El método de ingeniería para la solución de problemas

Los problemas del mundo real no tienen estructura ni límite fijo de vigencia. A veces no se conocen todos los datos requeridos. Algunas veces es necesario buscar información para identificar las partes que son necesarias para resolver el problema bajo consideración.

Un problema puede no tener una solución categórica única. El objetivo es seleccionar una solución preferente de entre varias alternativas. Puede ser necesario ponderar varias consecuencias en conflicto de una acción de ingeniería para luego seleccionar la solución que mejor se ajuste a a las necesidades y los deseos de un empleador, un cliente o del público.

La naturaleza del diseño de la ingeniería

El trabajo de ingeniería incluye la planificación y el análisis en las etapas iniciales, pero en realidad, la esencia es el diseño, éste es variado y amplio y los diseños pueden llegar a ser grandes o pequeños. Diseñar en ingeniería es concebir, trazar y planificar un dispositivo, una estructura, un proceso o un sistema que beneficie a las personas.

El diseño de ingeniería se ha hecho más variado y desafiante, requiriendo un mayor grado de especialización, así como la necesidad del trabajo en equipo.

Los equipos de ingenieros

Pueden usarse como un medio para dividir la carga de trabajo. Un gerente de ingeniería puede asignar tareas específicas de diseño a los ingenieros que tengan un entrenamiento similar. En otros casos, los ingenieros contribuyen con conocimiento especializado y suministran la competencia organizativa para la solución de un problema en el cual el conocimiento de un solo ingeniero sería insuficiente. Cuando se enfrentan problemas complejos se puede establecer una estructura organizativa no tradicional, en la cual los miembros del equipo tengan una relación de información dual con un gerente de operaciones o un supervisor administrativo, así como un líder de equipo. Estos equipos de diseño son temporales y se contratan para un propósito específico, se disuelven cuando el trabajo termina.

El método de la ingeniería

El ingeniero puede enfrentar  varios problemas en el curso de las actividades de su trabajo cotidiano. No existe un procedimiento definitivo que se ajusten siempre a los problemas de ingeniería inmediatos. Los ingenieros están preparados para pensar en términos analíticos y objetivos y abordar los problemas en forma metódica y sistemática.

El método de diseño de ingeniería incluye:

Ø  La identificación del problema.

Ø  La recopilación de la información necesaria.

Ø  La búsqueda de soluciones creativas.

Ø  El paso de las ideas a los diseños preliminares (incluyendo el modelado)-

Ø  La evaluación y la selección de la solución preferente.

Ø  La preparación de informes, anteproyectos y especificaciones.

Ø  Implementación del diseño.

Identificación del problema

Una definición del problema incorrecta hará que el ingeniero pierda el tiempo, puede conducir a una solución que sea inapropiada. Un diseño realmente bueno puede ser inútil si duplica otros diseños conocidos o si resuelve un problema que no tiene impacto sobre mucha gente. Si es un producto el que se está diseñando, puede ser difícil predecir la respuesta de la gente y el potencial de venta resultante de un diseño propuesto. Un análisis de mercado preliminar identificará generalmente a los usuarios prospectivos y a las estadísticas acerca de los métodos o dispositivos comparables y del volumen de ventas. Las necesidades que se buscan satisfacer deben definirse a grandes rasgos y diferenciarse de las posibles soluciones. El problema debe definirse en términos objetivos.

El problema no debe tener restricciones innecesarias. Si se ponen demasiadas restricciones sobre el problema, puede hacerse que su solución sea muy difícil o aún imposible.

Recopilación de la información necesaria

El tipo de información necesaria depende de la naturaleza del problema que se va a resolver. Podrían ser mediciones físicas, mapas, resultados de experimentos de laboratorio, patentes, resultados de encuestas de opinión u otros tipos diversos de información. Esta fase del proceso de resolución de problemas incluye la recopilación y la evaluación de la información que ya está disponible.

En esta fase del proceso. Los ingenieros emprenden una investigación bibliográfica para determinar lo que otros han aprendido acerca de problemas relacionados. Por último vale la pena realizar una búsqueda de patentes.

En busca de soluciones creativas

El ingeniero está listo para comenzar a identificar las soluciones creativas. El desarrollo de ideas, productos o dispositivos nuevos puede resultar de la creatividad, un esfuerzo inconsciente, o de la innovación, un esfuerzo consciente. Existen varias técnicas operacionales que pueden usarse para ayudar a un grupo de personas a producir ideas originales. 

Lluvia de ideas

Es una de las técnicas más populares. Consiste en 6 a 12 personas que introducen de manera espontánea ideas diseñadas para resolver un problema específico. Todas las ideas son alentadas, incluyendo aquellas que resultan completamente imprácticas. Se hacen esfuerzos para generar tantas ideas como sea posible. Se alienta a los participantes a que combinen o mejoren las ideas de otres. No se permite juzgar ni evaluar las ideas de producción de ideas. Las ideas producidas se registran y se evalúan en un momento posterior.

  Listas de revisión

Alienta al usuario a examinar diferentes puntos, áreas y posibilidades de diseño.

Lista de atributos

Con esta técnica se aíslan o se listan todas las características o atributos principales de un producto, objeto o idea. Después, para cada atributo se listan las ideas acerca de cómo podría cambiarse cada uno de ellos. Se listan todas las ideas sin importar qué tan poco realistas o imprácticas sean. Después de que todas las ideas se han listado, se evalúa cada una de ellas, sacando a la luz las posibles mejoras que pueden hacerse en el diseño del producto o sistema.

La técnica de la relación forzada

Esta técnica obliga a la relación entre dos o más ideas o productos que normalmente no tienen relación para comenzar con el proceso de generación de ideas. Una de las técnicas consiste en seleccionar el elemento fijo en la relación forzada, siendo éste el producto que va a diseñar a una idea relacionada con el enunciado del problema. En seguida la atención se enfoca en en algún otro elemento que se escoge en forma aleatoria. Se establece entonces una relación forzada o que no es natural entre el elemento fijo y el elemento escogido de forma aleatoria. Esto forma parte de una lista de asociaciones que fluyen libremente, de la cual pueden surgir ideas originales.

El análisis morfológico

Consiste en definir primero el problema en términos de sus dimensiones e imaginar un modelo que permita visualizar todas las soluciones posibles. Para una solución con dos parámetros, el modelo adopta una forma de un cuadrado grande dividido en un grupo de cuadrados más pequeños. El eje horizontal mostraría las elecciones posibles para el otro parámetro. Esta disposición permite al usuario examinar los efectos combinados de los atributos de las variables. Para problemas con más de dos parámetros, el modelo de convierte en una matriz con cada uno de los parámetros asignados a un eje de un arreglo rectangular.

La transición de la formulación de ideas a los diseños preliminares

Se trata del punto central del proceso de diseño y es la fase que depende más de la experiencia y del juicio de ingeniería. Aquí se descartan las ideas impracticables y se moldean y modifican las ideas prometedoras para formar anteproyectos y diseños factibles.

Se toman decisiones acerca de las dimensiones del producto y se dibujan bocetos conceptuales, se preparan anteproyectos preliminares y se reflexiona acerca de los materiales.

Los diseños preliminares pueden evolucionar por análisis o por síntesis. El análisis implica la separación de un todo en los constituyentes para su estudio individual. La síntesis implica la combinación de hechos, principios o leyes en una idea completa que logre algún resultado deseado o que resuelva un problema.

Las soluciones posibles se examinan y se estudian cuidadosa y críticamente. En ciertos casos, el boceto preliminar de un dispositivo o el análisis informal de un proceso revelará que no vale la pena aseguir considerando una idea. En otros casos, puede ser necesario examinar un componente mediante ensayos de laboratorio. En otras ocasiones, puede requerirse llevar a cabo un programa de investigación formal y completo, a fin de examinar la validez de una hipótesis o la eficacia de una propuesta.

El diseño suele utilizar modelos, que son cualquier descripción simplificada de un sistema o un proceso de ingeniería que puede ayudar en el análisis o en el diseño.

Se usan otros tipos de modelos para facilitar la solución de los problemas de ingeniería, como son:

• Modelos matemáticos:  Consisten en una ecuación o un grupo de ecuaciones que representan un sistema físico. Pueden basarse en teorías o leyes científicas que han resistido la prueba el tiempo. Otros tienen una base empírica y dependen o se obtienen de observaciones y experimentos. Los modelos matemáticos solo pueden describir fenómenos físicos relativamente simples. Los modelos matemáticos diseñados para describir fenómenos complejos tienden a ser tan complicados que son de poco valor.

• Modelos de simulación :Se utilizan aquí modelos de simulación por computadora y éste puede incorporar modelos matemáticos con bases empíricas como componentes del modelo total.

• Modelos físicos: Se usan para obtener una mejor comprensión de los fenómenos complejos. Probablemente, estos modelos constituyen el modelo más antiguo de diseño estructural. Los modelos físicos también se han usado por muchos años en los campos de la hidrodinámica, la hidráulica y la aerodinámica.

Algunas veces se construyen modelos a escala natural, pero con frecuencia se construyen a una escala más pequeña. Los modelos físicos permiten al ingeniero estudiar un dispositivo, una estructura o un sistema con poco o ningún conocimiento previo de su comportamiento, o sin necesidad de hacer suposiciones simplificadas.

Evaluación y selección de la mejor solución

El ingeniero abandona las posibilidades de diseño que no son prometedoras, obteniéndose así un conjunto progresivamente más pequeño de opciones. La retroalimentación, la modificación y la evaluación pueden ocurrir en repetidas ocasiones a medida que el dispositivo o el sistema evoluciona desde el concepto hasta el diseño final. Si se trata de un producto, la seguridad, el costo, la confiabilidad y la aceptación del consumidor son de importancia capital. El diseñador debe tratar de identificar todos los eslabones débiles de un prototipo antes de aceptar o descartar la idea del diseño.

El esquema de optimización puede hacerse muy difícil cuando el diseño requiere un operador humano y una interfase hombre-máquina. Las diferencias anatómicas y fisiológicas básicas entre las personas hacen que los factores humanos del diseño sean difíciles de cuantificar.

Las recientes preocupaciones por los impactos sociales y ambientales han producido técnicas de evaluación mucho más amplias. Algunas técnicas formales de evaluación son:

Análisis económico

Estos análisis intentan comparar los beneficios públicos de estos proyectos con los costos para realizarlos. Los estudios económicos pueden utilizarse para:

Þ    Determinar la factibilidad de un proyecto.

Þ    Comparar diseños alternativos.

Þ    Determinar la prioridad de la construcción de un grupo de proyectos.

Þ    Evaluar las características específicas del diseño.

En los análisis económicos es importante reconocer el valor del dinero en el tiempo. Este procedimiento se conoce como descuento, se hace con el uso de una tasa de interés adecuada de acuerdo con principios económicos establecidos. Un enfoque consiste en comparar los beneficios y los costos sobre la base del valor presente.

Ha habido una consciencia creciente del impacto que las obras de ingeniería pueden tener sobre las personas y el ambiente. Algunos proyectos pueden ser la causa de la reubicación de familias y negocios o exponer a los ciudadanos al ruido, así como la contaminación del agua y del aire.

Se dispone de técnicas para ayudar al ingeniero a cuantificar estos impactos. Estas técnicas incluyen la jerarquización de los proyectos alternativos en una escala que se basa en algunos criterios previamente determinados.

Preparación de informes, planes y especificaciones

Después de que ha sido seleccionado el mejor diseño, debe comunicarse a quienes deben aprobarlo. Esta comunicación puede adoptar la forma de un anteproyecto. Los informes de ingeniería se destinan a un cliente o un supervisor. El anteproyecto es el medio con que cuenta el ingeniero para describir a una división de manufactura o a un contratista los detalles suficientes acerca de un diseño para que pueda producirse o construirse.

Implementación del diseño

La fase final del proceso de diseño. Los ingenieros deben planificar y supervisar la producción de los dispositivos o productos y supervisar la construcción de los proyectos de ingeniería.

Obtención de una patente

La patente de un invento concede un derecho de propiedad por parte del gobierno al inventor o a sus herederos. La ley de patentes clasifica la materia que puede patentarse como “cualquier proceso, máquinas, manufactura o composición de materia que sean nuevas y útiles de los mismos”. Para que una invención sea patentable, debe ser nueva, como se define en la ley de patentes. La ley establece que una invención no puede ser patente si:

• La invención era conocida o utilizada por otros en éste país, o se patentó o se describió en una publicación impresa de éste país a uno extranjero, antes de su invención por el solicitante de la patente.

• La invención se patentó o fue descrita en una publicación impresa es éste o en un país extranjero, o estuvo en uso público o a la venta en éste país más de un año antes de la solicitud de la patente.

Para pedir una patente, el inventor debe llenar una solicitud que incluya:

v  Especificación: Descripción clara, concisa y exacta de la invención, presentada de tal manera que la distinga de otras invenciones anteriores.

v  Juramento o declaración:  Hecho por el inventor, afirmando la creencia de que es el inventor original y primigenio de la materia objeto de la solicitud.

v  Cuota de registro: Es una cuota básica de 630 dólares.

v  Dibujo: Preparado según las especificaciones de la Oficina de Patentes, siempre que la naturaleza del caso lo requiera para entender la invención.

Diseño asistido por computadora

El uso de herramientas basadas en computación para la resolución de problemas de ingeniería se ha vuelto común. Estas herramientas se denominan Ingeniería Asistida por Computadora (CAD) o Diseño y Manufactura Asistidos por Computadora (CAD/CAM). Estos sistemas hacen que el proceso de resolución de problemas sea mucho más eficiente y liberan a los ingenieros de tareas monótonas y faltas de imaginación, permitiéndoles más tiempo para la inventiva técnica.

Cómo aprender de las fallas

A pesar de los mejores esfuerzos de los diseñadores de ingeniería, sus diseños fallan ocasionalmente. Las fallas pueden atribuirse a:

¨      Errores cometidos por diseñadores descuidados.

¨      Imperfecciones en los materiales de construcción o manufactura e incertidumbre en cuanto a su variabilidad.

¨      Mano de obra negligente de los técnicos u obreros que implementan el diseño.

¨      Una comunicación defectuosa entre los gerentes, los ingenieros, los técnicos y los obreros que producen o construyen el diseño e la ingeniería.

Aunque el objetivo del diseño de ingeniería es evitar las fallas, no puede lograrse que sea a prueba de fallas. Una estructura o una máquina de ingeniería puede fallar de muchas maneras, variando los resultados de los defectos hasta las catástrofes.

Después de existir una falla suele existir presión para aumentar los factores de seguridad, revisar el reglamento de construcciones y comprometerse en general con una práctica de la ingeniería más conservadora. Cuando ocurre una falla de ingeniería, es importante que se realice una investigación para determinar su causa e identificar las acciones correctivas que deben tomarse para evitar o aminorar la posibilidad de que vuelva a ocurrir. Estas investigaciones las pueden desarrollar:

ü  Dependencias o comités de gobierno.

ü  Asociaciones privadas o profesionales.

ü  Comités o comisiones para un propósito determinado.

Ejercicios

5.1 Escriba un informe comparando el método científico y el método de ingeniería para la resolución de problemas:

Método Científico

Método de la ingeniería

Þ    Descubrimientos por investigación controlada. Þ    Análisis, generación y síntesis de las hipótesis. Þ    Reduccionismos, implicando la aislación y definición de conceptos. Þ    Creación sobre valores libremente expresados. Þ    La búsqueda y teorización de las Causas. Þ    Búsqueda de la mayor exactitud en la modelización. Þ    Diseño correcto de conclusiones basadas en teorías y datos exactos. Þ    Destrezas experimentales y lógicas. Þ    Enlaces de pensamientos. Þ    Usando la predicción, cambiar lo incorrecto o falso de las teorías y los datos sobre los que se basan.

Þ    Invenciones, diseños, producción, operación y conducción. Þ    Análisis y síntesis de los diseños y desarrollos. Þ    Combinación, implicando la integración de competencias demandadas, teorías, datos, ideas. Þ    Actividades posibles de valorizar. Þ    La búsqueda y teorización de procesos. Þ    Búsqueda de suficiente exactitud en la modelización. Þ    Diseño correcto de las Decisiones basadas en datos incompletos y modelos aproximados. Þ    Diseño, construcción, ensayos, resolución de problemas, decisiones, ejecución, destreza en las comunicaciones interpersonales. Þ    Intentar asegurar, por acciones sucesivas, que las decisiones equivocadas se transformen en exitosas.

5.2 Liste tres ideas para resolver los problemas de los conductores que dejan las llaves en el automóvil:

• Llamar a un cerrajero
• Conseguir un gacho de metal y con él fabricar una vara larga con la punta curvada, meter un desarmador largo y algo ancho entre el vidrio y la puerta para acrecentar el espacio entre ellos en el espacio que se formó.

• Con una pelota de tenis y con un destornillador o cuchillo, hacerle le un hoyo del tamaño de la chapa y después coloca la pelota con el hoyo hacia la chapa y oprimir, con la presión del aire que hace la pelota abrirá.

5.3 Describa tres maneras de reducir o eliminar a los insectos voladores del área del patio:

Usar plaguicidas.

Evitar o disminuir la humedad.

Tanto la salvia, como la albahaca, la manzanilla, las cebollas, el ajo o incluso el vinagre son productos naturales que contribuyen a ahuyentar los insectos.

5.4 Cite un ejemplo de un desarrollo tecnológico que se retrasó debido a que los tecnólogos no fueron capaces de identificar correctamente el problema:

Durante décadas en Estados Unidos, la muerte de conductores y pasajeros en accidentes de vehículos de motor se consideró como uno de los problemas de salud pública más serios de la nación. Los especialistas en seguridad de tránsito definieron el problema en términos de prevención de accidentes en lugar de reducción de pérdidas. Hablaban en términos de la necesidad de prevenir accidentes en lugar de de la necesidad de reducir las pérdidas de los accidentes. Al hacer esto, presuponían la solución del problema y enfocaban su atención exclusivamente en el comportamiento del conductor. En forma predecible, su solución del problema  fue la educación vial. Ignoraron los posibles beneficios de vehículos más resistentes a los accidentes y carreteras con mayores medidas de seguridad.

5.5 Prepare un informe describiendo la técnica de Delphi para desarrollar ideas para resolver problemas. Describa los antecedentes del desarrollo de ésta técnica. ¿En qué difiere de la lluvia de ideas?

El método Delphi es una metodología de investigación multidisciplinar para la realización de pronósticos y predicciones. Fue desarrollo por la Corporación Rand al inicio de la Guerra Fría para investigar el impacto de la tecnología en la guerra. Su objetivo es la consecución de un consenso basado en la discusión entre expertos. Es un proceso repetitivo. Su funcionamiento se basa en la elaboración de un cuestionario que ha de ser contestado por los expertos. Una vez recibida la información, se vuelve a realizar otro cuestionario basado en el anterior para ser contestado de nuevo. Finalmente el responsable del estudio elaborará sus conclusiones a partir de la explotación estadística de los datos obtenidos. Difiere de la lluvia de ideas de que en ésta no se contestan cuestionarios, sólo se consideran las ideas propuestas, además de que las ideas son evaluadas en el momento en el método de Delphi.

5.6 Prepare un plan para desarrollar:

a. Un sistema para medir o monitorear la pérdida de calor de una casa habitación.

Se armaría con sensores que midieran la temperatura en el aire de la casa habitación y funcionaría con electricidad, su consumo energético sería mínimo. Ocuparía poco espacio y a la pérdida de calor la combatiría adicionando calor a la habitación

b. Un dispositivo para medir la distancia recorrida por una persona que corre a trote.

Se trataría de un dispositivo que mida la distancia mediante mecanismos eléctricos, además no sólo podría medir esto, además podría medir las calorías gastadas durante la realización de la actividad.

c. Un dispositivo montado en el tablero de instrumentos de un automóvil  que indique la distancia desde la orilla de la guarnición.

Sería un dispositivo electrónico que midiera esta distancia para evitar accidentes automolisticos, trabajaría con sensores de aproximación. Ocuparía poco espacio y no estorbaría al conductor.

5.7 Liste dos tipos de problemas que podrían modelarse adecuadamente mediante:

a. Modelos matemáticos: presión del viento y humedad en el aire.

b. Modelos de simulación: toma de decisiones de un conductor y toma de decisiones de las personas en un supermercado.

c. Modelos físicos: comportamiento del oleaje en un puerto y el comportamiento de submarinos de diferentes formas debajo del mar.

5.8 Suponga que usted desea mejorar el diseño de las básculas de baño. Elabore una lista de atributos que muestre cómo podría mejorar cada una de ellas:

1. Color: Color variado

               Transparente

               Adoptar el color del piso

2. Material: Metel

                   Vidrio

                   Acrílico

                   Plástico

3. Base: Cuadrada

              Rectangular

              Circular

5.9 Usando la técnica de la relación forzada, desarrolle una lista de ideas para diseñar una trampa para ratones mejorada. Para el elemento aleatorio use un buzón de correo:

Una trampa para ratones que reciba el correo

Una trampa para ratones que sea cuadrada

Una trampa para ratones con tapa

Una trampa para ratones que se cierre sola

5.10 Usando el análisis morfológico, prepare una lista de atributos posibles de un dispositivo para retirar el polvo del piso de una bodega:

Acción del limpiador: limpiador, buen olor, conservador de la limpieza.

Material: alcohol, agua, colorante, ácidos.

Modo de uso: eléctrico, mecánico, con pilas.

5.11 Escriba un informe sobre una falla de ingeniería grave y ampliamente difundida en los medios. Discuta cualquier lección que se haya aprendido y describa cualquier cambio en los reglamentos de ingeniería y en los procedimientos de diseño que resultaron de esa falla.

Un estruendo de la nada, a las 22:00 aproximadamente, fue el inicio de uno de los peores desastres urbanos que vivió la capital cruceña. El edificio multifamiliar Málaga, aún en construcción en la calle Monseñor Salvatierra, se vino abajo y atrapó en su violenta caída a por lo menos 17 personas, de las cuales hasta el cierre de esta edición nueve están a salvo y recuperándose de la tragedia vivida.

El edificio tenía 43 departamentos y tres locales comerciales. Sólo le faltaba la obra fina. Lo ocurrido movilizó a la Policía, la Gobernación, la Alcaldía y a los grupos de rescatistas voluntarios, que a riesgo de sus vidas aún están metidos en medio de los escombros que dejó el siniestro con la caída de nueve pisos, tratando de encontrar a los que el destino les permita salir airosos de este hecho. Uno de estos sobrevivientes fue Óscar Encinas N., que había llegado a la obra acompañando al ingeniero Luis Camacho. El objetivo era buscar soluciones a los agrietamientos que ya se habían detectado en la parte inferior de la construcción. Fue precisamente la información que proporcionó Encinas, lo que permitió a los rescatistas preparar las tareas de ayuda. Una forma que se encontró para hallar a los desaparecidos, fue llamar a sus teléfonos celulares y saber si estaban aún con vida.

Es necesario que se contrate a profesionistas, pero además a profesionales de calidad. Lo ocurrido a este edificio tuvo consecuencias graves y lamentablemente hubo fallecidos.