PIEDRA, PAPEL, TIJERA
En este tema veremos:
Clasificación de los materiales de uso técnico.
Propiedades de los materiales
La madera y los metales: propiedades físicas y mecánicas, su impacto ambiental y reciclado.
Herramientas y técnicas de manipulación y mecanizado
Introducción
Vivimos rodeados de productos tecnológicos que satisfacen nuestras necesidades y mejoran nuestra calidad de vida. ¿Te has parado alguna vez a pensar con qué materiales están fabricados? ¿Has pensado alguna vez en las propiedades de esos materiales? ¿Fabricarías un coche de Fórmula 1 con hierro?
Materias primas, materiales y productos
Las materias primas son los elementos que encontramos directamente en la naturaleza y con cuya transformación obtenemos otros materiales o productos.
Según su origen las materias primas se pueden clasificar en tres grupos:
o Materias primas animales: lana, seda, pieles.
o Materias primas vegetales: madera, corcho, algodón, lino...
o Materias primas minerales: arena, granito, mármol...
Los materiales se obtienen a partir de las materias primas mediante procesos industriales y sirven para fabricar productos.
Un producto es cualquier objeto creado y diseñado por el hombre a partir de materiales para cubrir sus necesidades o mejorar su vida.
Clasificación de los materiales de uso técnico
Una de las clasificaciones que se suelen realizar de los materiales más habituales en la construcción de objetos tecnológicos es en función de su procedencia:
o Materiales cerámicos. Su origen es la arcilla o el barro cocido.
o Materiales pétreos. Son las rocas como el mármol, el vidrio, el yeso, la pizarra…
o Materiales textiles. Existen tejidos naturales como la lana o el algodón, y artificiales, como el nylon o la lycra.
o Madera. Se obtiene del tronco de los árboles.
o Los metales. Se obtienen de diversos minerales. Pueden ser férricos (contienen hierro en su composición) y no férricos (no contienen hierro en su composición, como el aluminio).
o Plásticos. Son subproductos del petróleo.
Propiedades de los materiales
Las propiedades de un material son el conjunto de características que hacen que se comporte de una determinada manera ante fenómenos externos como la luz, el calor, las fuerzas, la electricidad…
La elección de un material u otro para la construcción de un determinado objeto va a depender en gran medida de las propiedades que lo caractericen.
Podemos hablar de diferentes tipos de propiedades y agruparlas en función de diferentes criterios. Vamos a centrarnos en algunas de las más importantes agrupadas desde un punto de vista técnico.
PROPIEDADES FÍSICAS
Hacen referencia a cómo se se comportan los materiales ante determinados fenómenos físicos
Densidad.
Es la relación entre la masa de un material y su volumen. Por ejemplo, la densidad de los plásticos es bastante baja, lo que quiere decir que una pequeña cantidad de plástico (en gramos) ocupa bastante volumen o, dicho de otra forma, hará falta mucho volumen de plástico para obtener una cantidad de masa notable. Sin embargo, la densidad del acero es elevada, con muy poco volumen de este material obtendremos mucha masa.
Conductividad eléctrica.
Es la capacidad de los materiales de permitir o no el paso de la corriente eléctrica. Recuerda que hay materiales aislantes, que no permiten el paso de la electricidad (madera, plástico…) y materiales conductores, que si la dejan pasar (metales).
Conductividad térmica.
Hace referencia a la capacidad de un material de conducir o transmitir el calor. Los metales son buenos conductores térmicos, mientras que la madera y los materiales plásticos son aislantes térmicos.
Dilatación/contracción.
Es la propiedad que tienen ciertos materiales de aumentar o disminuir su volumen, respectivamente, con la temperatura. Cuando la temperatura se eleva, el material aumenta su volumen y cuando la temperatura disminuye reduce su volumen. Por ejemplo, los metales.
Punto de fusión.
Es la temperatura a la que un cuerpo en estado sólido se transforma en líquido.
Propiedades ópticas.
Son las que determinan la aptitud de un material ante el paso de la luz a su través. Según el comportamiento de los materiales ante la luz, nos encontramos con tres tipos de materiales: transparentes (dejan pasar totalmente la luz), translúcidos (dejan pasar parte de la luz) y opacos (no dejan pasar la luz).
PROPIEDADES MECÁNICAS
Son las que describen el comportamiento de un material ante las fuerzas aplicadas sobre él, por eso son especialmente importantes al elegir el material del que debe estar construido un determinado objeto.
Tenacidad / fragilidad. Son propiedades opuestas. La tenacidad es la capacidad de un material de soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se le apliquen, como los metales. La fragilidad, en cambio, es la facilidad para romperse un material por la acción de un impacto, como el vidrio.
Elasticidad / plasticidad. La elasticidad es la capacidad de un material de recuperar su forma original cuando cesa la fuerza que lo deforma, como el caucho de unos guantes quirúrjicos. La plasticidad es la capacidad de un material de adquirir deformaciones permanentes, como la arcilla.
Dureza. Es la resistencia de un material a ser rayado por otro. Según la escala de Mohs, el material más duro es el diamante y el más blando el talco
Fatiga. Es una propiedad que nos indica el comportamiento de un material ante esfuerzos, inferiores al de rotura, pero que actúan de una forma repetida
PROPIEDADES QUÍMICAS
Son las propiedades que se manifiestan cuando un material reacciona en presencia de otras sustancias, pudiendo producirse transformaciones en su composición.
Oxidación. Es la capacidad de los materiales a ceder electrones ante el oxígeno de la atmósfera.
Corrosión. Es el comportamiento que tienen los materiales al estar en contacto con determinados productos químicos, especialmente ácidos en ambientes húmedos.
PROPIEDADES SENSORIALES
Son las propiedades que hacen referencia al aspecto externo de un material. Es por esto que tienen un componente más estético que técnico. Se denominan sensoriales porque están relacionadas con la impresión que causan a nuestros sentidos.
Dentro de estas propiedades se incluyen el color, el brillo, el olor y la textura.
PROPIEDADES ECOLÓGICAS
Reciclabilidad. Característica que tienen los materiales que se pueden reciclar, es decir, los materiales que pueden ser usados para fabricar otros diferentes.
Reutilizabilidad. Cuando se puede volver a utilizar el material para el mismo uso.
Toxicidad. Propiedad de algunos materiales de ser nocivos para el medio ambiente, ya que pueden resultar venenosos para los seres vivos y contaminan el agua, el suelo o la atmósfera.
Biodegradabilidad. Propiedad por la que un material tarda poco en descomponerse en la naturaleza de forma natural, transformándose en otras sustancias.
ACTIVIDADES
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La madera
Se trata de uno de los primeros materiales que usó el ser humano, primero como combustible cuando descubrieron el fuego y, mas tarde, para la elaboración de utensilios y armas. Finalmente, las primeras cabañas se construyeron con piedras y ramas.
Posteriormente, debido a la buena resistencia mecánica de la madera, se empleó para construir elementes estructurales como vigas y pilares. En este sentido hay que destacar que presenta algún inconveniente, como su debilidad frente al ataque de ciertos insectos y hongos que pueden deteriorar el material y que nos obliga a realizar tratamientos periódicos. Uno de los mayores usos que tiene en la actualidad este material es para fabricar pasta de papel.
Composición y estructrura de la madera
La madera es una materia prima de origen vegetal que se obtiene de las partes leñosas de los troncos de los árboles. Está formada principalmente por dos elementos: la celulosa (que forma el esqueleto de los vegetales) y la lignina (que le proporciona rigidez y dureza). Además, la madera, contiene otras sustancias como el almidón, la resina, aceites, etc., que se pueden aprovechar industrialmente.
Propiedades de la madera
Sus propiedades varían según la especie de árbol e, incluso, de las condiciones del lugar de crecimiento del mismo. No obstante, hay algunas características que podríamos considerar comunes a todas.
Mecanización. Es un material fácil de trabajar con el uso de las herramientas adecuadas.
Densidad. Excepto raras excepciones, la madera tiene una densidad menor que la del agua y, por ello, flota.
Propiedades mecánicas. Depende mucho de las especies, en general las especies caducifolias presentan menor dureza y resistencia mecánica que las perennes. En cualquier caso, se considera que la madera presenta una buena resistencia mecánica a los esfuerzos de flexión y compresión.
Hendibilidad. La madera es fácil de romper, mediante un esfuerzo e tracción, en el sentido de las fibras o vetas.
Higroscopicidad. Este material tiene una gran capacidad para absorber agua y perderla posteriormente.
Combustibilidad. Es la capacidad de arder. La madera arde fácilmente, desprendiendo mucho calor.
Conductividad. Es un material bastante aislante, tanto del calor como de la electricidad.
Clasificación de la madera
Las maderas pueden clasificarse de muy diversas formas, según el criterio que se tenga en cuenta. Según el árbol del que proceda podemos clasificarlas en dos tipos: maderas blandas y maderas duras.
Las maderas duras proceden de árboles con un crecimiento lento, de hoja caduca. Debido a ese lento crecimiento su disponibilidad es menor que el de otras especies, lo que encarece este producto. Sin embargo, este tipo e madera, es de mayor calidad que las blandas. Sus usos más habituales son la elaboración de vigas, construcción de muebles y tallas, parqués de suelo, etc. Algunos árboles con este tipo de madera son: haya, roble, nogal, castaño, fresno, olivo, ébano, caoba…
Las maderas blandas proceden de árboles de crecimiento rápido, lo que hace que su disponibilidad en el mercado sea mayor que las anteriores y, consecuentemente, su precio inferior. En este grupo encontramos a los árboles de hoja perenne y a las coníferas. Este tipo de madera es de peor calidad que las duras, con menor resistencia mecánica y menor vida útil. Sin embargo, son muy apreciadas debido a su bajo coste y facilidad para ser trabajadas, siendo sus usos habituales la construcción de estructuras, embalajes, pasta de papel, etc. Algunos árboles con esta característica son: pino, abeto, abedul, álamo, balsa, etc.
Proceso de obtención de la madera
La madera sufre una serie de transformaciones desde su extracción en los bosques, como materia prima, hasta la obtención de tablones y otros productos comercializados. Este proceso consta de los pasos que veremos a continuación.
a) Tala o apeo. Consiste en cortar el tronco y abatirlo. Para ello se emplean diferentes herramientas como sierras mecánicas o motosierras, sierras de vaivén, hachas…
b) Poda. Una vez derribado el árbol, se procede a limpiar el tronco eliminando todas las ramas.
c) Transporte. Los troncos son transportados por carretera, ferrocarril o agua a la serrería
d) Descortezado. En este paso se procede a eliminar la corteza de los troncos mediante una cadena de rodillos. La corteza extraída se emplea para la fabricación de corcho (en el caso de los alcornoques), papel, aglomerados o como combustible.
e) Aserrado. Para aprovechar al máximo la madera, se corta el tronco longitudinalmente para obtener diferentes productos (tablas, tablones, tableros, etc.)
f) Secado. La madera contiene una gran cantidad de humedad cuando se acaba de talar el árbol, lo que hace que sea difícil trabajarla, se combe con facilidad, coja deformaciones o varíe sus dimensiones (hinchado de la madera). Para evitar estos inconvenientes, hay que reducir la presencia de agua en la madera mediante su secado. El secado puede ser natural, mediante el apilamiento de las maderas de forma que se favorezca la circulación del aire entre las mismas, o artificial, mediante la utilización de hornos de aire caliente.
Tala o apeo
Poda
Transporte
Descortezado
Aserrado
Secado
Formas comerciales de la madera
La madera puede presentarse como producto final de muchas formas. Algunas de las más habituales son las que se presentan a continuación
Derivados de la madera
Los derivados de la madera son aquellos materiales que no se obtienen directamente de los troncos, sino a partir de fibras o virutas de madera. Entre estos derivados se encuentran las maderas prefabricadas y los materiales celulósicos.
a) Maderas prefabricadas
Tableros contrachapados
Están formados por chapas de madera encoladas entre sí y prensadas. En general son muy sensibles a la humedad y a la temperatura, deformándose fácilmente.
Tableros de aglomerado
Se elabora con virutas y serrín de madera encoladas a presión. Son muy sensibles a la humedad, dilatándose con facilidad y sin posibilidad de recuperarse con el secado. Suelen ser tableros relativamente frágiles y con menor resistencia a la tracción que los contrachapados.
Tableros de fibra
Las fibras proceden del molido de las astillas de madera. El resultado son unos pequeños hilos leñosos que se unen y se comprimen con una resina sintética. Existen tableros de fibra fabricados a diferentes presiones, consiguiendo tableros con mayor o menor densidad. En general, son muy resistentes a la humedad y no se pudren, por lo que suelen utilizarse para revestimientos exteriores
b) Materiales celulósicos.
Son aquellos que han sido elaborados con la celulosa de la madera. El papel es el más importante. Otros son el cartón, la cartulina, el papel de seda, etc.
El papel se elabora a partir de una pasta formada por las fibras de celulosa de la madera y otros aditivos que se someten a diferentes procesos industriales.
Técnicas de mecanizado, unión y acabado de la madera
Para construir cualquier tipo de objetos de madera es necesario realizar un gran número de tareas. Sin embargo, todas ellas pueden agruparse en las siguientes etapas de construcción:
a) Mecanizado o realización de las piezas que forman el objeto. Esta etapa comprende tareas como el marcar, trazar su contorno, cortar, perforar, limar o lijar, etc.
b) Montaje y unión de las diferentes piezas. En esta etapa realizaremos tareas como pegar, encajar, clavar, atornillar…
c) Acabados. En esta etapa realzaremos tareas como pintar o barnizar.
ACTIVIDADES
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Los metales
La mayoría de los metales se encuentran en la naturaleza formando minerales. Su obtención resulta costosa y complicada pero de mucho interés debido a sus importantes cualidades técnicas. El proceso de extracción y transformación de los metales se llama metalurgia y, si hablamos particularmente del hierro, siderurgia.
Existe una gran variedad de materiales metálicos. Algunos se emplean en estado casi puro, como la plata, el oro o el platino. La mayoría de ellos, sin embargo, se combinan entre sí o con otros elementos formando aleaciones con las que se consigue ampliar y mejorar sus propiedades.
Entre las principales propiedades generales de los metales podemos mencionar las siguientes:
o Tienen un brillo característico.
o Más densos y pesados que otros materiales.
o Son sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio.
o Aumentan de tamaño con el calor.
o Gran resistencia mecánica.
o Soportan grandes esfuerzos, presiones y golpes.
o Suelen ser tenaces, maleables y dúctiles, por eso es fácil darles forma.
o Son buenos conductores de la electricidad y del calor.
o La mayoría son reciclables
Clasificación y aplicaciones de los metales
Los metales podemos clasificarlos en:
a) Ferrosos: su principal componente es el hierro (Fe). Los metales ferrosos son:
o Hierro puro (Fe). no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético.,
o Acero. Contiene hierro y un porcentaje de carbono (entre el 0,05% y el 1,6%).. Es el más utilizado debido a sus buenas propiedades mecánicas. Su principal uso es en la construcción de barcos, automóviles y componentes estructurales de edificios.
o Fundición. Al igual que el acero, es una aleación de hierro con un porcentaje de carbono, en este caso entre el 1,6% y el 6%. Se usa para la fabricación de objetos con formas complicadas debido a que es más fácil de trabajar que el acero (radiadores antiguos, farolas, tornillos de banco…).
b) No ferrosos: no contienen hierro en su composición o lo tienen en proporciones muy pequeñas (cobre, bronce, cinc, plata, plomo, etc.). Sus aplicaciones son innumerables: cables eléctricos, tuberías, llaves, estatuas, campanas, latas de refresco…).
ACTIVIDADES
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