorial.Podemos encontrar dos tipos de evaluaciones:El test inicial que se realiza cuando el usuario se registra por primera vez; lo que sepretende, es hacer una evaluación previa para medir su conocimiento acerca de reglasde tránsito, señalización así como manejo defensivo.Los cuestionarios que sirven para evaluar los conocimientos adquiridos después dehaber consultado un tema del tutorial; el usuario podrá escoger el nivel deseado (principiante,intermedio o avanzado).Para el desarrollo de este módulo se diseñaron consultas a la tabla preguntas para obtener laspreguntas con sus respectivas opciones de respuesta, esto de acuerdo al tema que el usuario18

Tutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT)Figura 2:haya escogido.Cuando el usuario realiza un cuestionario, esto se registra en la tabla de logquiz queguarda la información de la fecha en la que se realizó dicho cuestionario; igualmente en latabla quiz se guarda la calicación y el estado del cuestionario, que puede ser: aprobado,reprobado o incompleto; posteriormente el usuario podrá ver su registro en la bitácora deltutorial.Es importante mencionar que las preguntas de los cuestionarios aparecen aleatoriamente;de esta manera se evita que el usuario trate de aprenderse las preguntas y las respuestas,pues también éstas últimas aparecen de manera aleatoria.Existe una característica especial para los cuestionarios referentes a los temas de señalización,esta consiste en desplegar la pregunta con la señal a escoger presentando una seriede imágenes, de las cuales solo una es la respuesta correcta; el usuario podrá arrastrar dichaimagen y colocarla en el área de respuesta. Esto con el n de hacer el tutorial más interactivoy agradable a la vista del usuario.En cuánto a la parte técnica de éste punto, es importante decir que se usó una libreríacon funciones implementadas en javascript para poder arrastrar las imágenes y soltarlas, estalibrería llamada Zapatec, es una suite que contiene diversas funciones y se puede obtenergratis del sitio de Internet: www.zapatec.comEl usuario podrá ir viendo cual es su calicación conforme va avanzando en el cuestionario.2.4. Módulo TemáticoEsta es la parte del tutorial en la que el usuario podrá obtener los conocimientos necesariospara aprender acerca de manejo, tanto en reglamento de tránsito, como en señalización19

Tutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT)Figura 3:y manejo defensivo.Para los temas del reglamento de tránsito se tocarán puntos como: artículos del reglamento,multas y puntos acumulados por infracción.Los artículos abordados serán:Del 5 33 que son los que abordan los temas de conducción, del automóvil y delconductor.Del 34 al 37 que abordan las responsabilidades civiles en un percance.Del 40 al 48 que abordan las sanciones, y forma de pago.Acerca de los temas de Señales de tránsito se hará notar la diferencia entre señales deprevención, de reglamentación y de información, así como identicar las señales por susignicado. (Figura 3)Por otro lado, también se contemplan temas en los que se describen los diferentes tiposde manejo, así cómo el mantenimiento preventivo de los automóviles.Este módulo consiste en hacer consultas a la tabla tema de la base de datos de la quepodemos sacar la información como nombre del tema y el texto que contiene la lección deltema a aprender.Una vez que el usuario ha entrado a dicho tema, la aplicación registra en la tabla delogtema que ha cursado el tema, señalando la fecha y hora en la que se ingresó a dicho tema.2.5. Módulo de BitácorasEn esta parte del tutorial, el usuario podrá vericar los temas y examen que ha tomado,esto con el n de que el usuario conozca su avance y se autodiscipline para poder completar20

Tutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT)Figura 4:el tutorial.El funcionamiento de este módulo se basa en hacer consultas a las tablas: logquiz, logtemay logevento, desplegando la información en la pantalla y así el usuario pueda ver la fecha enque ha realizado tanto cuestionarios, temas y eventos.A continuación se muestra un ejemplo de la pantalla del módulo (Figura 4):3. Pruebas y ResultadosLas pruebas realizadas a este tutorial fueron realizadas por medio de la heurística conlos siguientes puntos:Facilidad de manejo.usuario.Utilización de conceptos, convenciones y lenguaje familiares alControl del usuario. El usuario debe tener libertad de interacción.Si el usuario comete errores debe tener libertad para explorar el dominio del conocimientolibremente.Consistencia y Estándares.manera en la aplicación.La misma información debe aparecer siempre de la mismaPrevención de Errores.Los errores deben ser previstos antes de aparecer.21

Tutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT)Flexibilidad y Eciencia de Uso. Debe existir la posibilidad de realizar pasos de maneraacelerada por parte de usuarios que ya conocen el sistema.Diseño estético.Eliminar información o elementos irrelevantes.Ayuda a los usuarios para reconocer, y aprender de sus errores. Debe utilizarseun lenguaje claro para señalar los errores al usuario que lo ayude a repararlos.Ayudas y Documentación.Ver los cuadros al nal del documento.3.1. ResultadosAl evaluar los resultados de las encuestas realizadas a una muestra de 15 personas, seobtuvieron los siguientes resultados:El 30 % de los usuario opina que la interfaz gráca en general es poco amigable.El 70 % de los usuarios opina que el tutorial les facilitó el aprendizaje de los temas demanejo defensivo.El 50 % de los usuarios opina que el tutorial les facilitó el aprendizaje de los temas delreglamento de tránsito.El 80 % de los usuarios opina que el tutorial les facilitó el aprendizaje de los temas deseñalización.El 40 % de los usuarios opina que se puede mejorar la interactividad del tutorial.El 30 % de los usuarios opina que sería una buena ayuda pedagógica obligar al usuarioa tomar las evaluaciones de los temas.4. ConclusionesLa importancia de los tutoriales inteligentes radica en la posibilidad de conjuntar unconocimiento experto con elementos multimedia, logrando así el aprendizaje sea interactivo,agradable, facilitando al usuario nal la adquisición del conocimientoEste tutorial fue desarrollado con el propósito de aumentar el conocimiento del reglamentode tránsito, las señales de tránsito y las principales reglas para el manejo defensivo;hoy en día los accidentes son más probables que le ocurran a las personas que ignoran estosaspectos de manejo. El tutorial tiene el potencial suciente para poder instruir a los usuariosa adquirir el conocimiento necesario para mejorar su forma de manejo, así cómo saber tomardecisiones rápidas en situaciones difíciles o extremas.Por otra parte este tutorial propicia la convivencia social mediante el conocimiento delas reglas de tránsito, es decir, se le da al usuario todas las herramientas para que puedarespetar las normas establecidas y así evitar perjudicar a terceros.22

Tutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT)También sirve para poder hacer un punto de comparación entre las personas y podersaber quien tiene mejores conocimientos de manejo, e incluso poder determinar que hábitosde manejo se deben dejar.La utilidad de este tutorial se puede llevar a diversos campos: puede aplicarse en lasinstituciones que regulan las vialidades y automóviles o en compañías de seguros, ya seaaplicando las evaluaciones a los conductores para asignarles una licencia de conducir o paradeterminar la prima de un seguro a las personas que soliciten un seguro para automóvil. Estomediante los resultados del tutorial, es decir, que sirvan como parámetro para determinarla prima.BibliografíaKearsley, G., Authoring systems for intelligent tutoring systems on personal computers,Instructional designs for micropunter coursware, Jonassen, D.,De. Hillsdale: LawrenceErlbaum, 1988.Constanza Huapaya1, Francisco Lizarralde1, Jorge Vivas, Graciela Arona, Modelo deevaluación del conocimiento en un Sistema Tutorial Inteligente, Facultad de Ingeniería,Universidad Nacional de Mar del Plata, Mar del Plata, Argentina, 2007.Lajorie, S., Derry, S. /eds., Computers as Cognitive Tools, Lawrence Erlbaum Associates,Hillsdale, NJ, 1993.Parsaye K. y M. Chignell, Expert Systems For Expert, John Wiley & Sons Inc. NewYork, 1988.Wenger Etienne, Articial Intelligence and Tutoring Systems, Morgan Kaufmann Publishers,Inc., California, USA, 1987.23

Tutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT)NombreEvidenciaNombre de la HeurísticaBenecio/SeveridadIntercambio/SoluciónH26Página del menú principalFacilidad de manejoEl tutoriál tiene pantallas con alta facilidad de uso por susencillez en el diseño, y que sus botones son fáciles de entenderNombreEvidenciaNombre de la HeurísticaBenecio/Severidad|Intercambio/SoluciónH28PreguntasControl del usuarioEl usuario es bastante libre dentro del sistema, pero| tienerestricciones así como si fuera un gran campo con rejasalrededorPodría restringir un poco más al usuario para así obligarlo harealizar los exámenesNombreEvidenciaNombre de la HeurísticaBenecio/SeveridadIntercambio/SoluciónB29TemasConsistencia y EstándaresEl tutorial tiene pantallas con alta facilidad de uso por susencillez en el diseño, y que sus botones son fáciles de entenderNombreEvidenciaNombre de la HeurísticaBenecio/SeveridadIntercambio/SoluciónA30PreguntasPrevención de ErroresAl darte varias oportunidades de contestar una mismapregunta, te deja en las próximas visitas contestarcorrectamente, además que si así lo pides, te anuncia o previenesi va a estar mal tu respuesta24

Tutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT)NombreEvidenciaNombre de la HeurísticaBenecio/SeveridadIntercambio/SoluciónH289TemasFlexibilidad y Eciencia de UsoAl poder ingresar editar y borrar los temas de estudio así comolas preguntas el Tutorial puede ser actualizado fácilmenteNombreEvidenciaNombre de la HeurísticaBenecio/SeveridadIntercambio/SoluciónH21Páginas en generalDiseño estéticoEl ser un diseño sencillo y con gran contraste deja ver todo losdetalles tanto en el aprendizaje como en el examen además deque no es cansado para la vistaNombreEvidenciaNombre de la HeurísticaBenecio/SeveridadIntercambio/SoluciónH23Exámenes cortosAyuda a los usuarios para reconocer, y aprender de sus erroresAl momento de contestar mal te da la opción de ver larespuesta correcta y la razón de esa respuestaNombreEvidenciaNombre de la HeurísticaBenecio/SeveridadIntercambio/SoluciónH37próximaAyudas y DocumentaciónAl existir los link de donde fue tomada la información paraconsultarla así como los contactos es sencillo conocer ladocumentación del tutoriál y conar en ella.25

Tutorial de Manejo Defensivo y Normas de Tránsito (TMDNT)26

Tutorial Inteligente: LEGOMEDIA®Óscar Merlos, Alejandro Gómez, Gerardo Miranda, Mónica CastilloIngeniería en Sistemas Computacionales, 8o. semestre1. IntroducciónCuando el plástico alcanzó uso masivo, Ole Kirk se adaptó a los cambios y comenzóa producir juguetes de plástico. Uno de los primeros juguetes modulares producidos porLEGO fue un camión el cual podía ser desarmado y re-ensamblado. No fue hasta 1949 quelos bloques de plástico interconectables fueron desarrollados. Estos "bloques de construcciónautomáticos", fabricados de acetato de celulosa, fueron desarrollados al estilo de losbloques de madera tradicionales, los cuales podían ser apilados unos sobre otros; el conceptorevolucionario, sin embargo, fue el hecho de que los bloques de plástico podían ser "trabados"entre sí. Cada bloque poseía varios botones planos en su cara superior y un fondoahuecado rectangular. Conectando las caras superior e inferior de dos bloques era posiblemantenerlos unidos. En 1953, estos bloques obtuvieron un nuevo nombre: LEGO Mursten o"bloques LEGO". Los ladrillos LEGO han sido considerados desde siempre una invaluableayuda para educadores gracias a su capacidad de desarrollar las habilidades creativas y deresolución de problemas en niños. A partir de la década del 1960 varios maestros comenzarona emplear ladrillos LEGO en el aula por muchos motivos. En 1980 LEGO inauguróel departamento de productos educativos (eventualmente rebautizado como LEGO DACTAen 1989), especícamente para expandir las posibilidades educativas de sus juguetes. En unmundo multimedia, con tantas atracciones es difícil captar la atención y el interés de losalumnos en la escuela. Hoy en día se requiere un ambiente de aprendizaje que potencie eltalento natural, valore lo que ellos ya construyeron en la mente y desafíe sus habilidadesen la justa medida en un proceso continuo y progresivo. En la opinión de los expertos, elaprendizaje debe de ser jugando, para que sea mejor aprovechado e interiorizado por losniños. El aprendizaje y la construcción de signicados por parte del cerebro se maniestacuando éste transforma sensaciones en percepciones, y éstas en conocimientos. [1]LegoMedia® Aprovechando el rápido avance tecnológico y su proyección en aplicacionesmultimedia, la creación de software multimedia para la educación ha ido desarrollándoserápidamente permitiendo un aprendizaje más ameno y más productivo en los niños, jóvenesy adultos. LegoMedia® integra las características educativas de Lego® con la tecnologíamultimedia actual, para ofrecer un contenido divertido e interactivo.27

Tutorial Inteligente: LEGOMEDIA®2. ConstrucciónSe decidió implementar el tutorial en Flash[2] por su contenido dinámico y llamativo, asícomo por su sencillez para programarlo. También utilizamos lenguaje PHP[3] para poderhacer el sistema disponible en Internet con el largo alcance que esto implica. El sistemacuenta con una sección de diagnostico para conocer el nivel del usuario y poder brindarlela educación correspondiente a su conocimiento. Se lleva, dentro del sistema, una bitácorade actividades en las cuales el usuario puede consultar su avance y las tareas realizadas. Setomó como base los trabajos hechos por Carlos Ulloa y John Garden de Papervision queproveen bibliotecas para el manejo de objetos tridimensionales bajo Flash y Flex.[4]Cuenta con un servicio de información con link, a nuevos modelos y cosas curiosas sobrepiezas de LEGO. También se pueden incluir manuales más avanzados y técnicos.El sistema cuenta con una sección de evaluación a manera de poder calicar el desempeñodel usuario y acreditar su paso a niveles superiores.3. AmbienteLos menús principales, la página de registro, bitácora y evaluación se desarrollaron concódigo html y php para manejar el contenido dinámico y, como ya se dijo antes, dejarloabierto al gran público que es el Internet. Ya que estos entornos pueden ser vistos independientementedel sistema operativo o navegador utilizado.Ya en la sección propia del tutorial dedicada a la elaboración de guras se pasa a lainterfaz de Flash, con animaciones vividas de las piezas y el plano. Se escogió Flash puestoque el reproductor es de descarga gratuita y fácil de conseguir. Existe el apartado de armadolibre donde se puede jugar libremente con las piezas permitiendo al usuario idear sus propiosmodelos y guras dentro del plano virtual.4. Secciones4.1. Entrar al tutorialPara entrar al tutorial hay que registrarse si no es ya un usuario (gura 1(a)). Esto estáimplementado con ayuda de PHP y una base de datos cualquiera. Los datos del usuario, asícomo su avance, se almacenan en la base de datos.4.2. Examen diagnósticoSe realizó al principio un examen diagnóstico, no sobre el conocimiento de LEGO sinode la destreza del usuario para utilizar las herramientas diseñadas por el equipo, para así noexigirle al usuario más de lo que puede hacer, sino llevarlo paso a paso.28

Tutorial Inteligente: LEGOMEDIA®(a) Pantalla entrar al tutorial(b) Pantalla general(c) Pantallas Flash(d) Pantallas Flash con retroalimentaciónFigura 1: Pantallas4.3. Información generalEn información general se encuentra la documentación del tutorial, ayuda e instrucciones.4.4. ImágenesLas imágenes se muestran en la gura 1.4.5. Bitácora mi nivel, avanceEn la bitácora se lleva un historial del usuario, su evaluación, los modelos armados elnuevo nivel alcanzado y cuánto le falta para ser todo un experto.29

Tutorial Inteligente: LEGOMEDIA®5. ResultadosExplicamos a continuación los criterios de evaluación y las eurísticas. Las pruebas serealizaron con cuatro personas de distintas edades y distintas ocupaciones. 2 hombres y 2mujeres. Los dos hombres de 15 y 50 años, estudiante de secundaria y contador, y las dosmujeres de 18 y 53 años, estudiante y secretaria. Como nuestro objetivo son estudiantes oniños en etapa de aprendizaje los resultados de la evaluación del tutorial fueron satisfactoriosya que los adultos no mostraros anidad con el sistema mientras que los estudiantes sí. Entrelas Heurísticas evaluadas encontramos:1. Visibilidad del Estatus del Sistema.- Esta prueba se realizó para medir qué tantoel tutorial muestra su estado: Iniciado, en pausa, en qué sección te encuentras, etc.Resultado: En todas las pantallas lo hace.2. Relación entre el Sistema y el Mundo Real.- Utilización de conceptos, convenciones ylenguaje familiares al usuario. Resultado: Como el tutorial es más gráco que textosimple, los conceptos se vuelven más universales.3. Control y libertad del usuario.- Si el usuario comete errores debe tener libertad paraexplorar el dominio del conocimiento libremente.4. Consistencia y Estándares.- La misma información debe aparecer siempre de la mismamanera en la aplicación. Resultado: la gura 2 muestra la pantalla del tutorial y,como se puede observar, los botones están siempre en el mismo lugar con gurasrepresentativas para que el usuario no tenga que recordar, solo reconocerlos. (PUNTO6)5. Prevención de Errores.- Los errores deben ser previstos antes de aparecer. Resultado:Algunas colisiones no fueron previstas y nos topamos con éstas a la hora de hacer laspruebas.6. Reconocer en vez de recordar.- Deben mostrarse siempre todas las acciones disponiblespara el usuario, no pretender que él las recuerde.7. Flexibilidad y Eciencia de Uso.- Debe existir la posibilidad de realizar pasos de maneraacelerada por parte de usuarios que ya conocen el sistema. Resultado: SÍ EXISTE.8. Diseño estético y minimalista.- Eliminar información o elementos irrelevantes. Resultado:Las pantallas son muy simples, tan simples que una ocasión un usuario comentóque le hacia falta más vividez y color.9. Ayuda a los usuarios para reconocer, diagnosticar y reparar sus errores.- Debe utilizarseun lenguaje claro para señalar los errores al usuario que lo ayude a repararlos.Resultados: Esta retroalimentación se lleva a cabo mediante cuadros de color, cuandose coloca mal una pieza el contorno del cuadro se torna de otro color y emite un sonidoindicando que ahí no puede colocarse la pieza.Entre los resultados encontrados y retroalimentación de los usuarios junto con la evaluaciónde las eurísticas nos dio mucho más en que trabajar.30

BIBLIOGRAFÍA6. ConclusionesEl objetivo principal del tutorial era atraer a individuos que estuvieran en su etapade aprendizaje para auxiliarlos en el desarrollo mental y de percepciones. Como vimos enlos resultados, sólo a los estudiantes les atrae el tutorial mientras que a los más adultosse les acaba la paciencia. El tutorial cumple con los puntos característicos de un TutorialInteligente.Bibliografía[1] Folleto: Proyecto de educación Tecnológica de Lego.[2] Julie Callahan, Charles C. H. Jui, Macromedia ash in physics education aspire's interactiveonline labs and lessons, Conference abstracts and applications, ACM, July 2002.[3] Andi Gutmans, PHP: Supporting the New Paradigm of Situational and Composite WebApplications, International Conference on Management of Data, ACM, 2006.[4] http://mosaic.uoc.edu/entrevistas/culloa0907.html31

BIBLIOGRAFÍA32

Aplicación de dinámica de sistemas alestudio de dos casos: El consumo deagua en la cuidad de México y la fugade cerebros de MéxicoRodrigo Arce Z., Lizette Barrera C., Ana Lilia González D., Víctor Mora N., ErnestoRaya A., Fernando Silva N.Ingeniería Industrial y Gestión e Innovación Tecnológica, 8o. semestre1. ObjetivoEl objetivo de este trabajo es comprender las causas estructurales que provocan dosproblemáticas actuales de México: El consumo de agua en la Ciudad de México y la fugade cerebros del país. Para dicho análisis se utilizó la metodología de pensamiento sistémicoDinámica de Sistemas.2. Dinámica de sistemasEsta metodología, creada por Jay Forrester del MIT en los años sesentas, permite describirsituaciones problemáticas, buscar la compresión de las estructuras que causan comportamientosno deseados y diseñar los cambios de las estructuras y las políticas que haganque el sistema se comporte de una manera más satisfactoria.Durante sus más de 40 años de existencia, la Dinámica de Sistemas se ha empleadopara construir modelos de simulación informática en casi todas las ciencias, sirviendo comoherramienta de análisis de sistemas sociales, económicos, físicos, químicos, biológicos yeconómicos.Sus elementos principales son:1. Diagrama Causal: Diagrama que recoge elementos claves del sistema y las relacionesentre ellos.33

Aplicación de dinámica de sistemas al estudio de dos casos: El consumo de agua en lacuidad de México y la fuga de cerebros de México2. Diagrama de Forrester: Traducción del diagrama causal a una terminología que facilitela escritura del modelo en ecuaciones para la simulación. Sus elementos son:Variables de nivel: Nos muestran en cada instante la situación del modelo.Variables de ujo: Elementos que pueden denirse como funciones temporales.Variables auxiliares o constantes: Permiten una mejor visualización de los aspectosque condicionan el comportamiento de los ujos.Sus principales ventajas son:1. Muestran consecuencias dinámicas de las interacciones entre componentes del sistema.2. Toma en cuenta la retroalimentación que hay en el sistema.3. Busca la formulación explícita de las experiencias en un programa para la simulaciónque obliga a examinar, formalizar y precisar las imágenes mentales.4. Da una mayor comprensión a través de diferentes perspectivas.3. Caso 1: Consumo de agua en la ciudad de méxico3.1. ObjetivoEl objetivo de este modelo es estudiar en cuánto tiempo se terminará el agua paraconsumo humano en la Ciudad de México, así como identicar las variables claves y haceruna propuesta para maximizar el tiempo de disponibilidad de agua.3.2. IntroducciónEl agua se obtiene de tres fuentes principales:Mantos acuíferos con 71 %Río Lerma y Cutzamala con 26.5 %Río Magdalena con el 25 %Los acuíferos son la principal fuente de abastecimiento de agua en la zona Metropolitana dela Ciudad de México; el suelo de esta zona es de tipo volcánico formando mantos acuíferos.La lluvia desempeña un papel importante en la recarga de los mantos ya que, al escurrir porla supercie del suelo se inltra directamente en el subsuelo hasta llegar a los acuíferos. Enpromedio tenemos una precipitación uvial de 17 mm anuales en el DF y la supercie es de149900 Has.Actualmente el volumen de agua que extraemos de los acuíferos y ríos es mayor quela que se recupera naturalmente por la lluvia, cada segundo se extraen 62 metros cúbicosy sólo se reponen 25 metros cúbicos. Cabe destacara que el 35 % de este ujo se pierde34

Aplicación de dinámica de sistemas al estudio de dos casos: El consumo de agua en lacuidad de México y la fuga de cerebros de MéxicoFigura 1: Diagrama Causal de la dinámica del consumo de agua en la Ciudad de México3.4. DiagramasLas Figuras 1 y 2 muestran el diagrama causal y el diagrama de Forrester de la dinámicade consumo de agua en la Ciudad de México. En ellos se pueden observar 2 bucles:Bucle Positivo: Población - Nacimientos - Población.Bucle Negativo: Población - Defunciones - Población.3.5. ResultadosSe utilizó el Software de simulación Vensim y se eligió un horizonte de simulación de120 meses. El resultado del comportamiento del nivel de agua para el consumo humano semuestra en la Figura 3. Se aprecia que con el consumo actual y en las condiciones que sedan el suministro del agua, esta se terminaría, aproximadamente en siete años y medio.36

Aplicación de dinámica de sistemas al estudio de dos casos: El consumo de agua en lacuidad de México y la fuga de cerebros de MéxicoFigura 2: Diagrama de Forrester de la dinámica del consumo de agua en la Ciudad de MéxicoEn la Figura 4, podemos observar que la población va aumentando de manera casilineal, lo que nos lleva a la conclusión de que los problemas de agua no son provocados porun aumento desmesurado en la población.3.6. SugerenciasLuego de estudiar el modelo nos damos cuenta de que la clave está en disminuir lademanda de agua por habitante y como podemos observar en la Gráca 1, aumentar elporcentaje de agua tratada y disminuir el porcentaje de pérdidas. Para esto proponemos:1. Para disminuir el consumo promedio por habitante hay que hacer campañas para crearFigura 3: Nivel de Agua para el consumo humano37

Aplicación de dinámica de sistemas al estudio de dos casos: El consumo de agua en lacuidad de México y la fuga de cerebros de MéxicoFigura 4: Crecimiento poblacionalFigura 5: Nivel de Agua para el consumo humano después de implementar las propuestasuna cultura del consumo de agua y poner penalizaciones si el consumo promedio rebasalos 4 m 3 /habitante.2. Si utilizamos al máximo las plantas de tratamiento de agua en el DF el porcentaje deagua tratada aumentaría al 12 %.3. Con la campaña mencionada en el punto 1, la penalización económica y una inversiónen el sistema de distribución de agua podríamos disminuir el porcentaje de pérdidasal 20 %.Al volver a hacer la simulación con estos datos vimos que sólo logramos tener agua durante10 años. (Ver Figura 5). Es necesario, entonces tomar medidas más ecaces, aumentando elporcentaje de agua tratada, disminuir el porcentaje de fugas y el consumo promedio.Como podemos ver la estrategia planteada no fue suciente, se deben modicar másfactores para hacer que el nivel de consumo y regeneración se empareje; una solución podríaser aumentar la capacidad de las plantas tratadoras de agua, disminuir aún más las fugas oreducir población.38

Aplicación de dinámica de sistemas al estudio de dos casos: El consumo de agua en lacuidad de México y la fuga de cerebros de México4. Caso 2: Fuga de cerebros de méxico4.1. ObjetivoEl objetivo de de este modelo es estudiar cómo se comportará el desarrollo de cientícosmexicanos, y cuántos de estos se irán a otro país para trabajar. Vamos a ver el comportamientodesarrollo de cientícos contra fuga de cerebros.4.2. IntroducciónEn años recientes se han realizado varias encuestas en México para conocer el tamaño denuestra fuerza cientíca. Como quiera que se mida (número de cientícos activos, númerode proyectos en marcha, número de publicaciones, número de estudiantes graduados, etc.)los resultados siempre han conrmado lo que todos sospechaban y los cientícos sabían muybien: como el resto del país, la ciencia en México está subdesarrollada. Uno de los datos máselocuentes (por mencionar sólo uno, que apoya lo que sigue) es que mientras en México sólohay una persona trabajando en la ciencia y el desarrollo por cada 10 000 habitantes, en laRepública Federal Alemana hay 20, en Japón 36, en Israel 40 y en EUA 42. Eso quiere decirque para nuestro país cada cientíco es 20 veces más importante que en Alemania o 40 vecesmás importante que en los EUA. Por lo tanto, podría suponerse que uno de los "problemasnacionales" con más alta prioridad debería ser la "fuga de cerebros cientícos".La política ocial de México ante el obvio y grave problema de la "fuga de cerebroscientícos" ha oscilado entre la falta total de reconocimiento de su existencia y la burlagrotesca, ignorante y de pésimo gusto ante su urgente realidad. Sin embargo, el problemano sólo existe desde hace muchos años sino que en estos tiempos su magnitud amenaza conagravarse en forma inminente. Las consecuencias de tal pérdida serían mucho más dolorosasy prolongadas que la caída del precio del petróleo en el mercado internacional, porque nosólo comprometerían nuestro presente sino que además cancelarían nuestra participación enel futuro; de hecho, en el mundo contemporáneo y en el siglo XXI no hay lugar para lospaíses que no sean cientícamente fuertes.Las distintas formas que actualmente adopta la "fuga de cerebros cientícos" ocurren através de tres salidas o compuertas diferentes: 1) la "muerte prematura"; 2) la "fuga interna"y 3) la "fuga externa".1. La muerte prematura (20 %). Se reere a todos aquellos estudiantes que alguna vezincluyeron a la ciencia entre sus opciones para el futuro, pero la cancelaron tan prontocomo obtuvieron información conable sobre varios parámetros cruciales, como son supromesa de impacto en los problemas sociales más urgentes de México, su relevancia enuna sociedad que todavía tiene que decidir si acepta a la ciencia como una alternativaviable para planear su futuro. Finalmente, la "muerte prematura" como mecanismo de"fuga de cerebros" funciona cuando algún estudiante de maestría o doctorado decideabandonar el grado académico y dedicarse a otras actividades, decepcionado por losproblemas de obtención de material y equipo, que cada vez están peor y no presentanvisos de posible mejoría.39

Aplicación de dinámica de sistemas al estudio de dos casos: El consumo de agua en lacuidad de México y la fuga de cerebros de México2. La fuga interna consiste (20 %) en el abandono de trabajo cientíco por ocupacionesadministrativas o de otros tipos. Cuando esto ocurre con un investigador ya maduro ycon una carrera muy productiva detrás de él, y si además se trata de administrar a laciencia, todos salimos ganando. Lo más frecuente es que un investigador joven y contoda la vida por delante, cambie el laboratorio por un escritorio, encandilado por laposibilidad de adquirir autoridad para resolver tantos y tantos problemas con los queha tenido que enfrentarse y en los que siguen empantanados sus colegas. Lo grave deesta situación es que al investigador no se le puede sustituir con otro porque no hay,mientras que el trabajo administrativo es menos especializado y por lo tanto es másfácil encontrar sustituto para que lo desempeñe.3. La fuga externa (40 %) es la variedad más conocida y a la que habitualmente se hacereferencia cuando se habla de "fuga de cerebros". Consiste en el exilio de los cientícosmexicanos, que dejan nuestro país y se van a vivir al extranjero, en donde encuentranmejores condiciones de trabajo.La "fuga de cerebros cientícos" es un verdadero "problema nacional" que debería recibirla más alta prioridad de las autoridades relevantes. Lo peor que puede hacerse es negar suexistencia o acusar demagógicamente a los que se van de "malos mexicanos". Es indispensableque el problema se mire de frente y con honestidad, se examine minuciosamente suscausas y se propongan y ejecuten las medidas para eliminarlas. Se trata de una verdaderaemergencia, en vista de que la crisis está haciendo cada vez más difícil la vida y el trabajode los cientícos mexicanos.4.3. Variables caso fuga de cerebrosA continuación se describen las variables y ecuaciones que afectan la dinámica de la fugade cerebros.4.3.1. Variables de NivelFuga de cerebros = Cientícos que salen.Desarrollo cientíco nacional = No. de publicaciones cientícas Cientícos que salen.4.3.2. Variables de FlujoNo. de publicaciones cientícas = (Cientícos por hab. + Estudiantes graduados de ciencias+ Institutos de investigación)/cientícos que salen.Cientícos que salen = Estudiantes graduados de ciencia - Empresas cientícas paracontratación + Fuga externa + fuga interna + Muerte prematura.4.3.3. Variables Auxiliares40Institutos de investigación = 50.Estudiantes graduados de ciencia = 10,000.Cientícos por habitante = Estudiantes graduados de ciencia - Cientícos que salen.

Aplicación de dinámica de sistemas al estudio de dos casos: El consumo de agua en lacuidad de México y la fuga de cerebros de MéxicoFigura 6: Diagrama Causal de fuga de cerebros de MéxicoFuga interna = 0.2* Estudiantes graduados de ciencia.Muerte prematura = 0.2 * Estudiantes graduados de ciencia.Fuga externa = 0.4 * Estudiantes graduados de ciencia.Desarrollo cientíco internacional = 4. (400 % más que México).Desarrollo económico = -Índice de desempleo * Fuga de cerebros.Índice de desempleo = 5.Empresas cientícas para contratación = 504.4. DiagramasLas Figuras 6 y 7 muestran el diagrama causal y el diagrama de Forrester de la dinámicade fuga de cerebros de México.4.5. Resultados y sugerenciasSe utilizó el Software de simulación Vensim y se eligió un horizonte de planicación de100 meses.Con el modelo actual y los datos ingresados se puede observar en la Figura 8 que eldesarrollo cientíco nacional disminuye prácticamente en la misma proporción con que la41

Aplicación de dinámica de sistemas al estudio de dos casos: El consumo de agua en lacuidad de México y la fuga de cerebros de MéxicoFigura 7: Diagrama de Forrester de la fuga de cerebros de MéxicoFigura 8: Población de Cientícos Nuevos vs. Cientícos que emigran42

Aplicación de dinámica de sistemas al estudio de dos casos: El consumo de agua en lacuidad de México y la fuga de cerebros de MéxicoFigura 9: Diagrama de Forrester Modicado de la fuga de cerebros de Méxicofuga de cerebros aumenta. Posterior a esta simulación se analizaron las ecuaciones y seobservaron qué variables son las que más afectan a los cientícos que salen y a No. depublicaciones cientícas. Esto debido a que Desarrollo cientíco nacional es igual a No.de publicaciones cientícas Cientícos que salen, a la vez que Fuga de cerebros es iguala cientícos que salen.Se decidió aumentar el número de institutos de investigación y agregar un incentivoque funcionara como factor para incrementar las publicaciones cientícas. A la vez se optópor hacer 0 el valor de Fuga interna, Fuga Externa y Muerte Prematura para apreciarel funcionamiento del sistema si estos factores se disminuyeran al mínimo. Asimismo, seaumentó el valor de empresas cientícas para contratación. La Figura 9 muestra el diagramade Forrester después de hacer las modicaciones propuestas al sistema.La nueva simulación mostró que la fuga de cerebros aún se incrementa con el paso deltiempo (Ver Gráca 5), sin embargo tiene una pendiente mucho menor que en la primerasimulación (Ver Figura 10). Por otro lado, el Desarrollo cientíco nacional tiende a crecer adiferencia del primer caso donde disminuía en la misma proporción en que la fuga de cerebrosaumentaba.Estos resultados sugieren que la solución está en disminuir la fuga interna, externa ymuerte prematura, aumentando las empresas cientícas para contratación y ofreciendo incentivospara aumentar las publicaciones cientícas. Como se puede observar es un problemacomplejo, pero si se enfoca en estos puntos, el desarrollo cientíco crecerá con el paso deltiempo.5. Conclusiones generalesLuego de realizar estos modelos podemos decir que comprobamos la utilidad y versatilidadde la dinámica de sistemas que aportó la metodología mientras que el Software Vensimnos mostró la relación dinámica de las variables. Gracias a esto se pudo estudiar un fenómenofísico y un fenómeno social. Además con los diagramas pudimos identicar las variablesclaves del modelo, esto nos da una pauta sobre qué valores debemos modicar para obtener43

Aplicación de dinámica de sistemas al estudio de dos casos: El consumo de agua en lacuidad de México y la fuga de cerebros de MéxicoFigura 10: Población de Cientícos Nuevos vs. Cientícos que emigranlos resultados deseados.Es importante mencionar la importancia de la investigación previa para determinar elvalor de las constantes y la relación entre variables.Bibliograahttp://www.elporvenir.com.mx/notas.asp?nota_id=104590http://www.sagarpa.gob.mx/dlg/df/ganaderia/http://www.copo.df.gob.mx/calendario/calendario_2004/marzo/agua.htmlForrester, Industrial Dynamics, Productivity Press, 1986.Forrester, Principles of systems: text and woorkbook, 1980.Sengue Meter, La Quinta Disciplina, Editorial Granica.Sterman, Business Dynamics, McGraw Hill, 2000.44

Control por Modulación de Ancho dePulsoMaricarmen Sánchez H., José Ernesto Martín del Campo, Daniel Mariscal A.Ingeniería Mecatrónica, 8o. semestre1. IntroducciónLa modulación por ancho de pulsos (o PWM, de pulse-width modulation en inglés) esuna técnica en la que se modica el ciclo de trabajo de una señal periódica (por ejemplosinusoidal o cuadrada).El PWM es una técnica muy usada para el control de la velocidad el cual puede solucionarel problema de una baja eciencia al encender un motor.En un controlador PWM se provee de un valor jo del voltaje (tal como 12V) que locomience a hacer girar inmediatamente. Continuando este ciclo on/o del voltaje con unciclo de trabajo que varía, la velocidad del motor puede ser controlada. Las formas de ondaen el cuadro que se muestra en la gura 1 ayuda para explicar la manera en la cual estemétodo de control funciona. En cada caso la señal tiene voltajes máximos y mínimos de 12Vy de 0V.En la forma de onda 1a, la señal tiene un cociente mark-space de 1:1. Con la señal en12V para el 50 % del tiempo, el voltaje medio es 6V, así que el motor funciona en lamitad de su velocidad máxima.En la forma de onda 1b, la señal tiene un cociente mark-space de 3:1, que signica quela salida está en 12V para el 75 % del tiempo. Esto da claramente un voltaje medio dela salida de 9V, así que el motor funciona en 3 /4 de su velocidad máxima.En la forma de onda 1c, la señal tiene un cociente mark-space es 1:3, dando una señalde salida que sea 12V para el apenas 25 % del tiempo. El voltaje medio de la salida deesta señal es 3V justo, así que el motor funciona en 1 /4 de su velocidad máxima.45

Control por Modulación de Ancho de PulsoFigura 1: Formas de onda del PWMVariando el cociente mark-space de la señal en todo el rango, es posible obtener cualquiervoltaje medio deseado de la salida, de 0V a 12V. El motor funcionará perfectamente bien,a condición de que la frecuencia de la señal pulsada se je correctamente (por ejemplo, unafrecuencia conveniente es 30Hz). Fijar la frecuencia demasiado baja da una mala eciencia,y jarla demasiado alta aumenta de la fuerza de la impedancia del motor.2. Teoría del PWMEl ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte alta en relaciónal periodo. Matemáticamente:D = τ Tdonde D es el ciclo de trabajo, τ es el tiempo en que la función es alta (ancho del pulso) yT es el periodo de la función.La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador condos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda triangular,mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida, la frecuenciaes generalmente igual a la de la señal triangular, y el ciclo de trabajo está en función de laseñal portadora.La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que hayainterferencias generadas por radiofrecuencia. Estas pueden minimizarse ubicando el controladorcerca de la carga y realizando un ltrado de la fuente de alimentación.Una unidad PWM permite asignar cierta duración de tiempo en alto o en bajo a undato digital de n bits que se considera salida de la etapa procesadora. Lo anterior se lograconectando un contador y un circuito comparador, tal y como se aprecia en la gura 2.El comparador determinará si el dato aplicado a la entrada de la unidad es igual al valorbinario del contador que cambia constantemente. El tiempo que durará la señal en altodepende de la cantidad de pulsos de reloj que se apliquen hasta que el contador presenteun dato binario mayor o igual al de la entrada. A la salida de la unidad PWM es necesario46

Control por Modulación de Ancho de PulsoFigura 2: Circuito esquemático del PWMconectar un ltro RC (Pasa Bajas) para determinar el nivel analógico propuesto por el ltro.El periodo completo de un ciclo PWM es igual al producto del periodo del reloj de la señalde referencia (reloj del sistema) con 2n, donde n es el número de bits del contador propuesto.Obsérvese la relación siguiente:T P W M = 2 n T reloj (1)Es posible advertir que si el contador es de 4 bits, se tendrá que T P W M = 16T reloj , porlo que al aumentar el número de bits del contador para mejorar la resolución, el periodoPWM tenderá a hacerse más grande, reduciendo drásticamente la frecuencia de salida. Loanterior es sumamente importante cuando se desee realizar una aplicación que sí requierasincronizar la señal analógica para controlar un sistema.3. Construcción del circuitoPara los propósitos del diseño planteado, considérese una frecuencia de referencia de 60Hz, con un contador de 4 bits, y sustituyendo en la ecuación (1), se obtiene una frecuenciaPWM de 3.75 Hz, equivalente a un T P W M de 0.26 seg. La relación de los valores del ltroestá dada por:RC =12πF P W M(2)por lo que eligiendo C= 1µF, se obtiene un valor para R de aproximadamente 42 KΩ (esposible ajustar a un valor comercial más exacto). En nuestro caso particular, se diseñará unaunidad PWM de frecuencia baja por lo que no es necesario considerar aspectos de diseñomás formales en el ltro. En diseños formales se recomienda estimar una frecuencia de cortemenor a la frecuencia PWM, y no es común considerarlas iguales, tal y como se hizo en laaproximación anterior. En tal situación será necesario sustituir la frecuencia PWM por lafrecuencia de corte en la ecuación (2), o tal vez hasta considerar un ltro de mayor ordenque permita una mejor estabilidad de la señal.Se pueden utilizar dos CI 555 y algunos potenciómetros para generar una señal de PWM,y puesto que el PWM proporciona una señal digital, on/o, también es fácil utilizar una47

Control por Modulación de Ancho de PulsoFigura 3: Circuito generadore de un PWMPC o un microcontrolador para crear la señal. El circuito de la gura 3 utiliza dos CI 555y es realmente una combinación de dos tipos de circuito. El primero es un multivibradorcorriente libre (astable) con una frecuencia ajustable alrededor de 30Hz. La salida de estecircuito entonces acciona un pulso que forma el circuito (monostable) que ajusta la anchuradel pulso. El circuito produce un ciclo de trabajo en el rango aproximado del 0.3 % al 97 %.La velocidad del motor se controla con un solo potenciómetro, el de la segunda etapa.El motor se prende y apaga gracias a un TIP31C el cual puede manejar los motores hasta3A en 100V, o una energía total de 40W.Bibliografíahttp://homepages.which.net/~paul.hills/SpeedControl/SpeedControllersBody.htmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci %C3 %B3n_por_ancho_de_pulsoshttp://cidetec.ipn.mx/profesores/jcrls/doctos/aplic_cidetec.pdf48

Control de un actuador eléctricoJoaquín Landa Elordui, Pilar Aguayo VargasIngeniería Mecatrónica, 8o. semestre1. IntroducciónEl presente trabajo tiene como nalidad practicar los temas vistos en clase aplicándolosa un modelo físico real, hemos escogido presentar la relación entre voltaje suministrado ymovimiento lineal en un actuador eléctrico sencillo. Estos actuadores se utilizan desde losseguros eléctricos de los automóviles hasta en diversas aplicaciones en la industria.La realización del modelo es una aproximación muy básica al funcionamiento real delactuador, ya que es necesario hacer mediciones complicadas y tener datos difíciles de obtenerpara tomar en cuenta todas las variables implicadas.2. Presentación del dispositivoEn la gura 1(a) mostramos una imagen del actuador en cuestión. Estos aparatos cuentancon un pequeño motor de CD para 12 V en su interior y una caja reductora con unacremallera en la salida, como se muestra en la imagen (b).Para nuestro análisis la entrada será el voltaje aplicado al motor y la salida será elmovimiento lineal del vástago del actuador.2.1. Diagrama del actuadorEl diagrama del actuador se presenta en la gura 2.2.2. Función de transferencia del sistemaCabe volver a mencionar que debido a la complejidad de medir todas las variables delsistema, asumimos las variables que lo indiquen por medio de un *.49

Control de un actuador eléctrico(a)(b)Figura 1: Actuador eléctricoFigura 2: Diagrama del actuadorCajan 1 = 7n 2 = 31n 3 = 8n 4 = 11r3 = 12,5mmMotor∗ kb = 0∗ b = 0,01∗ J = 0,01∗ Nc = 200vueltasC = 3 bobinasP = 2 polosA continuación se muestran las ecuaciones deducidas el curso de modelado de sistemasfísicos para un motor de CD.donde:θ 1 (s)V (s) =km = kkms(s+ 1T m ) = 31,8s(s+1)JR = 95,51T m = Rb+kb0,01∗300 = 31,8JR = 150

Control de un actuador eléctricoθ 1 (s): desplazamiento angular de la echaV(s): voltaje aplicado al sistemaJ: momento de inerciaR: resistenciab: constante de amortiguamientok = ZP2πa = 1200 ∗ 22π ∗ 4 = 95,5donde:Z: número de conductoresP: número de polosa: caminos de corrientea = mp = 2 (2) = 4z = 2CNc = 2 (3) ∗ 200 = 1200donde:m=2 (por el tipo de motor)C : número de bobinasNc: número de vueltas por bobinaAhora veremos las ecuaciones para la caja reductora. Por razones de complejidad elanálisis de la caja se limita a su comportamiento ideal y no se toman en cuenta todos losfactores que intervienen en el sistema.˙θ 1 (s)˙θ 2 (s) = n 2n 1n 1 ˙θ1 (s)n 2= ˙θ 2 (s) = sX(s)r 3donde:X(s): desplazamiento lineal a la salida del actuadorr3: radio del último engrane de la cajaAsí nuestra función de transferencia nalmente queda:X(s)V (s) = 0,09s(s + 1)En la gura 3(a) se muestra el comportamiento de esta función en el tiempo ante unaentrada escalón.2.3. Análisis del sistema por medio del Lugar de las RaícesPara cualquier valor de la ganancia del sistema tendríamos una función de transferencia:X(s)V (s) =Ks(s + 1)Y para un sistema como el de la gura 4, la gráca del lugar de las raíces (LDR) semuestra en la gura 3(b).Ahora calculamos los diferentes elementos del LDR:51

Control de un actuador eléctrico(a) Respuesta temporal(b) Lugar de las raícesFigura 3: Sistema originalFigura 4: Sistema originalAsíntotas:λ = 180◦ (2k + 1)n − m→ k = 0, 1, 2...Por tanto hay dos asíntotas: a 90° y -90°.Centroide:σ =Σpolos − Σcerosn − m= −1 + 02= − 1 2Ángulos de salida:θ sp = Σθ − Σϕ − 180 ◦ (2k + 1)Los ángulos de salida quedan de 0°. Esto es así porque no hay polos complejos.52

Control de un actuador eléctrico(a)(b)Puntos de ruptura e ingreso:Figura 5: Sistema compensadoKs(s+1) + 1 = 0K = −s(s + 1)∂K= −(2s + 1) = 0∂ss = − 1 2Como este punto pertenece al LDR, entonces es un punto de ruptura.Este sistema se mantiene estable, ya que nunca pasa al lado derecho del plano complejo.El único límite para regular la ganancia son los límites físicos.3. Ajustando el sistema con un compensador de adelantoSi requerimos que ζ = 0,7 y t s = 1s, donde ζ es el coeciente de amortiguamiento relativoy t s es el tiempo de establecimiento, entonces:t s = 4ζω nR = ζω n = 4 t s= 4I = ω n√1 − ζ 2 = 2,86Los polos deseados están en 4 ± j2,86 (gura 5(a)).El cálculo de los ángulos de los polos existentes nos da los siguientes valores:θ 1 = 180 ◦ − tan−1 2,863= 136,37 ◦θ 2 = 180 ◦ − tan−1 2,864= 144,43 ◦Ponemos el cero sobre el polo que se encuentra en -1 para que se cancelen y la sumatoriade ángulos queda:−136,37 ◦ − 144,43 ◦ + 136,37 ◦ + δ = −180 ◦δ = −35,570 ◦ 53

Control de un actuador eléctrico(a)(b)Figura 6: Diagrama de Bode del sistemaPor tanto el compensador de adelanto tiene la siguiente forma:s+1C(s) = K C s+8s+1 0,091 + K C s+8 s(s+1) = 0K C = ∣ s(s+8)0,09∣ = 4,92∗4,920,09= 268,66c(s) = 268,66 s + 1s + 8El sistema compensado gracado en el tiempo se presenta en la gura 5(b). Como sepuede observar, el sistema se vuelve mucho más rápido con el compensador introducido.Esto es porque los compensadores de adelanto permiten modican el transitorio del sistemapara obtener la respuesta deseada.4. Análisis del sistema por diagramas de BODELos diagramas de Bode nos conrman lo que ya habíamos deducido con el método delLDR: el sistema es estable. Como se ve en la gura 6(a), el margen de fase es por lo menosde 80° y el margen de ganancia tiende a innito.4.1. Compensador de adelantoIntroduciremos un compensador de adelanto para tener una constante de error de velocidadK v = 20s −1 y conservar un margen de fase superior a 15°.540,09K(T s+1)K v = líms→0 s(s+1)(αT s+1) = 20K = 222,22

Control de un actuador eléctricoGracamos el sistema compensado en ganancia G 1 (s) (gura 6(b)):G 1 (s) =20s(s + 1)El margen de fase de G 1 (s) es de aproximadamente 12°, que utilizaremos para calcularel cambio de fase φ m que aportará el compensador.El margen de fase adicional es φ m = 15 − 12 + 60 (colchón requerido con pruebas anteriores)= 63°. Esto nos permite calcular el factor de atenuación α y la ganancia introducidapor el compensador:α = 1 − sin φ m1 + sin φ m= 0,061√ α= 4,1 → 12,2dBEsto ocurre en ω C = 0,5Hz x2π = π rad/s. Así pues, podemos calcular la ganancia y lasfrecuencias de corte del polo y del cero del compensador:ω m = 1T √ α = π1T = ω C√ α = 0,771αT = 0,77α = 12,8K C = k α = 3703El sistema compensado resultante es el de la gura 7(a). La ganancia de lazo de estesistema es:C(s)P (s) =333,33(s + 0,77)s(s + 12,8)(s + 1)Vemos que el sistema cumple con el margen de fase deseado y excedido y con la K vpropuesta. El margen de ganancia ya se cumplía desde antes de la compensación por lascaracterísticas del sistema.Ahora vemos este sistema comportándose en el tiempo ante una entrada escalón en lagura 7(b).Como podemos observar, el sistema con este compensador es aun más rápido que con elcompensador diseñado con LDR. Aunque hay que mencionar que nuestras especicacionesfueron diferentes para ambos sistemas, ya que un margen de fase de 20 ◦ equivale aproximadamentea un coeciente de amortiguamiento de ζ = 0,2.5. Análisis del sistema con diagramas de NyquistPor último, en este tipo de gráco como el de la gura 8, podemos observar las característicasque los otros métodos nos habían arrojado: el sistema es siempre estable, ya que el55

Control de un actuador eléctrico(a)(b)Figura 7: Sistema compensadográco no rodea ninguna vez al punto −1, lo que nos quiere decir que no hay polos del ladoderecho del plano complejo.Para conocer el sentido que sigue el gráco recorreremos el eje imaginario de ω = 0 aω = ∞.G(jω) = 0,09jω(jω+1) = 0,09G(jω) = ∞∠0◦límω→0límω→∞G(jω) = 0∠180◦ω √ ω 2 +1Esto nos conrma que el sentido de giro es horario.∠ tan−1−1−ω6. ConclusionesLos actuadores eléctricos son siempre elementos estables por las características que poseen.Es posible incrementar su velocidad de operación (entre otros parámetros) utilizandocompensadores, siempre y cuando estemos en los límites de lo realizable físicamente.Los temas vistos en clase son elementos muy útiles para analizar sistemas físico y tenerun control óptimo sobre ellos.Los compensadores nos sirven para modicar el comportamiento del sistema originaly mejorar características especícas deseadas. Es recomendable conocerlos bien para sabercuál es más conveniente utilizar en determinado caso.Es posible adentrar mucho más en los temas para perfeccionar las habilidades al utilizarlos.56

Control de un actuador eléctricoFigura 8: Diagrama de NyquistBibliografíaOgata Katsuhiko, Ingeniería de Control Moderna, Pearson. Prentice Hall, Terceraedición.Prof. Eduardo Haro, Apuntes del curso de Modelado de Sistemas físicos, 2007.Prof. Eduardo Haro, Apuntes del curso de Elementos de Control, 2007.Apuntes del curso de Máquinas Eléctricas, 2007.Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas, Mc Graw Hill, 4 ed.57

Control de un actuador eléctrico58

Diseño y Construcción de un RobotParalelo 2RR (Mecanismo de 5barras)Thania Delgado, Martín Barrios, Víctor HernándezEspecialidad en Sistemas Avanzados de Manufactura1. IntroducciónEn este documento se describe el desarrollo del proyecto nal de la asignatura de DiseñoMecatrónico Avanzado, dentro de la Especialidad en Sistemas Avanzados de Manufactura.El proyecto ha consistido en el diseño, simulación y construcción de un robot plano paralelo2RR (mecanismo de 5 barras) con dos grados de libertad, controlado de manera simplemediante un esquema de lazo abierto. Para probar su funcionamiento se ha elaborado unprograma de computadora que ha sido alimentado en un microcontrolador que controla dosservomotores. Este programa prácticamente consiste en la lectura de una tabla de datos conlos valores que los grados de libertad deben tomar para generar una trayectoria especíca.Estos valores son el resultado de un análisis cinemático del mecanismo, realizado empleandotécnicas de sistemas multicuerpo.El empleo de sistemas mecánicos se ha modicado a lo largo del tiempo. Originalmente,estos sistemas emplearon mecanismos con un solo grado de libertad (GDL), pero el desarrollode los procesos industriales así como la creciente necesidad de realizar operaciones cada vezmás complejas y con mayor exibilidad, ha obligado a considerar nuevas soluciones con mayornúmero de GDL (mecanismos multi-GDL), como son los sistemas robóticos, particularmentelos robots manipuladores.Los manipuladores son sistemas mecánicos robóticos que tiene como objetivo manipularobjetos. Su uso avanzado es relativamente reciente ya que es a nales de la Segunda GuerraMundial, cuando se hace necesaria la manipulación de sustancias radio-activas, que se desarrollanlos primeros manipuladores de 6 GDL. Este tipo de robots, que asemejan la formadel brazo humano, están compuestos por una serie de elementos rígidos unidos entre sí porpares cinemáticos de tipo rotacional o prismático fundamentalmente, razón por la cual se les59

Diseño y Construcción de un Robot Paralelo 2RR (Mecanismo de 5 barras)Figura 1: Robot serial de 6 GDL, Kuka Robotics Corporationllama robots seriales, formando lo que se denomina una cadena cinemática abierta (gura1).Por otro lado, en contraposición a los manipuladores de cadena abierta, es posible eluso de manipuladores de cadena cerrada, también llamados robots paralelos. Este tipo demecanismos están compuestos por una o varias cadenas cinemáticas cerradas, formadas pordiferentes tipos de elementos y pares cinemáticos. Los manipuladores paralelos tienen unelemento móvil (plataforma móvil) unido a un elemento jo (plataforma ja) por medio devarias cadenas cinemáticas, como es el caso de los robots mostrados en la gura 2.Del mismo modo que los robots seriales, los robots paralelos poseen características muyinteresantes para ciertas aplicaciones industriales y, aunque su espacio de trabajo es muchomás reducido, poseen mayor rigidez a pesar de tener una menor masa. Pueden realizarmovimientos manteniendo velocidades y aceleraciones muy elevados ya que, generalmente,poseen sistemas de actuación en cada cadena cinemática que está ja al suelo, evitandoconsiderarlos como masas móviles.Debido a lo anterior así como a que los sistemas robóticos son claro ejemplo de un sistemamecatrónico complejo, se pensó que el diseño de un sistema robótico paralelo simple podríaser un buen proyecto nal para la asignatura de Diseño Mecatrónico Avanzado, impartidaen la Especialidad en Sistemas Avanzados de Manufacturara de la Escuela de Ingeniería dela Universidad Panamericana.En términos generales un robot paralelo está compuesto por una plataforma ja, unidaal suelo, y una plataforma móvil que es la que soporta la herramienta. Para tener mayorinformación de los robots paralelos se recomienda leer [2].60

Diseño y Construcción de un Robot Paralelo 2RR (Mecanismo de 5 barras)(a) Plataforma Gough-Stewart (Hydra PowerSystems)(b) Robot Delta (ABB Flexible Automation)Figura 2: Robots paralelos.2. Descripción General del PrototipoSe pensó en el diseño y construcción de un robot paralelo plano 2RR, también conocidocomo mecanismo de 5 barras. Este robot, aunque simple, tiene aplicaciones industriales,principalmente en tareas de pick&place o en las de soldadura. El prototipo tiene 2 GDL quese han actuado mediante dos servo-motores sencillos, comandados por un microcontroladormontado en una tarjeta de diseño comercial. En la gura 3, se muestra un diagrama cinemáticodel robot incluyendo las dimensiones y el espacio de trabajo. Para el cálculo del espaciode trabajo se ha empleado un método geométrico sencillo, véase por ejemplo [4].El objetivo del robot es generar trayectorias o curvas en el plano (posición de las coordenadasx e y), simulando una especie de pantógrafo. Para probar su funcionamiento se hapuesto como meta inicial generar una trayectoria circular, ya que esto permite vericar deforma visual y sencilla el grado de precisión que se ha alcanzado. Para dar un movimientocoherente mediante los grados de libertad, el robot se ha modelado matemáticamente paraobtener las ecuaciones correspondientes a la cinemática (principalmente las posiciones). Estasecuaciones se han generado mediante el uso del software de cálculo simbólico Maple yse han resuelto empleando una hoja de Excel, haciendo el proyecto más didáctico.3. Cinemática del RobotPara plantear las ecuaciones de la cinemática del robot (ecuaciones de restricción), seeligió un conjunto de 4 coordenadas dependientes mixtas. Estas coordenadas corresponden a61

Diseño y Construcción de un Robot Paralelo 2RR (Mecanismo de 5 barras)Figura 3: Diagrama cinemático del robot 2RR (mecanismo de 5 barras) y su espacio detrabajo.los ángulos que forman los elementos o barras inferiores del robot con respecto a la horizontal(θ 1 y θ 4 ), así como las coordenadas cartesianas de la punta del robot (x e y). Para un mejorentendimiento del modelado con distintos tipos de coordenadas se recomienda leer [1].3.1. Modelado matemático, ecuaciones de restricciónEl modelo se describe mediante un vector de 4 coordenadas mixtas dependientes q de lasiguiente forma:q T = {x, y, θ 1 , θ 4 } (1)Este vector se usa para plantear las ecuaciones que restringen el movimiento de los sólidosque forman el robot, generalmente conocidas como ecuaciones de restricción. Estasecuaciones se obtienen al considerar las uniones entre cuerpos mediante los pares cinemáticos,y pueden extraerse de las propias características de dichos pares (igualdad de puntos,paralelismo o perpendicularidad entre vectores) o bien de las condiciones de sólido rígido(distancia constante entre puntos de un mismo cuerpo)Debido a que el robot tiene 2 GDL y se han elegido cuatro coordenadas dependientes,es necesario plantear dos ecuaciones de restricción. Estas ecuaciones se obtienen al imponerla condición de distancia constante entre los puntos A y M, así como entre los puntos B yM, véase la gura 3. La primera ecuación, que dene la distancia constante entre el puntoA y el punto M puede escribirse de la siguiente forma:62φ 1 = (x − l 1 cos θ 1 − O 1x ) 2 + (y − l 1 sin θ 1 − O 1y ) 2 − (l 2 ) 2 = 0 (2)

Diseño y Construcción de un Robot Paralelo 2RR (Mecanismo de 5 barras)Donde l 1 y l 2 son las correspondientes longitudes de las barras (O 1 A = O 4 M = l 1 ,AM = BM = l 2 ) , mientras que O 1x y O 1y son las coordenadas en x e y del punto O 1 .Del mismo modo puede obtenerse la segunda ecuación de restricción, distancia constanteentre el punto B y el punto M:φ 2 = (x − l 1 cos θ 4 − O 4x ) 2 + (y − l 1 sin θ 4 − O 4y ) 2 − (l 2 ) 2 = 0 (3)O 4x y O 4y son las coordenadas en x e y del punto O 4 .Las ecuaciones 2 y 3 pueden emplearse para formar el vector de ecuaciones de restricción:Φ (q) ={φ1 = 0φ 2 = 0}=3.2. Solución del problema de posiciones{ (x − l1 cos θ 1 − O 1x ) 2 + (y − l 1 sin θ 1 − O 1y ) 2 − (l 2 ) 2 = 0(x − l 1 cos θ 4 − O 4x ) 2 + (y − l 1 sin θ 4 − O 4y ) 2 − (l 2 ) 2 = 0Para poder controlar el movimiento del robot es necesario conocer los valores coherentesque hacen que su plataforma móvil, en este caso un simple punto (M, en la gura 3), semueva describiendo la trayectoria correcta, por esta razón es necesario resolver el problemade posiciones.En términos generales la solución del problema de posiciones se obtiene al aplicar el métodode Newton-Raphson generalizado (véase [5]) para la solución del sistema de ecuacionesno lineales expresadas en la ecuación 4. De acuerdo con el método, es necesario dar solucióna la siguiente ecuación:}(4)∂Φ (q 0 )∂q ∆q = −Φ (q 0) (5)∂Φ(q 0 )/∂q es la matriz jacobiana evaluada en q T 0 = {x 0 , y 0 , θ 10 , θ 40 } (vector de valores delas coordenadas sucientemente cercanos a la solución, según requiere el método de Newton-Raphson) . Para tener una mayor claridad, a continuación se especica la matriz jacobianadel robot,∂Φ (q)∂qdonde:=[ ]2a 2b (2a) l1 sin θ 1 − (2b) l 1 cos θ 1 02c 2d 0 (2c) l 1 sin θ 4 − (2d) l 1 cos θ 4(6)a = x − l 1 cos θ 1 − O 1x (7)b = y − l 1 sin θ 1 − O 1y (8)c = x − l 1 cos θ 4 − O 4x (9)d = y − l 1 sin θ 4 − O 4y (10)63

Diseño y Construcción de un Robot Paralelo 2RR (Mecanismo de 5 barras)Figura 4: Trayectoria del punto M y posiciones de θ 1 y θ 4 .3.3. Cinemática inversa vs. cinemática directaEn el área de la robótica es muy común hablar de la cinemática directa o la cinemáticainversa de un robot. La cinemática inversa se identica como la solución de las ecuaciones 4considerando como los grados de libertad las coordenadas x e y, mientras que la cinemáticadirecta se considera la solución de esas mismas ecuaciones considerando como grados delibertad los ángulos θ 1 y θ 4 . Como bien se puede observar, empleando la técnicas generalesde sistemas multicuerpo tanto la cinemática directa como la inversa simplemente sonalternativas de solución de la ecuaciones generales de restricción 4.Como trayectoria de prueba del prototipo se pensó en una circunferencia de 0.05 mde radio en la parte superior del espacio de trabajo. Todos los puntos de esta trayectoriason adecuados para una solución suave de las cinemática. Esta trayectoria de recorre en 36segundos en intervalos de 10°, de este modo la velocidad angular de recorrido de la trayectoriaes de 10 °/s o bien 0.174532925 rad/s con respecto al centro de la propia circunferencia.De acuerdo con esas condiciones en la gura 4 se muestra la trayectoria del punto M(plataforma móvil del robot) así como las posiciones de los ángulos θ 1 y θ 4 . Por otro ladoen la gura 5 se muestran las velocidades y aceleraciones de éstas mismas coordenadas a lolargo del recorrido de la trayectoria.4. Prototipo VirtualPara probar el funcionamiento mecánico y el esquema de control del prototipo, se elaboróun modelo virtual en un software general para el análisis de sistemas mecánicos en el plano(Working Model 2D, [3]). Previamente se resolvieron las ecuaciones cinemáticas (cinemática64

BIBLIOGRAFÍAFigura 5: Velocidades y aceleraciones de las coordenadas θ 1 y θ 4 durante el recorrido de latrayectoriainversa del robot) haciendo que las coordenadas de la plataforma móvil, punto M en lagura 3, pasara por puntos pertenecientes a una trayectoria circular. Para la solución deestas ecuaciones se empleó Excel y, como producto nal, se obtuvo una tabla con los valorescorrectos de θ 1 y de θ 4 para los valores correspondientes de x e y que pertenecen a la curvadeseada.La gura 6 muestra una secuencia del modelo virtual hecho en Working Model 2Dsiguiendo la trayectoria circular de prueba.5. Diseño y Construcción del PrototipoDesde el punto de vista estructural el prototipo se ha hecho empleando piezas de Meccano,véase la gura 7(a), y para controlarlo se emplearon dos sevomotores Parallax (gura8(a)). Los motores se conectaron a una tarjeta comercial preparada con un microcontroladorPicAxe 18X y las interfaces necesarias para conectarse a los motores, véase la gura 8(b). Elmicroprocesador se programó mediante el software comercial correspondiente, ProgrammingEditor.El prototipo terminado puede verse en la gura 7(b).Bibliografía[1] E. Bayo and J. García de Jalón. Kinematic and Dynamic Simulation of Multibody Systems.The Real-Time Challenge. Springer-Verlag, 1994.[2] I. Bonev. ParalleMIC - The Parallel Mechanisms Information Center.http://www.parallemic.org/.65

BIBLIOGRAFÍAFigura 6: Modelo virtual del robot paralelo construido.(a) Dibujo del prototipo construido.(b) Prototipo terminado.Figura 7: Prototipo del robot 2RR (mecanismo de 5 barras).66

BIBLIOGRAFÍA(a) Servomotor Parallax.(b) Tarjeta controladora.Figura 8: Elementos empleados en el prototipo construido.[3] Inc. Design Simulation Technologies. Working Model 2D. http://www.designsimulation.com/WM2D/index.php.[4] C. Gosselin and J. Angeles. The optimum kinematic design of planar three-degree-offreedomparallel manipulator. Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automationin Design, 110:3541, 1988.[5] Robert L. Norton. Design of Machinery. McGraw-Hill, 2006.67

BIBLIOGRAFÍA68

Tratamientos Criogénicos para PiezasResistentes al DesgasteVicente Galván García, Alberto Tirado NájeraEspecialidad en Diseño de Herramentales1. IntroducciónLa mejora de propiedades de resistencia y desgaste de las piezas metal-mecánicas, y,especialmente, los herramentales de procesos de deformación (forja, punzonado, troqueladoy otros) se logra por la aplicación de tratamientos térmicos al acero que provocan modicacionesen la microestructura y mejores resultados en cuanto a productividad: por ejemploforjar un mayor número de piezas con el mismo herramental signica un ahorro, no sólopor el costo del herramental en sí, sino por la ventaja de conseguir periodos de producciónininterrumpida por desgaste de la herramienta.En cuanto a la resistencia mecánica y a desgaste que un herramental presenta, el principiobásico para un buen tratamiento térmico es lograr una relación óptima entre propiedadesmecánicas que compiten entre sí: el material debe resistir la deformación aunque debe sermaquinable, debe tener una resistencia a la fractura y al desgaste adecuadas pero su durezano debe ser tan alta que provoque una falla por fragilidad.La forma más utilizada en la industria para lograr este compromiso entre propiedadescontradictorias es la modicación de la supercie de las piezas una vez que están fabricadas:carburización, nitruración, implantación iónica, recubrimientos resistentes al desgastey deformación mecánica de la supercie para volverla más dura (bruñido).El tratamiento más común del acero, comienza con la elevación de la temperatura porencima del punto A c3 (cambio de fase durante el calentamiento) para formar austenita(estructura fcc del hierro) normalmente entre 800 y 900°C, para luego templar al introducirla pieza caliente en aceite frío y provocar la formación de martensita, que además de seruna estructura que se forma de inmediato, tiene la mayor dureza que se puede lograr enun acero. La estructura que se forma es un conjunto de granos muy pequeños que parecenagujas y en donde los átomos de carbono están atrapados en la estructura bcc del hierro,deformándolo y volviéndolo más duro. Otro aspecto importante a considerar, es que durante69

Tratamientos Criogénicos para Piezas Resistentes al Desgasteel enfriamiento del temple, la formación de martensita no alcanza a todo el material y unporcentaje que puede ser de hasta el 50 % permanece en forma de austenita. A esta austenitase le conoce como austenita retenida.La presencia de austenita retenida en el acero, provoca esfuerzos internos que puedendecrementar la resistencia y las propiedades en general. En algunos casos la austenita puedetransformarse espontáneamente a martensita en un tiempo posterior cuando la pieza estásujeta a temperaturas extremas como es el caso de un herramental para forja en caliente.Debido a que la martensita tiene una densidad distinta a la de la austenita (martensita =7,8 g y austenita = 8 g ), la cantidad de austenita retenida que queda en un acero provocacm 3 cmesfuerzos residuales que pueden 3 resultar en la propagación de grietas o en la reducción desu resistencia al desgaste.1.1. ¾Qué es el tratamiento Criogénico?En casi todas las prácticas metalúrgicas industriales, además de ser antiquísimas, lapráctica precede a la descripción cientíca de los fenómenos. Como ejemplo de estos casostenemos el temple de los aceros al enfriar las espadas de batalla para volverlas duras o la dealear cobre y estaño para formar una aleación eutéctica (de punto de fusión bajo) conocidacomo bronce.En este sentido, una de las más recientes prácticas metalúrgicas es el uso de la criogenia(estudio de fenómenos a temperaturas extremadamente bajas). Como en otros casos, lapráctica industrial se adelantó a las explicaciones cientícas satisfactorias al usar nitrógenolíquido para enfriar las piezas a -196 C, con el objetivo general (aunque no comprobado)de transformar toda la austenita retenida a martensita [2, 1, 3, 4]. Estas mismas prácticasindustriales determinaron la necesidad de hacer los enfriamientos lentamente para evitarel agrietamiento por choque térmico. También se estableció un periodo de hasta 24 horasa temperatura criogénica para lograr en la piezas el efecto buscado: mayor durabilidad alsoportar mejor algunos tipos de desgaste (abrasivo, impacto y/o térmico).Los equipos, en los que se pueden introducir muchas piezas al mismo tiempo, utilizan"cajas frías" en las que el nitrógeno entra regularmente en pequeñas cantidades mientras unventilador permite la circulación del aire. En estos equipos es evidente que el tipo el selladode la cámara y los materiales que aislan a las piezas del exterior, juegan un papel primordialen la calidad de los tratamientos que se logran. Se han llegado a reportar mejoras de hasta3 veces la resistencia al desgaste de herramentales con y sin tratamiento en aceros del tipoA2 [5] .1.2. Mecanismos que se activan durante el tratamiento criogénicoYa que la mayoría de los tratamientos térmicos en los aceros se explican cientícamentemediante la activación de procesos difusivos (movimiento de átomos debido a la vibración ypresencia de vacantes), los benecios de un tratamiento criogénico no pueden explicarse deltodo por la teoría clásica, ya que a -196 C la movilidad de los átomos es casi nula, el númerode vacantes es muy pequeña y la velocidad de cualquier fenómeno de transporte de materiaes muy baja.70

Tratamientos Criogénicos para Piezas Resistentes al DesgasteFigura 1: Herramienta de forja en caliente (botón) y pieza forjadaFigura 2: Tratamiento criogénicoPor lo anterior, existen tres teorías aceptadas como mecanismos responsables del aumentode resistencia al desgaste en piezas tratadas criogénicamente:1. Conversión de la austenita retenida a martensita2. Precipitación de carburos eta (ξ)3. Relevado de esfuerzos residualesEn el tratamiento básico de temple y revenido la denición de la temperatura M s en eldiagrama TTT (temperatura-tiempo-transformación) sólo indica el comienzo de la formaciónde martensita. Al llevar al material a una temperatura considerablemente menor, casi todala austenita retenida se transformará en martensita, dando como resultado un material máshomogéneo en estructura y con menos defectos (huecos, poros, imperfecciones), lo que resultaen mejores propiedades térmicas y, consecuentemente, en una mejor disipación de calor enla supercie.La aparición de carburos ξ como segundo mecanismo benéco en los tratamientos criogénicos,fue documentado por un equipo de japoneses [3] y su hipótesis es que durante elenfriamiento a -196 C y mientras la pieza permanece a esta temperatura los átomos de carbonoque están sueltos ( o más bien descolocados con respecto a la estructura del acero) nosufren modicación. Es al calentar y llevar el material a temperatura ambiente, en dondela movilidad que se le da a los átomos pequeños mediante la energía térmica entregada,permite la inserción de estos átomos de carbono en lugares especícos de la estructura del71

Tratamientos Criogénicos para Piezas Resistentes al Desgastehierro, formado estos carburos ξ que luego actúan como precipitados duros y promotores dela resistencia al desgaste.El tercer mecanismo aceptado tiene un carácter macroscópico y no microscópico. Larelajación de esfuerzos se logra al comprimir al material mediante la contracción térmica,para luego calentar a temperatura ambiente permitiendo la expansión y relajación de laestructura. La presencia de poros en casi todos los aceros (incluso en los rolados en frío) dala oportunidad de acomodar geométricamente la contracción durante el tratamiento a -196C, de forma que los esfuerzos residuales se reduzcan. Además, la presencia, normalmente máselevada de defectos o poros en la supercie, sería una buena explicación del efecto benécodel tratamiento criogénico en las propiedades, no tanto de la masa del material, como de laresistencia a desgaste de la supercie.2. DesarrolloEn la forja de vástago que aparece en la gura 1, se utiliza un herramental conocidocomo "botón" que en realidad funciona como una herramienta de extrusión que controla eldiámetro del vástago. Hay dos razones importantes para cambiar el botón después de uncierto número de piezas forjadas:Los vástagos de la pieza (es una válvula) empiezan a mostrar rayas longitudinales porefecto abrasivo del herramental yaunque parece contrario a la lógica, el diámetro de los vástagos fabricados tiene cadavez menos diámetro (como si el herramental se cerrara).Por los motivos expuestos, este es un buen ejemplo de herramentales a los que se les puedeaplicar tratamiento criógenico. En la gura 2 se indica el tipo de tratamiento criogénico quese utilizó en la pruebas industriales.En una primera instancia la secuencia de tratamiento para la pieza consistió en un templey doble revenido en un horno de vació, un tratamiento criogénico y prueba de producción.Esta prueba no resultó en diferencias entre el comportamiento a desgaste del herramentalcon tratamiento criogénico y el de aquel con tratamiento de temple y revenido solamente.Por lo anterior, se tomó como premisa de trabajo que: el tratamiento criogénico debeser posterior al primer revenido para dar oportunidad a que los átomos de carbono seanexpulsados y formen carburos ξ. La formación de martensita revenida durante el revenidova neutralizando la capacidad de transformación de la austenita retenida y, por tanto, lacapacidad del tratamiento criogénico de transformar a la austenita y relevar esfuerzos en lapieza.El tipo de acero del cual está hecho el herramental (botón) es un acero herramental paratrabajo en caliente H19. La composición del acero se indica en el cuadro 2. Los experimentosen planta se realizaron comparando el rendimiento de los botones en cuatro estados detratamiento:721. Temple y revenido (este es el tratamiento típico para herramientas de forja)

Tratamientos Criogénicos para Piezas Resistentes al DesgasteAleación Rango de %C 0.32-0.45Mn 0.2-0.5Si 0.2-0.5Cr 4.0-4.75Ni 0.3 maxMo 0.3-0.55W 3.75-4.5V 1.75-2.2Co 4.0-4.5Cuadro 1: Composición del acero herramental H19[6]Tratamiento Dureza HRC Tamaño deGrano ASTM% deCarburosPrimarios# de PiezasForjadasT+R 54-55 9-10 1.72 140-700T+R+C 55-56 6-7 1.99 700-1200T+DR+C 53-54 9-10 1.86 800-1000T+R+C+R 55 5-6 2.91 950-1050Cuadro 2: Resultados de los tratamientos criogénicos (T: temple, R: revenido. C: criogénico,DR: doble revenido).2. Temple, revenido y criogenizado3. Temple, doble revenido y criogenizado4. Temple, revenido, criogenizado y revenidoEn los cuatro casos se utilizaron métodos estándar de metalografía [7] para evaluar el tamañode grano ASTM, la cantidad porcentual de carburos primarios y cantidad de austenitaretenida. También se determinó la dureza en escala Rockwell C (HRC) y la cantidad promediode válvulas producidas con el herramental. El cuadro 2 presenta los resultados obtenidosincluyendo el porcentaje de carburos primarios.3. DiscusiónEn la gura 3 se observa que uno de los benecios del tiramiento criogénico, independientementede la durabilidad de los herramentales (en este caso, las piezas que son capacesde forjar) es la reducción en variabilidad de una herramienta a otra. Esto permite beneciosdesde el punto de vista de planeación y control de procesos.Por otro lado, es evidente el incremento en la resistencia al desgaste del material, especialmenteen la pieza a la que se le realizó un revenido tras el tratamiento criogénico.73

Tratamientos Criogénicos para Piezas Resistentes al DesgasteFigura 3: Efecto del tratamiento criogénico en número de piezas forjadas(a) Microestructura atacada de acerotemplado y revenido (T+R) a 20X(b) Microestructura atacada deacero con temple, revenido ycriogénico (T+R+C) a 20XFigura 4: Microestructuras(c) Microestructura atacada deacero con temple, revenido, criogénicoy revenido (T+R+C+R)a 40XPor otra parte, la pieza con un sólo revenido y posterior tratamiento criogénico, tiene unmáximo de piezas forjadas muy alto, lo que puede ser una indicación de que el tratamientoa temperaturas de -196 C debe durar más tiempo para asegurar la formación homogénea decarburos ξ.Al comparar la microestructura del material con Temple y Revenido (gura 4(a)) conla que además tiene criogenizado (gura 4(b)) se observa que efectivamente la cantidad decarburos precipitados es mayor. Además, la micoestructura del material con revenido despuésdel criogenizado (gura 4(c)), presenta un tamaño de grano de las agujas de martensita másgrande, lo que supone una mayor tenacidad y desaparición casi total de la austenita retenida,lo que puede ser la explicación para su mayor resistencia al desgaste independientementeque la dureza es parecida en todas las piezas.74

BIBLIOGRAFÍA4. ConclusionesLa forja (o en este caso extrusión) en caliente somete a los herramentales a un desgasteabrasivo y térmico extremos, por lo que el diseño del herramental así como de los tratamientostérmicos y superciales tienen un efecto crítico en la durabilidad y productividad.El tratamiento criogénico mejora las características del acero herramental en cuanto aresistencia al desgaste (especícamente desgaste abrasivo y choque térmico), aunque losmecanismos microestructurales del tratamiento no son bien comprendidos todavía. De cualquierforma, el papel endurecedor de las partículas precipitadas [8, 9], es evidente tanto enla mejora de la productividad de la herramienta, como en la consistencia (menor dispersión)de los datos. Esta mejora también puede ser explicada por el incremento en tenacidad de lasupercie del herramental al contar con agujas de martensita revenida de mayor tamaño, loque previene la formación de microgrietas.Bibliografía[1] R. F. Barron, in Proceedings of Conference Manufacturing Strategies Vol.6, NashvilleUSA, March 1996, p. 535.[2] P. L. Yen, Industrial Heating 1 (1997) 40.[3] F. Meng, K. Tagashira and H. Sohma, Scripta Met. Mater. 31 (1994) 7, 865.[4] K. Moore and D. N. Collins, Key Eng. Mater. 86-87 (1993) 47.[5] Cold Treating and Cryogenic Treating of Steel, ASM Handbook, Heat Treating, Vol. 4,1991, p.203.[6] Wrough Tool Steels, Metals Handbook Vol. 1, Properties and Selection: Irons, Steelsand High-performace Alloys, ASM International, 10th Ed., 1990, p.757.[7] Quantitative Metallography, Metals Handbook, Metallography and Microstructures,Vol. 9, ASM, 1985, p.123.[8] Dieter G.E., Mechanical Metallurgy, Ed. McGrawHill,1988, p.212.[9] F. Meng et al., Role of Eta-carbide Precipitations in the Wear Resistance Improvementsof Fe-12Cr-Mo-V-1.4C Tool Steel Cryogenic Treatment, ISIJ International, Vol34 (1994), No. 2, pp. 205-210.75