Transformación de la Experiencia educacional de la ciencia

Transformación de la Experiencia educacional de la ciencia

NOTA D E A PL ICA CIÓ N
Transformación de la Experiencia educacional de la ciencia de
materiales con el software de simulación y el plan de estudios
Las sesiones prácticas con equipos de prueba son la manera ideal de exponer a los aprendices a
los principios centrales del comportamiento de los materiales. Sin embargo, maximizar el tiempo
de cada estudiante con estos sistemas puede ser difícil, especialmente cuando los recursos del
laboratorio son limitados. Durante un pequeño momento adecuado, los estudiantes, en una sesión
de laboratorio típica, necesitan trabajar con la configuración de la prueba antes de poder observar
los diferentes modos de respuesta de deformación y ruptura de los materiales. Realizar un buen
ensayo simplemente lleva tiempo.
Para ayudar a los instructores a mejorar los resultados del aprendizaje, MTS provee dos recursos
fundamentales. El primer recurso es un plan de estudios básico para ensayos de materiales que
incluye planes de lecciones y tareas para el hogar. MTS también provee un software de
simulación para que los estudiantes puedan realizar ensayos virtuales y fortalecer su comprensión
de los conceptos de ensayos de materiales. Juntos, estos recursos les permiten a los estudiantes
ser testigos de un ensayo virtual en el salón de clases, realizar ensayos virtuales en un
laboratorio de informática y realizar ensayos reales en el laboratorio con mayor facilidad y
eficiencia.
Desarrollado por el Dr. Christoph Leser, el plan de estudios se inspiró en el enfoque que los
laboratorios de ensayos toman para la resolución de problemas durante el desarrollo del
producto. Específicamente, el lugar de trabajo de ingeniería a menudo presenta una capa de
simulación entre el diseño teórico y la construcción del prototipo. Esto se realiza por motivos
que los instructores universitarios conocen: los recursos del laboratorio son limitados, pero la
presión por realizar más ensayos en menos tiempo (sin sacrificar la precisión) es intensa.
“Utilizar un software para simular un ensayo mecánico puede transformar la manera en que los
estudiantes de ciencia de materiales aprenden”, dijo el Dr. Leser. “Cuando la interfaz gráfica idéntica
de usuario se utiliza para conducir ensayos de materiales virtuales y físicos, mejora la comprensión
de cada estudiante sobre la elasticidad del plástico, las relaciones de estrés y deformación, la fatiga,
el crecimiento de grieta y la fractura de los materiales, ya sea que lo observen en el salón de clases,
lo estudien por su cuenta o trabajen con un sistema de ensayos real”.
Establecer una consistencia desde la sala de conferencias al laboratorio ayuda a los instructores
del curso a ofrecer un plan de estudios virtual y físico más integrado. Esto le brinda los
estudiantes la habilidad para manejar todas las tareas asociadas a la configuración del ensayo, la
ejecución y el análisis de datos de manera más rápida, lo cual hace que la experiencia en el
laboratorio sea más eficiente. Un plan de estudios integrado también ayuda a los estudiantes a
comprender y apreciar tanto el valor como las limitaciones de los enfoques de modelación en la
descripción del comportamiento de materiales.
C O N EX I Ó N DE L O F Í SI CO Y L O VI RT UAL
Para un debate sobre el límite elástico, por ejemplo, se les presenta a los estudiantes el diseño de
la vinculación de un embrague. El enlace de unión (consulte la Fig. 1) es un miembro de dos
fuerzas que experimenta una fuerza de tensión de 4,5 kN. Si la fuerza es muy alta, la parte cederá.
Se les solicita a los estudiantes que diseñen una unión seleccionando un ancho (w) adecuado
para una unión fabricada con una placa de acero de 6 mm de grosor (t). Para completar el diseño,
los estudiantes necesitan saber el límite elástico de la placa de acero. La sección del laboratorio
le enseña al estudiante cómo medir el límite elástico mediante la medición de la curva de estrésdeformación y el cálculo del límite elástico con desviación.
La definición, ejecución y comunicación del ensayo con el controlador se realizan con un modo
de simulación dentro del software MTS TestSuite™ que puede conectarse a un sistema de ensayos
“virtual” y realizar ensayos en un rango de muestras de materiales “virtuales”. MTS provee
recursos similares para el ensayo de tensión, fatiga de ciclo alto (en inglés, HCF) y mecánica de
fractura, y todos los recursos siguen el mismo formato. El plan de estudios incluye versiones
para el instructor y el estudiante de plantillas de ensayos e informes. Las versiones para
estudiantes tienen los cálculos apagados para que ellos deban encontrar dichos valores
independientemente.
Todas las plantillas se pueden utilizar en forma virtual o mediante un
sistema interno universal de ensayos. En ambos casos, la experiencia
es idéntica (ver Fig. 2). El software MTS TestSuite facilita la transición
mediante el uso del lenguaje de programación Python™, que posee
muy poca abstracción y hace que sea más fácil para los alumnos pasar
de la ecuación al programa de ensayos. El código está escrito de la
misma manera en que se realizaría un cálculo manual. Además,
dado que Python es un lenguaje de código abierto, se encuentran
disponibles de manera gratuita muchos programas y documentos
de muestra diferentes.
t
F
W
Enlace de
unión
Enlace de unión
(a)
(b)
Fig. 1: a ) Enlace de unión y b) Dimensión w a determinar
Existen diferentes ventajas relevantes de la integración de clases, la
simulación y los ensayos físicos. Los estudiantes ganan una experiencia
directa con la propiedad del material necesaria para completar con
éxito el ejercicio de diseño. La integración brinda una ilustración
directa del comportamiento de los materiales, lo que genera la
discusión de conceptos más avanzados, como los fundamentos para
el rendimiento de los materiales, qué define la ductilidad y por qué
algunos materiales son más resistentes que otros.
Fuerza
VENTA J AS DE LA IN T E G R A C I Ó N
Además, los alumnos se familiarizan con los métodos de ensayo, los
conceptos, los procedimientos y el vocabulario, a la vez que aprenden
a recolectar e interpretar datos, extraer valores de propiedades e
identificar dónde se utilizan los resultados empíricos en el análisis.
En otras palabras, un plan de estudios integrado prepara eficazmente
a los alumnos para realizar ensayos de materiales reales. Y pueden
hacerlo a su propio ritmo.
Elongación
(a)
Fuerza
“Todos los aspectos de la realización de un buen ensayo físico, desde
la selección de la muestra y la alineación hasta el montaje, la ejecución
del ensayo y el análisis de datos, llevan tiempo y experiencia para poder
dominar”, dijo el Dr. Leser. “Nada de esto es fácil para un novato.
Pero con un plan de estudios integrado, los estudiantes pueden practicar
todos estos pasos en un entorno simulado de manera más rápida y
fácil”.
Datos del ensayo real
Datos del ensayo simulado
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Elongación
(b)
Fig. 2: a) Datos del ensayo real (para un acero templado) y
b) Límite simulado: curva de elongación
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