Actividad final: Ingeniería de los Materiales

Tema: Ingeniería de los Materiales

Introducción: El desarrollo de este tema cubre varias sesiones. Es una actividad planificada para  dos semanas.  Se trabajaron 3 secciones: (1) Introducción a la Ingeniería de Materiales, (2) Propiedades de los Materiales y (3) Clasificación de los Materiales.  Se realizó un assessment escrito para la sección 2 y se separó el salón en grupos de trabajo. Se  realizó un STEM-Lab, laboratorio en la que crearon material compuesto que resolviera uno de los tres problemas seleccionados por ellos.

Objetivos:

Identificar  las propiedades de los materiales y cómo estas influyen en la función que desempeña el producto realizado con ellos.

Clasificar los materiales en grupo y luego en sub-grupos, según sus características y propiedades

Diseñar y crear un material compuesto  usando hasta 3 tipos de materiales y tres capas de cada uno

Hacer una experimentación para probar la efectividad del material creado.

Problemas, criterios y restricciones

puedes usar de 1 a 3 materiales y hacer de 1 a 3 capas

(A )Aislante Térmico: diseña y crea una cubierta a una lata de metal que  mantenga el agua  caliente el mayor tiempo posible.

Criterios: (1) puedes usar de 1 a 3 materiales y  hacer de 1 a 3 capas  (2) se considera una cubierta efectiva si mantiene la temperatura promedio con 5 grados de diferencia sobre el grupo control (3) Se puede desarrollar cubierta aislante por debajo de la lata (4)tomar muestras de temperatura cada 15 minutos. (4) cualquier adhesivo no será contado como uno de los 3 materiales si solo se usa con propósito de fijación; si se usa como una capa completa, entonces sí es parte de los materiales requisitos.

Restricciones: (1) la cubierta no puede ser mayor a 3 cm fuera de la circunferencia de la lata (2) no puede ser tapada.

Materiales: lata de metal (por ejemplo lata de café, habichuelas o algo parecido)Los estudiantes decidirán con qué materiales desean hacer la cubierta

Experimentación:

Grupo control: lata de metal sin cubierta.

Procedimiento: Anotar la hora, temperatura inicial en grupo control y experimental. Tomar las muestras de temperatura según el tiempo acordado, anotar hora y la diferencia entre temperatura de muestras control y experimental. Diseñar una tabla que recoja estos datos y realizar una gráfica que muestre los resultados. Llegar a conclusiones.

(B) Material resistente a la compresión: fortalecer un tubo de cartón para que resista el mayor peso posible sin romperse.

Criterios: 1) puedes usar de 1 a 3 materiales y  hacer de 1 a 3 capas  (2) se considera una cubierta efectiva si tres veces el peso del grupo control (3) cualquier adhesivo no será contado como uno de los 3 materiales si solo se usa con propósito de fijación; si se usa como una capa completa, entonces sí es parte de los materiales requisitos.

Restricciones: (1) la cubierta no puede ser mayor a 2 cm fuera de la circunferencia del tubo (2) el tubo no puede ser tapado ni rellenado.

Grupo control: tubo original

Grupo experimental: tubo fortalecido

Procedimiento: Colocar sobre el tubo de cartón del grupo control libros del mismo grueso (si no se dispone de libros iguales, colocarlos entonces siempre en el mismo orden para mantener la equidad durante las pruebas). Se contará hasta el último libro que soportó sin caerse. Repetir el proceso con los grupos experimentales. Si se acaban los libros, pueden colocarse bultos o parar estudiantes sobre un libro encima del tubo. Diseñar una tabla que recoja estos datos y realizar una gráfica que muestre los resultados. Llegar a conclusiones.

(C ) Material Resistente a la tensión y desgarre: fortalece una cubierta hecha con pepel encerado que sea capaz de resistir si romperse la caída de una pelota de tenis y de béisbol desde el segundo o tercer nivel de la escuela.

Criterios: 1) puedes usar de 1 a 3 materiales y  hacer de 1 a 3 capas  (2) se considera una cubierta efectiva resiste un nivel más que la cubierta del grupo control (3) cualquier adhesivo no será contado como uno de los 3 materiales si solo se usa con propósito de fijación; si se usa como una capa completa, entonces sí es parte de los materiales requisitos. (40 la idea no es hacer el papel impenetrable, sino se espera que eventualmente de rompa.

Restricciones: (1) los materiales que fortalezcan la cubierta no pueden exceder el 20% del área de la superficie de la cubierta

Materiales: caja sin tapa, cinta adhesiva o pistola de grapas, papel encerado

Los estudiantes decidirán el resto de los materiales (ejemplos: cuerdas de hilo, nylon, poliéster, rubber bands, duct tape, alambre, elástico, etc.)

Grupo control: 1 a 3 capas de papel encerado

Grupo experimental: igual cantidad de capas de papel  fortalecido

Procedimiento: Resistente a tensión y desgarre – para el grupo control, cubrir una caja sin tapa con el papel encerado que tenga las mismas capas que el grupo experimental. Dejar caer desde el segundo nivel de la escuela (o de una altura conveniente y equitativa) una pelota de tenis. Anotar los resultados, se puede documentar con fotos. Repetir la operación con el grupo experimental, si la cubierta sigue intacta, dejar caer la pelota de tenis desde una altura mayor, como un tercer nivel. Si la cubierta sigue sana, soltar desde el segundo nivel una pelota de béisbol; repetir desde el tercer nivel si es necesario. Se espera que la cubierta fortalecida tenga mayor resistencia que el grupo control. Diseñar una tabla que recoja estos datos y realizar una gráfica que muestre los resultados. Llegar a conclusiones.

Yo les entrego una hoja de STEM-Lab, donde deben indicar los materiales usados, la cantidad de capas y sus medidas. Deben hacer un dibujo ortográfico donde indiquen el orden de las capas y las medidas reales. La tabla donde anotaron los resultados. Finalmente una tabla en la que evalúan las todas las propiedades que tiene el material base (lata de metal, rollo de cartón o papel encerado) y los tres materiales. Indican por qué eligieron esos materiales y evalúan la efectividad de cada uno.

Evaluación de los estudiantes:

A muchos les gustó la actividad y se alegraron mucho por los resultados. No esperaban que su cubierta soportara tanto peso. Los de la cubierta aislante no expresaron mucho entusiasmo, tal vez debido a que los resultados no son visiblemente llamativos. Los que desarrollaron el material resistente a la tensión tuvieron comentarios bien diversos, gran parte debido a los resultados obtenidos. En general les gustó la actividad porque pudieron crear cosas nuevas.

Reflexión: Fue una serie de clases bien interesante. Tuvieron su oportunidad de tomar decisiones importantes en términos de diseño y ejecución. Fue un poco compleja al trabajar tres proyectos diferentes de forma simultánea. Me gustó trabajarla porque sé que aprendieron sobre materiales y cómo los ingenieros utilizan ese conocimiento para diseñar los productos.

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