MATERIAL MULTIMEDIA PARA EL ESTUDIO CINEMÁTICO Y DINÁMICO DE LOS MECANISMOS.

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1 MATERIAL MULTIMEDIA PARA EL ESTUDIO CINEMÁTICO Y DINÁMICO DE LOS MECANISMOS. Amelia Nápoles; Xavier Riudor; Xavier Salueña Escuela Universitaria de Ingenieros Industriales de Barcelona amelia.napoles@upc.es RESUMEN La profundización en la formación técnica y profesional ejerce un papel importante en el desarrollo de un país, por lo que la mejora de la calidad de la docencia tiene, cada vez más, mayor interés. Por ello, por una parte, se plantea fomentar en el alumnado las capacidades de investigación y aplicación de los conocimientos, y por otra, se aplican las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) en la enseñanza. Especialmente en las carreras técnicas, para lograr una transmisión óptima de los conocimientos, en muchas asignaturas se requieren potentes recursos de laboratorio, que en ocasiones son limitados. A esto se le suma que el tiempo real de que se dispone para impartir un volumen de contenido, conlleva a que el ritmo de aprendizaje sea bastante acelerado. Tal como sentencia el adagio popular "una imagen dice más que mil palabras", para obtener la mayor comprensión de una asignatura, resulta muy oportuno la aplicación de las TIC. En particular el avance alcanzado por las herramientas multimedia, facilita el aprendizaje y resulta un complemento didáctico valioso dentro y fuera del aula. Es por ello, que el trabajo presentado aquí, se ha ideado para dar soporte a la asignatura de Mecánica y Teoría de Mecanismos II, que tiene como objetivo el análisis cinemático y dinámico de las máquinas. Para llevar a cabo el estudio, de dicha materia se requiere, en primer lugar, la representación previa de los mecanismos y la intuición algo abstracta de sus movimientos, la cual en muchos casos tiene cierto grado de complejidad. Posteriormente se realizan los cálculos pertinentes, aplicando los métodos gráfico y analítico, y utilizando la forma tradicional de aprendizaje, que es haciendo uso del libro de texto y por tanto de las representaciones fijas. Parte de esta problemática podría resolverse empleando un software de simulación, pero suelen ser costosos y muy sofisticados. Lo idóneo sería disponer de un material que combine los contenidos básicos de la asignatura, con la animación adecuada explicativa y con la representación simbólica de los cálculos y resultados cinemáticos y dinámicos, así como también, de la posibilidad de que el alumno realice auto-evaluaciones y acceda a las instrucciones necesarias para la realización de tareas de carácter no presencial. Para el desarrollo de este proyecto multimedia, previamente se realizó la ordenación y catalogación de los contenidos. Según las características de los apartados de la asignatura, ha sido necesario el uso de diferentes aplicaciones

2 informáticas, como son las herramientas ofimáticas, para la edición del texto y para el retoque fotográfico de algunas imágenes. También se han elaborado videos que simulan los movimientos de los mecanismos, mediante el capturador Snaglt. Para la creación de dibujos se han empleado herramientas gráficas vectoriales, y de modelado de sólidos y de animación 3D, tales como el Autocad y el Solidworks. En cuanto a herramienta gráfica de animación se ha utilizado el Flash y para la edición del documento que integra estas aplicaciones el Dreamweaver. Este trabajo aún está en fase de elaboración. Una vez terminado, el material multimedia será una herramienta didáctica que permitirá un mejor aprovechamiento de los conceptos y así mismo el vinculo más directo, rápido y eficaz de acceso a la documentación y orientación de los trabajos a realizar. INTRODUCCIÓN Este trabajo, además de destacar el papel de las TIC en la docencia, tiene como objetivo el exponer los métodos informáticos que se pueden utilizar para la creación de un material multimedia que más tarde dará soporte a la impartición de les clases de la asignatura Mecánica y Teoría de Mecanismos 2 (MTM 2). Esta asignatura es troncal y se imparte en el tercer cuatrimestre de la titulación de Ingeniería Técnica Industrial en la especialidad de mecánica de la E.U.E.T.I.B. La utilización de las TIC permite mejorar la calidad de la docencia ya que existen diferentes herramientas que nos serán de una gran ayuda para comprender los conceptos mecánicos de una manera más rápida, intuitiva y global. Esta asignatura, que se imparte en la mayoría de las ingenierías técnicas y superiores de Cataluña (aunque en algún caso con nombres diferentes), pretende que el alumno desarrolle las capacidades necesarias para realizar las siguientes tareas: 1. Analizar el movimiento de las piezas que componen a un mecanismo. 2. Calcular las velocidades y aceleraciones en diferentes puntos. 3. Predecir y calcular las posiciones futuras, para diseñar correctamente los elementos de un proyecto. 4. Analizar los diferentes elementos que configuran la transmisión de fuerzas. 5. Elegir las características de la entrada de movimiento al mecanismo para que sea capaz de vencer el trabajo resistente. 6. Determinar el movimiento de salida de un mecanismo, dadas las condiciones del propio proyecto. VENTAJAS DE LAS TIC RESPECTO AL MÉTODO TRADICIONAL Con el método tradicional de aprendizaje, se consigue realizar, gráfica o analíticamente, el análisis de una posición concreta del mecanismo, pero resulta extraordinariamente complejo y laborioso el análisis de diferentes posiciones del mismo.

3 Fig.1- Las cotas dimensionales afectan a las trayectorias y a las posiciones límite. En contraposición, las técnicas de simulación resultan de gran ayuda al analizar los valores de una variable (velocidad, aceleración, fuerza) a lo largo de un ciclo completo, por lo que su utilización es esencial a la hora de resolver los problemas que surgen en la resolución de proyectos reales. Fig.2 Ejemplos de proyectos reales a desarrollar u optimizar. Tareas que se pueden realizar mediante un software de simulación: 1. Análisis cinemático de un mecanismo en cualquiera de las diferentes posiciones que éste alcanza. 2. Visualización de las trayectorias de los diferentes elementos de un mecanismo. 3. Detección de posible interferencia o desligadura entre los elementos del mecanismo. 4. Determinación de la posición más desfavorable del mecanismo, para tomarla como criterio condicionante en el diseño.

4 Para la impartición de la asignatura MTM 2, en ocasiones se ha utilizado el programa Winmecc4.0, desarrollado por el Departamento de Mecánica de la Universidad de Málaga. Este programa es una herramienta de fácil instalación y aprendizaje, que permite realizar simulaciones avanzadas, tales como el análisis de trayectorias de diversos puntos, cálculo de los valores máximos y mínimos de velocidad y aceleración, cálculo de fuerzas en los apoyos (reacciones), entre otras. Fig.3 Visualización en tiempo real de las velocidades y aceleraciones. No obstante, una herramienta puramente de simulación numérica es idónea para el alumno, una vez que este haya asimilado los conocimientos teóricos, por lo tanto el uso de esta, correspondería a una última fase de ejercitación o profundización de la materia y no para una primera etapa de aprendizaje. Es por ello que, en la etapa inicial de adquisición de conocimientos, para lograr que el alumno tenga una buena y rápida comprensión es conveniente la utilización de un material multimedia que contenga los contenidos teóricos de la asignatura vinculados a ejemplos animados de mecanismos. Con la aplicación de las TIC se consigue representar los conceptos teóricos a través de notas explicativas, y además realizar la animación del mecanismo y la representación simbólica de los cálculos y resultados cinemáticos y dinámicos. Para ello es necesaria la utilización de herramientas de edición de texto y de diseño gráfico, de programas que permiten generar videos, y de otros que desarrollan la edición de material html. En este trabajo, como herramientas gráficas vectoriales, y de modelado de sólidos y de animación 3D, han sido utilizados el Autocad y el Solidworks para la creación de dibujos y animación de movimiento. Un ejemplo de mecanismo estudiado en esta asignatura es la máquina de coser, ya que está formada por un conjunto de mecanismos de fácil accesibilidad y además resulta un componente muy didáctico por los diferentes movimientos que en ella se combinan. A continuación se muestra el diseño de la máquina de coser Singer, realizado en Solidworks, este programa a su vez permite visualizar los movimientos del mecanismo.

5 Fig.4- Diseño y animación de la máquina de coser utilizando Solidworks. Otra herramienta muy interesante de bajo coste y de resultados aceptables, es el programa Snaglt, que permite capturar imágenes en movimiento, generadas por otro programa, por ejemplo el Winmec. El Snaglt crea ficheros de extensión avi, los cuales permiten visualizar el movimiento continuado del mecanismo mediante una sucesión rápida de imágenes estáticas. Como herramienta gráfica de animación para la edición de los contenidos se ha utilizado el Flash. En la figura 5 se muestran las imágenes de una aplicación, en la que se explican tres conceptos básicos relacionados con el movimiento y las velocidades de cualquier punto de un mecanismo. Fig.5 Interface del programa Flash utilizado para la edición de las diferentes explicaciones que van apareciendo de forma secuencial.

6 A continuación se muestra una sucesión de imágenes para dar una idea de las diferentes pantallas que van apareciendo en la ejecución del fichero multimedia. Fig.6 Explicación animada de conceptos teóricos creada con el programa Flash. Actualmente este apartado se encuentra en fase de desarrollo. En un futuro próximo, se pretenden desarrollar aplicaciones tales como: a) Cálculo del nombre de grados de libertad de un determinado mecanismo. b) Visualización con ejemplos prácticos de la ley de Grashof. Casos de piezas que se mueven como una manivela y casos que se mueven como un balancín. c) Visualización de velocidades en un movimiento de rotación pura, en uno de traslación pura y en uno compuesto de los dos. Ejemplos prácticos del teorema de los 3 centros. Los ejemplos realizados utilizando las TIC irán dirigidos especialmente a desarrollar el método gráfico (más intuitivo), corroborando el método analítico.

7 d) Visualización en tiempo real de los vectores de aceleración. Evaluación de la diferente intensidad de la evolución de las fuerzas de inercia de las piezas del mecanismo. e) Visualización de las reacciones en los apoyos, a lo largo del movimiento de la cadena cinemática. f) Imágenes dinámicas que muestran la evolución de una determinada fuerza en función de la posición que ocupa la pieza motora. Método gráfico para el cálculo de las reacciones en los apoyos. g) Realización de vídeos de mecanismos reales. Se utilizaran maquetas o se desmontaran productos existentes en cuyo interior aparezcan aplicaciones de las diferentes enlaces mecánicos. INTEGRACIÓN DE LAS HERRAMIENTAS INFORMÁTICAS UTILIZADAS Las aplicaciones desarrolladas en Winmec, Snaglt y Flash son integradas mediante el Dreamweaver, que es el software que posibilita la creación final del material multimedia propiamente dicho, y cuya página de inicio se presenta a continuación. Fig.7 Página de inicio del material multimedia El material multimedia, que se publicará en un CD-ROM, estará compuesto por diferentes apartados: a) Repaso breve de conceptos teóricos necesarios para entender todo el funcionamiento cinemático y dinámico de las animaciones realizadas. Problemas resueltos utilizando herramientas de simulación. b) Prácticas propuestas para el mejor seguimiento de la asignatura. Consolidación de los conceptos aprendidos. c) Problemas propuestos que ayudaran a la auto-evaluación de los conocimientos mecánicos adquiridos. d) Bibliografía sobre los diferentes conceptos expuestos. Para acceder a cada uno de los apartados se selecciona el icono correspondiente. En TEORÍA están resumidos los tres bloques fundamentales,

8 que son Geometría del movimiento, Cinemática y Dinámica. En cuanto a PROBLEMAS, se presenta una colección de ejercicios propuestos y otros resueltos, y en PRÁCTICAS se dan las pautas fundamentales para realizarlas. La BIBLIOGRAFÍA da las referencias necesarias para consultar otros autores y profundizar en el tema. Fig.8 Página del menú principal. CONCLUSIONES Finalizado el material multimedia, este será una herramienta didáctica, que permitirá un aprendizaje más efectivo, ameno e intuitivo, que los métodos tradicionales hasta ahora utilizados. Por otra proporcionará las condiciones para que el alumno adquiera las capacidades de análisis de los mecanismos de una forma acelerada y por tanto posibilitará la dedicación del mismo a la actividad no presencial. REFERENCIAS Fundamentos de teoría de máquinas. Simón, Bataller,... Winmecc Departamento de Ingeniería Mecánica. Laboratorio de Aplicaciones Multimedia. UPC. Cursos de Formación del Profesorado. ICE, UPC.