Ciencias naturales aplicadas a la ingeniería: materiales, energía y balances
Aquí la ciencia funciona como insumo de diseño: propiedades y esfuerzos de materiales, balances de masa y energía, comportamiento de fluidos, ciclos naturales e impacto ambiental. Los ítems piden estimar, convertir y juzgar si un resultado es físicamente razonable, más que demostrar una teoría completa.
Materiales y esfuerzos
- Esfuerzo σ=F/A en pascales; deformación unitaria ε=ΔL/L₀; módulo de Young E=σ/ε dentro del rango elástico.
- Un material dúctil se deforma antes de romperse; uno frágil falla con deformación pequeña y sin aviso.
- La densidad ρ=m/V permite estimar pesos: 0.1 m³ de hormigón con ρ≈2400 kg/m³ tiene 240 kg, es decir unos 2.4 kN.
- La corrosión y la fatiga reducen la sección útil y explican fallas bajo cargas menores que la de diseño.
Energía, fluidos y ambiente
- Eficiencia η = energía útil / energía total; siempre es menor o igual que 1.
- Potencia eléctrica P=VI; energía en kWh = potencia en kW × tiempo en horas.
- Caudal Q=A·v; en un conducto continuo A₁v₁=A₂v₂, así que al reducirse el área aumenta la velocidad.
- Balance de masa: lo que entra a un proceso sale o se acumula; nada desaparece.
Ejemplo resuelto
Un panel solar entrega 300 W durante 5 h de sol útil. ¿Cuánta energía produce al día y cómo se compara con una lámpara de 100 W encendida 10 h?
- Panel: E=P·t=0.300 kW × 5 h = 1.5 kWh.
- Lámpara: 0.100 kW × 10 h = 1.0 kWh.
- El panel cubre 1.5 veces ese consumo y sobran 0.5 kWh.
- Conversión útil: 1 kWh=3.6×10⁶ J, por lo tanto 1.5 kWh≈5.4×10⁶ J.
Errores que cuestan puntos
- Mezclar watts con kilowatts y horas con segundos dentro del mismo cálculo.
- Multiplicar P·t con el tiempo en minutos y reportar el resultado como kWh.
- Invertir la eficiencia, dividiendo el resultado útil en lugar de multiplicarlo.
- Comparar magnitudes sin unificar unidades (kN frente a kg, por ejemplo).