Investigación Científica y tecnológica en ingeniería

INVESTIGACION CIENTIFICA Y TECNOLOGICA EN INGENIERIA Horacio Torres Sánchez Profesor Emérito UN, Miembro de ACIEM Agosto 25 de 2021

La ingeniería como profesión y disciplina

Rara vez se analizan los importantes aportes que la ingeniería, como disciplina, ha hecho al avance en el conocimiento de las ciencias básicas y cómo sus resultados se han ido integrando en la formación profesional. Hoy quisiera compartir con ustedes, con ejemplos, cómo la ingeniería ha aportado a las ciencias básicas.

Para este análisis es fundamental considerar a la ingeniería, tanto como profesión, como disciplina.

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Método ingenieril vs método científico Hoy en día no hay una clara distinción entre los ingenieros y los científicos, posiblemente por la fuerte conexión que actualmente hay entre la ciencia y la tecnología.

Aunque se afirma epistemológicamente que el método ingenieril es diferente al método científico y que el ingeniero se desenvuelve en el ámbito del mundo real y concreto, es posible demostrar con ejemplos que el método ingenieril aporta al método científico cuando se establece conceptualmente que la ingeniería no solamente es una profesión, sino una disciplina.

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Ingenieria: profesión y disciplina Como profesión, la ingeniería diseña, construye, implementa y mantiene equipos, estructuras, instalaciones, bienes y servicios con un enfoque biocéntrico, para generar beneficio, prosperidad y desarrollo social y económico a la humanidad.

Como disciplina, la ingeniería aporta a la frontera del conocimiento por medio de la investigación científica, el desarrollo tecnológico y la innovación.

Con un compromiso ético y ambiental.

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El modelo matemático Cuando se consigue un modelo matemático efectivo, de algo existente en la naturaleza o que se pretende producir, lo que se hace es beneficiarse de la fructífera comprensión que podemos alcanzar los humanos mediante las formalizaciones matemáticas y de su poderoso uso posterior para hacer predicciones y cálculos. Estos modelos se han convertido en la forma que toma en nuestros días la tradicional representación por los ingenieros de lo que proyectan, lo que hasta el advenimiento de la informática se hacía fundamentalmente mediante planos, empleando recursos geométricos.

Clase

Baja Frecuencia Continua Temporal

Frente Lento

Transitorio Frente Rápido

Frente muy Rápido

1,0 1,0

Forma de Tensión

0,5

0,9

1/f2

0,5

Tp

1/f1

0,3 1/f

1/f

Tt

Tt

T2

Tf

T1 20 µs > T1 > 0,1 µs

3600 s > Tt > 0,03 s

T2 < 20 ms

T2 < 300 µs

48 Hz < f < 62 Hz

Tp = 250 µs

T1 = 1,2 µs

Tt (*)

Tt = 60 s

T2 = 2500 µs

T2 = 50 µs

(*)

Prueba de corta duración Frecuencia industrial

Prueba de impulso tipo maniobra

Prueba de impulso tipo rayo

Rango de las formas de tensión

10 Hz < f < 500 Hz

Tt > 3600 s

Forma de tensión normalizada Prueba de Rigidez normalizada

f = 50 o 60 Hz

Tt

T2 5000 µs > Tp > 20 µs

f= 50 o 60 Hz

100 ns > Tf > 3 ns 0,3 MHz < f1 < 100 MHz 30 kHz < f2 < 300 kHz Tt < 3 ms (*)

IEC 60071-1, 2006 (*)

(*) a ser especificado por el correspondiente comité de aparatos

  2h   ZT  60 Ln  2 *   1 r    

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Belisario Ruiz Wilches

Alfredo Bateman Quijano

Jorge Arias de Greiff

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La lista de ingenieros que han establecido sólidas relaciones entre las matemáticas y la ingeniería es extensa …

Paul Dirac

John Bardeen

Nobel de física.

Electrodinámica cuántica

2 Nobel en física: Transistor y Superconductividad

El hombre que se invento el siglo XX Invenciones explicadas hoy en día en los planteamientos Matemáticos del Electromagnetismo de Maxwell

Nikola Tesla 7

Modelos ARIMA: Ingenieros George Edward Box y Gwilym Jenkins: El método Box & Jenkins permite predecir valores futuros de una serie basándose en valores pasados de una sola variable o más.

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Típicamente los pronósticos de series de tiempo se usan para estimar variables como las descargas eléctricas atmosféricas, la producción de bienes o el precio, entre otros.

DIAS TORMENTOSOS MES

12

10

8

6

4

2

0

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

MES PROMEDIO

PRONOSTICO

8

Fasores:

Ingeniero Karl August Steinmetz:

Su mas importante contribución esta relacionada con el análisis de circuitos en corriente alterna, mediante el método de los “fasores”, que reduce el problema a la solución de sistemas puramente algebraicos con coeficientes complejos.

El método para el cálculo de circuitos eléctricos AC ha trascendido a todos los campos de la ingeniería cuando se aborda el cálculo de sistemas lineales e invariantes en el tiempo, con excitaciones de tipo sinusoidal y se enseña en los cursos básicos de cálculo para obtener soluciones particulares de ecuaciones diferenciales ordinarias no homogéneas cuando intervienen combinaciones lineales de senos y cosenos.

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Método de ordenamiento optimo Ingeniero William F. Tinney.

Los matemáticos formalizaron sus ideas y bautizaron al esquema de Tinney como el “método de ordenamiento optimo”, nombre con el que generalmente se le conoce fuera del ámbito de los sistemas eléctricos. También aportaron diversas mejoras a la propia implantación algorítmica del método, todas ellas incorporadas en herramientas como Matlab, hoy ya imprescindibles en ingeniería.

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Mario Molina, descubridor de las causas del agujero de ozono antártico

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Meteorología Tropical El ingeniero civil Jorge Álvarez Lleras, primer presidente de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, realizó observaciones de temperatura en Bogotá y luego hizo comparaciones y análisis de variaciones climáticas en otras latitudes del planeta, que presentó en el segundo Congreso Científico Panamericano de Washington en el año 1914, con un gran aporte a la física atmosférica, al referirse a las condiciones climáticas tropicales y planteo el concepto de Meteorología Tropical.

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Elementos de Meteorología Tropical “…ha ido saliendo un cuerpo de doctrina que puede llamarse Meteorología Tropical, que en alguna época anterior recibimos de nuestro antecesor el ilustre astrónomo Garavito…” … Si se observa en diferentes lugares de la tierra el ángulo de la isobara con la velocidad del aire, se nota que ese ángulo satisface las siguientes leyes: • Para cada latitud tiene un valor constante, siendo este valor mayor en tierra que en el mar y • El ángulo crece en las mismas circunstancias con la latitud hasta aproximarse a cerca de 90o en el ecuador…”

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El fenómeno del rayo El fenómeno del rayo ha sido investigado sistemáticamente en Colombia desde hace aproximadamente cuatro décadas con la creación de un grupo de investigación (PAAS-UN) en la Facultad de Ingenieria, motivado por la curiosidad científica del fenómeno, con el objetivo de llevar a cabo un proceso de apropiación, construcción y creación autónoma de conocimiento con categoría conceptual de ser un trabajo interdisciplinario .

Hipótesis de investigación: “Las magnitudes de los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica (Nivel Ceráunico, Densidad de Rayos a Tierra, Polaridad, Corriente de Retorno de Rayo y Rata de Ascenso de la Corriente de Rayo) varían espacial y temporalmente. ”

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Innovacion: Modelo Bilider

Canales Tortuosos y Ramificados

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Innovacion Tecnologica: Predicción de rayos

Campo Electrostático

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Magnitud de la Corriente de retorno del rayo En regiones tropicales, la magnitud de la corriente media del rayo esta alrededor de los 45 kA, mientras que en latitudes templadas (Europa, Asia, USA) esta en promedio en los 30kA.

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Importancia de investigar científicamente el FEM del rayo: 1.

2.

3.

Diseños de ingeniería para protección contra rayos mas adecuados al entorno geográfico.

Mitigación del riesgo de perdidas de vidas humanas, bienes culturales o materiales por impactos de rayos.

Elaboración de normas y reglamentos técnicos apropiados.

RETIE Art. XVI, NTC4552

Aportes novedosos respecto a normas internacionales, fruto de la investigación y la aplicación a casos reales. Aplicación de desarrollos investigativos colombianos (estudios, equipos, datos) a la promoción de la Normalización Técnica en Colombia.

El método electro geométrico rsc = 4.(imin)0,8 NTC 4552-1, 2008

R + + + + + 18

Resumen Efectos Luminosos Transitorios (TLE) – Proyecto ASIM

• Estos casos presentados tienen en comun que sus contribuciones a las ciencias basicas han trascendido la ingenieria, encontrando con el tiempo aplicaciones en otros campos de la ciencia y la tecnologia y se han ido integrando a la sociedad y a los programas académicos de formación con una visión interdisciplinaria.

• Una primera reflexión es la necesidad de una política publica de largo aliento con apoyo estatal real a la ciencia, la tecnología y la innovación, combinado con un trabajo social de varias generaciones de difusión por parte de los actores del sistema de CTi, pues la ciencia y la tecnología son actividades sociales, una forma de conciencia social, resultado y reflejo de la acción del ser humano sobre la naturaleza.

• Conveniencia de tener espacios propios y autónomos de investigación a través de Centros, Institutos o Ciudadelas que potencialicen el trabajo interdisciplinario. Espacios diferentes al actual y único modelo de educación superior colombiano basado en la docencia (Facultades), de nuestras actuales universidades.

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Muchas gracias por su atención…