Clasificación de los materiales
En un puesto de pupusas el comal es de hierro, el plato de plástico, la jarra de horchata de vidrio y la mesa de madera. ¿Por qué nadie hace el comal de plástico ni el plato de hierro? Cada material se comporta distinto, y elegir bien evita piezas que se derriten, se quiebran o se oxidan. Al final de la página vas a poder explicar esa elección.
Las cuatro familias de materiales técnicos
Todos los materiales que usa la industria se agrupan en cuatro familias según su estructura interna (cómo están ordenados y unidos sus átomos) y su comportamiento.
Nombrá las cuatro grandes familias de materiales técnicos y escribí un ejemplo de material de cada una, indicando una propiedad característica por la que se usa.
Nombrá las cuatro grandes familias de materiales técnicos y escribí un ejemplo de material de cada una, indicando una propiedad característica por la que se usa.
Indicá a qué familia de materiales pertenece cada uno de estos objetos y justificalo con una propiedad: (a) una sartén de acero, (b) una botella de agua de PET, (c) un…
Indicá a qué familia de materiales pertenece cada uno de estos objetos y justificalo con una propiedad: (a) una sartén de acero, (b) una botella de agua de PET, (c) un plato de porcelana y (d) un casco de bicicleta de fibra de carbono.
El árbol de clasificación de la figura ordena los materiales técnicos en familias, con un ejemplo de cada una, pero una rama está tapada con un signo de interrogación,…
El árbol de clasificación de la figura ordena los materiales técnicos en familias, con un ejemplo de cada una, pero una rama está tapada con un signo de interrogación, como se muestra en la figura.
Indicá qué familia falta, escribí dos ejemplos de materiales de esa familia y describí una propiedad que la caracterice.
Propiedades que deciden la elección
Para elegir un material se comparan sus propiedades. Las más importantes son estas:
| Propiedad | Qué mide | Ejemplo de uso |
|---|---|---|
| Eléctrica | Si deja pasar la corriente (conductor) o no (aislante) | Cobre en el cable, plástico en su forro |
| Térmica | Si conduce el calor o lo aísla; qué temperatura soporta | Aluminio en una olla, cerámica en un horno |
| Magnética | Si responde a un imán (hierro, acero) | Núcleo de un motor, imán de refrigeradora |
| Óptica | Si deja pasar la luz (transparente), la refleja o la absorbe | Vidrio de una ventana, espejo metálico |
| Densidad | Masa por unidad de volumen, $\rho = m/V$ | Dron ligero, pesa de gimnasio pesada |
Los metales conducen bien porque tienen electrones libres que se mueven por toda la red y transportan carga y calor. En los cerámicos y en la mayoría de los polímeros los electrones están ligados a sus átomos o enlaces y no pueden circular: son aislantes.
Explicá qué es la densidad de un material y por qué es una propiedad crítica al elegir el material del chasis de un dron, comparándola con lo que importaría en una pesa…
Explicá qué es la densidad de un material y por qué es una propiedad crítica al elegir el material del chasis de un dron, comparándola con lo que importaría en una pesa de gimnasio.
Elegí la familia de materiales más adecuada para cada pieza y justificalo con al menos dos propiedades: (a) el hilo conductor del interior de un cable eléctrico, (b) el…
Elegí la familia de materiales más adecuada para cada pieza y justificalo con al menos dos propiedades: (a) el hilo conductor del interior de un cable eléctrico, (b) el cuerpo aislante de un tomacorriente y (c) el vidrio de la puerta de un horno.
Metales y aleaciones
En un metal los átomos se ordenan en una red cristalina: filas regulares repetidas en el espacio, rodeadas por una nube de electrones libres. Si se aplica una fuerza, los planos de átomos pueden deslizarse unos sobre otros sin romper la unión: por eso los metales se doblan (maleabilidad) y se estiran en hilos (ductilidad) en lugar de quebrarse.
¿Por qué las aleaciones suelen ser mejores? Los átomos extraños (carbono, cinc, estaño) tienen otro tamaño y traban los planos de átomos, que ya no se deslizan con tanta facilidad. El resultado es un material más duro y resistente. En los aceros, además, el ordenamiento cristalino cambia con el contenido de carbono y con el tratamiento térmico, y eso permite fabricar desde varillas de construcción hasta herramientas de corte.
Densidades de referencia: acero $\approx 7.8\ \text{g/cm}^3$, aluminio $\approx 2.7\ \text{g/cm}^3$, titanio $\approx 4.5\ \text{g/cm}^3$, cobre $\approx 8.9\ \text{g/cm}^3$.
Metales en electrónica y en medicina
En electrónica, el cobre es el metal de los cables y de las pistas de las placas de circuito de una computadora o un celular, porque conduce muy bien la corriente. El aluminio y el cobre también forman los disipadores que alejan el calor de un procesador. Las soldaduras son aleaciones de estaño de bajo punto de fusión que unen los componentes.
En medicina, el acero inoxidable se usa en bisturíes, pinzas y agujas, porque resiste la corrosión y se esteriliza sin dañarse. El titanio y sus aleaciones se usan en implantes (prótesis de cadera, tornillos para huesos), porque son livianos, resistentes y el cuerpo los tolera bien.
Nombrá tres propiedades características de los metales (conductividad eléctrica y térmica, brillo, maleabilidad...) y, para cada una, un objeto cotidiano que la…
Nombrá tres propiedades características de los metales (conductividad eléctrica y térmica, brillo, maleabilidad...) y, para cada una, un objeto cotidiano que la aproveche.
Explicá qué es una aleación y poné dos ejemplos (acero, latón, bronce...), indicando por qué la industria usa aleaciones en lugar de metales puros en la mayoría de las…
Explicá qué es una aleación y poné dos ejemplos (acero, latón, bronce...), indicando por qué la industria usa aleaciones en lugar de metales puros en la mayoría de las aplicaciones.
Los metales conducen bien la electricidad y el calor, mientras que los materiales cerámicos son aislantes y aguantan temperaturas muy altas. Relacioná estas diferencias…
Los metales conducen bien la electricidad y el calor, mientras que los materiales cerámicos son aislantes y aguantan temperaturas muy altas. Relacioná estas diferencias de comportamiento con el tipo de estructura interna de cada familia y poné una aplicación de cada propiedad citada.
Polímeros
Un polímero está formado por cadenas largas de moléculas que se repiten, hechas sobre todo de carbono e hidrógeno. Casi no tienen electrones libres, así que son aislantes. Son livianos, baratos y fáciles de moldear. Según cómo reaccionan al calor se dividen en dos grupos.
| Termoplásticos | Termoestables | |
|---|---|---|
| Cadenas | Sueltas, solo se enredan | Unidas por enlaces transversales al curarse |
| Al calentar | Se ablandan y se funden | No se funden: se degradan o queman |
| ¿Se pueden remoldear? | Sí, muchas veces | No, solo se moldean una vez |
| Reciclaje | Más fácil | Difícil |
| Ejemplos | PET de botellas, PVC de tubos, ABS | Resina epoxi, baquelita |
Los elastómeros (caucho, silicona) son polímeros muy elásticos: vuelven a su forma tras estirarse. Una espátula de silicona soporta el calor de la cocina porque su estructura es entrecruzada.
Los polímeros se dividen en termoplásticos y termoestables. Explicá la diferencia clave (qué ocurre al recalentarlos) y poné un ejemplo de objeto de cada tipo.
Los polímeros se dividen en termoplásticos y termoestables. Explicá la diferencia clave (qué ocurre al recalentarlos) y poné un ejemplo de objeto de cada tipo.
Clasificá estos objetos en su familia de materiales y justificalo con una propiedad: (a) el disipador de aluminio de un procesador, (b) una ventana de vidrio, (c) una…
Clasificá estos objetos en su familia de materiales y justificalo con una propiedad: (a) el disipador de aluminio de un procesador, (b) una ventana de vidrio, (c) una llanta (caucho reforzado con telas), (d) una espátula de silicona de cocina, (e) una maceta de barro cocido y (f) un cable de cobre.
Cerámicos y vidrio
Los cerámicos son compuestos de metales con oxígeno, silicio, carbono o nitrógeno unidos por enlaces muy fuertes (iónicos y covalentes). Los átomos forman una red rígida donde los electrones no pueden moverse y los planos de átomos no se deslizan: ante un golpe el material no se deforma, se rompe. De ahí sus propiedades: gran dureza, fragilidad, aislamiento eléctrico y térmico, y resistencia al calor y a los químicos.
Tipos principales:
-
Cerámicas tradicionales (arcilla): barro cocido, ladrillos, tejas, porcelana.
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Vidrios: sólidos amorfos, con átomos desordenados, que se obtienen fundiendo arena (sílice).
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Cerámicas técnicas: alúmina de una bujía, aislantes eléctricos, implantes dentales y prótesis de cadera.
Nombrá dos propiedades típicas de los materiales cerámicos (dureza, resistencia al calor, fragilidad, aislamiento) y dos objetos cotidianos fabricados con ellos que…
Nombrá dos propiedades típicas de los materiales cerámicos (dureza, resistencia al calor, fragilidad, aislamiento) y dos objetos cotidianos fabricados con ellos que dependan de esas propiedades.
El vidrio es un sólido amorfo (sin estructura cristalina ordenada) que se obtiene fundiendo arena. Razoná a qué familia de materiales pertenece a partir de su…
El vidrio es un sólido amorfo (sin estructura cristalina ordenada) que se obtiene fundiendo arena. Razoná a qué familia de materiales pertenece a partir de su comportamiento (duro, frágil, aislante, resistente al calor y a los químicos) y no a partir de su nombre comercial.
Materiales compuestos
Cuando ninguna familia cumple por sí sola todos los requisitos, se combinan dos o más.
¿Por qué funcionan? Las fibras finas aguantan tracciones enormes, pero se doblan solas; la matriz las mantiene alineadas y hace que trabajen como un bloque.
Explicá qué es un material compuesto y por qué se fabrican combinando dos o más materiales. Describí el caso de la fibra de vidrio: qué aporta la resina y qué aportan…
Explicá qué es un material compuesto y por qué se fabrican combinando dos o más materiales. Describí el caso de la fibra de vidrio: qué aporta la resina y qué aportan las fibras dentro del conjunto.
La madera combina fibras de celulosa con una matriz de lignina. Analizá si puede considerarse un material compuesto natural comparando su estructura con la de la fibra…
La madera combina fibras de celulosa con una matriz de lignina. Analizá si puede considerarse un material compuesto natural comparando su estructura con la de la fibra de vidrio (refuerzo más matriz), y citá una consecuencia práctica de esa estructura fibrosa (la dirección de la veta al serrar o al doblar).
Elegir el material adecuado
Elegir un material es un problema con varias condiciones a la vez. Seguí estos pasos: (1) ¿qué esfuerzos, temperatura y ambiente soportará?; (2) ¿qué propiedades eléctricas, térmicas u ópticas necesita?; (3) ¿qué peso puede tener?; (4) ¿cuánto cuesta fabricarlo, repararlo y reciclarlo?
| Propiedad | Familia que mejor la representa | Ejemplo |
|---|---|---|
| Mejor conductividad eléctrica y térmica | Metálicos | Cable de cobre |
| Gran dureza y gran fragilidad | Cerámicos | Plato de porcelana |
| Poca densidad y moldeado fácil y barato | Poliméricos | Envase de plástico |
| Ligereza y resistencia a la vez | Compuestos | Casco de fibra de carbono |
Volvé al principio: el comal es de hierro o barro porque soporta el calor y lo reparte; el plato es de plástico porque es liviano, barato y no se quiebra; la jarra es de vidrio porque es inerte con los líquidos y transparente. Cada pieza usa la familia cuyas propiedades encajan con su función.
Emparejá cada propiedad con la familia de materiales que mejor la representa (metálicos, poliméricos, cerámicos, compuestos) y justificá cada emparejamiento con un…
Emparejá cada propiedad con la familia de materiales que mejor la representa (metálicos, poliméricos, cerámicos, compuestos) y justificá cada emparejamiento con un ejemplo de objeto: (a) la mejor conductividad térmica y eléctrica, (b) la mayor fragilidad junto con gran dureza, (c) la menor densidad junto con moldeado fácil y barato, (d) la mejor combinación de ligereza y resistencia conseguida uniendo dos materiales.
Los carros llevan cada vez más aluminio y polímeros en piezas que antes eran de acero. Analizá las razones del cambio (peso y consumo de combustible, corrosión, libertad…
Los carros llevan cada vez más aluminio y polímeros en piezas que antes eran de acero. Analizá las razones del cambio (peso y consumo de combustible, corrosión, libertad de diseño) y los inconvenientes que trae (costo, reparación de golpes, reciclaje de piezas que mezclan materiales).
La alcaldía de una localidad costera te encarga definir los materiales de un nuevo modelo de banca pública exterior expuesta a brisa marina salina, radiación solar…
La alcaldía de una localidad costera te encarga definir los materiales de un nuevo modelo de banca pública exterior expuesta a brisa marina salina, radiación solar intensa y riesgo de vandalismo (grafitis, golpes y quemaduras).
- a) Estructura portante: un miembro del equipo propone fundición de hierro sin recubrir por ser económica y pesada. Rebatí esta propuesta prediciendo qué tipo de fallo por corrosión y fragilidad sufrirá ante impactos, y defendé una alternativa metálica adecuada (como acero galvanizado en caliente con recubrimiento de pintura en polvo o aluminio anodizado).
- b) Asiento y respaldo: compará listones de polietileno de alta densidad (HDPE) reciclado frente a listones de madera de pino tratada en autoclave. Predecí cómo responderá cada material frente a la exposición solar continuada (degradación por UV) y ante el uso recurrente de disolventes agresivos (acetona) para limpiar grafitis.
- c) Corrosión galvánica en la tornillería: si se atornilla una estructura de aluminio con tornillos convencionales de acero al carbono cincado en contacto directo bajo la humedad salina, predecí cuál de los dos metales actuará como ánodo y se corroerá aceleradamente. Justificá cómo debés evitar este fallo mediante la selección de materiales o aislamiento eléctrico en las uniones.