Herrera Ruiz Miguel Angel - tesis.ipn.mx

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

UUNNIIDDAADD PPRROOFFEESSIIOONNAALL IINNTTEERRDDIISSCCIIPPLLIINNAARRIIAA EENN IINNGGEENNIIEERRÍÍAA YY TTEECCNNOOLLOOGGÍÍAASS AAVVAANNZZAADDAASS

U P I I T A

“SILLA DE RUEDAS ANFIBIA PARA HIDROTERAPIA”

M é x i c o D. F. Junio d e l 2 0 0 6

Profesor Titular

Ing. Maribel Gutiérrez Espinoza

Trabajo Terminal

Presidente del Jurado

Ing. Enrique Arturo García Tovar

D. en C. Lilia Martínez Pérez

Que para obtener el Titulo de

“Ingeniero en Biónica”

Presenta

Herrera Ruiz Miguel Angel

Asesores

Lic. José de Jesús Garnica Verdiguel

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

UUNNIIDDAADD PPRROOFFEESSIIOONNAALL IINNTTEERRDDIISSCCIIPPLLIINNAARRIIAA EENN IINNGGEENNIIEERRÍÍAA YY TTEECCNNOOLLOOGGÍÍAASS AAVVAANNZZAADDAASS

U P I I T A

“SILLA DE RUEDAS ANFIBIA PARA HIDROTERAPIA”

Trabajo Terminal

Que para obtener el Titulo de

“Ingeniero en Biónica”

Presenta

Herrera Ruiz Miguel Angel

Asesores

M é x i c o D. F. Junio d e l 2 0 0 6

Ing. Maribel Gutiérrez Espinoza

Lic. José de Jesús Garnica Verdiguel

I

Índice de figuras IVResumen VI Pag Capitulo 1 Objetivos 2 Capitulo 2 Introducción 3 Capitulo 3 Antecedentes 3.1 Silla landez 4 3.2 Amphi buggy 4 3.3 Marina anfi 5 3.4 Bote Wheelmaster 5 Capitulo 4 Marco Teórico 4.1 Discapacidad en México 6 4.1.1 Tipos de discapacidad 7 4.1.2 Causas de discapacidad 8 4.2 Hidroterapia 11 4.2.1 Enfermedades tratadas con hidroterapia 11 A) Reumáticas 12 B) Neurológicas 13 C) Ortopédicas 15 4.2.2 Efectos fisiológicos y terapéuticos 16 4.2.3 Área para hidroterapia 17 4.2.4 Piscinas para hidroterapia 18 A) Elevadas 18 B) Hundidas 19 4.2.5 Formas de acceso a la piscina 20 A) Muletas 20 B) Grúa 20 C) Elevadores 21 4.3 Estudio de materiales 22 4.3.1 Introducción 22 4.3.2 Tipos de plásticos y su clasificación 23 4.3.2.1 Termoplasticos 23 A) Poliolefinas 23 B) Polietilenos 24 C) Polipropilenos 24 D) Plásticos estirenicos 25 E) Plásticos vinílicos 25 F) Acrilicos 25 G) Polimeros a base de acrilonitrilo 25 H) Celulósicos 26 4.3.2.2 Termoplásticos de ingeniería 26 4.3.2.3 Termofijos 26

CONTENIDO

II

4.3.3 Propiedades de los plásticos que se utilizan en el diseño 27 A) Densidad 27 B) Absorción y transmisión del agua 27 C) Térmicas 27 D) Mecánicas 27 1) Propiedades a corto plazo 28 2) Propiedades a largo plazo 28 4.3.4 Procesos para fabricación con plástico 31 A) Extrusión 31 B) Moldeo por inyección 31 C) Moldeo por soplado 32 D) Proceso de conformado 32 E) Otros procesos 32 1) Moldeo por inyección con reacción 32 2) Moldeo por inyección de líquidos 33 3) Moldeo rotatorio 33 4) Moldeo por vaciado 33 5) Calendrado 33 6) Acuñación 33 7) Núcleo fusible 33 8) Moldeo por compresión 33 4.4 Diseño 34 4.4.1 Antropometría 34 4.4.1.1 Postura neutra 34 4.4.1.2 Distribución antropométrica 35 4.4.1.3 Medidas antropométricas 36 4.4.1.4 Variaciones antropométricas 36 4.4.1.5 Factores individuales 37 4.4.2 Principios de diseño 37 4.4.2.1 Diseño para el promedio 37 4.4.2.2 Diseño para el extremo 37 4.4.2.3 Diseño para el rango 37 4.4.2.4 Antropometría como principio de diseño 38 4.4.3 Biomecánica 38 4.4.3.1 Medidas claves a considerar durante el diseño 38 4.4.3.2 Rangos de movimiento 41 4.4.4 Ergonomía 44 4.5 Flotación 45 4.5.1 Principio de flotación 45 4.5.2 Principio de Arquímedes 48 4.5.3 Porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido 49 4.5.4 Energía potencial en un cuerpo en el seno de un fluido 50 4.5.5 Energía potencial en un cuerpo parcialmente sumergido 51 4.6 Mecanismos de movimiento 55 4.6.1 Cadena y rueda dentada 55 4.6.1.1 Clasificación 55

III

4.6.1.2 Montaje y utilización 56 4.6.1.3 Relación de velocidades 56 4.6.2 Engranes 57 4.6.2.1 Clasificación 57 A) Engranes cilíndricos o rectos 58 B) Engranes cónicos 59 C) Tornillo sinfín y rueda helicoidal 60 4.7 Material seleccionado 61 4.7.1 Aspectos más importantes 61 4.7.2 Punto de vista mecánico (Nylamid) 62 4.7.3 Ventadas del Nylamid 63 4.7.4 Aplicaciones del Nylamid 63 Capitulo 5 Desarrollo 5.1 Diseño de la silla 64 5.1.1 Diseño de la estructura 64 5.2 Sistema de flotación 67 5.2.1 Flotando en la superficie 67 5.3 Mecanismo de movimiento 69 5.3.1 Mecanismo propuesto 69 5.4 Construcción de la silla 70 5.4.1 Ensamble de la estructura 70 5.4.1.1 Soldadura MIG 72 5.4.2 Llantas, asiento y respaldo 73 5.4.3 Construcción de los flotadores 75 5.4.4 Mecanismo de movimiento 75 5.4.5 Movimiento dentro del agua 76 5.4.6 Resultado final 77 5.4.6.1 Pruebas 78 A) Flotabilidad 78 B) Estabilidad 78 C) Desplazamiento dentro del agua 79 5.4.7 Evaluación de costos. 80 5.5 Conclusiones 81 Posibles Mejoras 82 Bibliografía 83 Anexos 84

IV

Fig. Nombre Pag.

1 Silla Landeez 42 Silla Amphi Buggy 43 Silla Marina Anfi 54 Bote Wheelmaster 55 Distribución porcentual de población según grupos de edad y sexo 66 Distribución porcentual de la población según tipo de discapacidad 77 Causas de discapacidad en México. 88 Discapacidad por edad en México 99 Distribución porcentual de usuarios de servicios de salud según institución 9

10 Corte de una piscina elevada 1811 Piscina hundida 1912 Muletas 2013 Grúa 2014 Elevadores 2115 Las tres etapas de la termofluencia 2816 Relajación de esfuerzos 2917 Comportamiento ante la fatiga 3018 Postura y esfuerzo 3519 Campana de Gauss 3520 Estatura 3821 Alcance sobre la cabeza 3922 Altura del ojo 3923 Altura codo-silla 4024 Alcance anterior 4025 Altura poplitea 4026 Ancho de cadera 4027 Campo motor en el plano vertical 4128 Campo motor en el plano horizontal 4229 Dimensiones del campo motor horizontal 4330 Principio de Arquímedes 4831 Fuerza de empuje 4932 Energía potencial 5033 Actuación de fuerzas de empuje 5234 Graficas de representación del empuje 5435 Mecanismo cadena - rueda dentada 5536 Relación de velocidades 5637 Engranes rectos 5838 Engranes cónicos 5939 Tornillo sin fin y rueda helicoidal 6040 Presentaciones nylamid 6341 Aplicaciones nylamid 6342 Estructura de la silla 6643 Silla de ruedas anfibia virtual 6644 Flotación 6745 Sistema de flotación de la silla 6846 Mecanismo de movimiento 6947 Tubo de acero laminado 7048 Dobladora de tubo 7049 Estructura primaria 7150 Partes complementarias 7151 Estructura final 73

INDICE DE FIGURAS

V

52 Llanta de 26” 7353 Llanta de 20” 7354 Horquilla 7455 Rueda de dirección 7456 Tela de nylon 7457 Ensamble de las ruedas 7458 Poliestireno 7559 Flotador delantero 7560 Flotadores traseros 7561 Catarina de 18 dientes 7662 Catarina de 44 dientes 7663 Aspas 7664 Silla de ruedas anfibia para hidroterapia 7765 Silla flotando 7866 Prueba de estabilidad 7867 Desplazamiento dentro del agua 79

VI

Silla de ruedas anfibia para hidroterapia.

Palabras clave: Anfibio, flotabilidad, polímeros, antropometría, ergonomía, biomecánica, guiado diferencial (sistema de dirección), nylamid, rehabilitación, hidroterapia, estabilidad. Resumen

Dentro de las formas más utilizadas para la introducción de pacientes con problemas en miembros inferiores que realizan rehabilitación con hidroterapia, encontramos las muletas, andaderas, camillas y grúas. Estos métodos son complicados ya que en su mayoría representan riesgo además de dolor para el paciente. Por todo ello este proyecto se propone como una alternativa para acceder al tanque de hidroterapia, brindando seguridad y comodidad al paciente.

En la primera parte del proyecto se realizo, el diseño de la silla, un estudio de materiales para determinar el material mas apropiado para su construcción tomando en cuenta que estará en contacto con el agua, el sistema de flotación para la silla con la finalidad de brindar seguridad dentro del tanque, además el mecanismo que le permitirá movimiento a la silla tanto dentro como fuera del agua. En la segunda parte del proyecto se realizo la construcción de la silla de ruedas anfibia, además de las pruebas correspondientes que validan el funcionamiento de la silla.

Al concluir ambas partes el resultado final fue una silla de ruedas anfibia para hidroterapia, la cual cuenta con flotabilidad y estabilidad, para brindar seguridad al paciente, la silla cuenta con un peso aproximado de 15 kg, soportando dentro del agua aproximadamente 150 kg.

Abstract

Within the most used forms for the introduction of patients with problems in inferior members to the hydrotherapy tank, we found crutches, sings, stretchers and cranes. These methods are complicated, since they represent risk, in addition to pain for the patient. That’s why this project represents an alternative to accede to the hydrotherapy tank, offering security and comfort to the patient.

RESUMEN

VII

In the first part of the project, I made the design of the chair and an study of materials to determine the most appropriate material for its construction, which was made taking into account that will be in contact with water, the floating system for the chair with the purpose of offering security within the tank, in addition the mechanism that will allow movement as much inside as outside the water.

In the second part of the project, I made the construction of the amphibious wheelchair, in addition to the corresponding tests, that they validate the operation of the chair.

When concluding both parts, the final result was an amphibious wheelchair for hydrotherapy, which counts on buoyancy and stability, to offer security to the patient, the chair counts on a weight about 15kg, supporting within the water about 150kg.

IPN – UPIITA ING. BIONICA

2

1. Objetivos

Objetivo General:

Diseñar y construir una silla de ruedas anfibia que facilite al paciente el acceso al tanque de hidroterapia, de manera independiente y segura.

Objetivos particulares:

Diseñar y construir la estructura de la silla, aplicando ergonomía.

Realizar un estudio de materiales con el propósito de seleccionar el material para la construcción de la estructura.

Implementar un sistema mecánico por medio del cual la silla tenga

movimiento y el paciente pueda desplazarse con la silla tanto fuera como dentro del tanque (movimiento en el plano).

Lograr que el sistema tenga flotabilidad y estabilidad para que el usuario

lleve a cabo de manera segura su rehabilitación con hidroterapia.

Reducir costos, con la finalidad de que tengan acceso personas de bajos recursos.


3

2. Introducción

En el presente trabajo se muestra la investigación necesaria para diseñar y construir una silla de ruedas anfibia con el propósito de facilitar el acceso al tanque de hidroterapia. El objetivo es introducir a pacientes que presentes problemas de movilidad en sus miembros inferiores a consecuencia de enfermedades reumáticas, ortopédicas o neurológicas. La hidroterapia es de gran valor en el tratamiento de estas enfermedades, pues el calor del agua disminuirá, el dolor y espasmo muscular, mientras que la flotación permite la práctica de ejercicios sin peso, aliviando el esfuerzo al que se ven sometidas las articulaciones. El paciente puede moverse con mayor comodidad en la piscina que en tierra firme.

JUSTIFICACION

Las personas que tienen algún tipo de discapacidad en México son: 1 millón 795 mil, lo cual representa 1.8% de la población total. Del total de la población con discapacidad, 45% presenta limitación motriz; 26%, visual; 16%, mental; casi con el mismo porcentaje, auditiva; y 5%, de lenguaje. Además, existen otros tipos de discapacidad que representan menos de 1%. INEGI 2004.

Como podemos ver la discapacidad con mayor porcentaje es la motriz, dentro de las enfermedades que originan esta discapacidad puede ser del tipo ortopédico, reumático o neurológico, tomando esto en cuenta sabemos que la hidroterapia contribuye a la curación de este tipo de enfermedades, por lo cual se tiene la necesidad de presentar nuevos apoyos en lo que se refiere a este tipo de rehabilitación. Las muletas, las grúas son algunos métodos que se utilizan para acceder al tanque de hidroterapia, para muchos pacientes resultan complicados ya que la mayoría presentan problemas de movilidad además de dolor, por lo cual se tiene la necesidad de crear una alternativa que represente comodidad y seguridad para el paciente y pueda realizar su terapia con toda seguridad, y facilitar el trabajo al fisioterapeuta.


4

3. Antecedentes

En la actualidad y de manera comercial existen, tres tipos de sillas de ruedas anfibia, landeez, amphi buggy, marina anfi, las cuales son de origen español y de origen Africano el bote Wheelmaster . A continuación se describen brevemente: 3.1 Silla Landeez

El chasis de esta silla está hecho en acero inoxidable y aluminio, las ruedas delanteras permiten un giro de 360 grados, su asiento está hecho de nylon de alta resistencia, los antebrazos de la silla y la base para descansar los pies son reclinables. La silla soporta un peso máximo de 120 kilogramos. La altura del asiento al suelo es de 50 centímetros. Actualmente su precio es de 2200 euros1.

Figura 1. Silla Landeez

http://www.oasisllc.com/spanish/tiralo.htm 3.2 Silla Amphi Buggy

Su estructura está hecha de un marco de aluminio ligero y plegable, los antebrazos de la silla son de PVC, los materiales soportan la sal, la arena y el sol de una playa. El peso máximo que soporta la silla es de 150 kilogramos. El precio de esta silla es de 2500 euros2.

Figura 2. Silla Amphi Buggy http://www.oasisllc.com/spanish/tiralo.htm

1, 2 Sillas anfibias (www.oasisllc.com/spanish/tiralo.htm)


5

3.3 Silla Marina Anfi

Su estructura esta hecha de aluminio y acero inoxidable. Posee flotadores desmontables y la base para descansar los pies puede cambiar su inclinación para la comodidad del usuario. Para jalarlo está provisto de una barra mediante la cual puede dársele cualquier dirección. El peso máximo que soporta es de 100 kilogramos. Su precio es de 2000 euros3.

Figura 3. Silla Marina Anfi. http://www.oasisllc.com/spanish/tiralo.htm

3.4 Bote Wheelmaster

Éste bote puede ser armado desde la propia silla por el usuario y al ser armada en tierra, sus flotadores no estorban la movilidad de la silla. El usuario puede moverse independientemente, incluso dentro del agua mediante unos remos o un pequeño motor eléctrico colocado en la parte anterior de la silla. Los flotadores son goma y soportan de 120 a 130 kilogramos con la característica de que el usuario no toca el agua. Una asociación Surafricana ha aprobado el uso de este bote a 500 metros de una playa con equipo de seguridad4.

Figura 4. Bote Wheelmaster. http://www.oasisllc.com/spanish/tiralo.htm

3, 4 Sillas anfibias (www.oasisllc.com/spanish/tiralo.htm)


6

4. Marco Teórico 4.1 Discapacidad en México

Según el XII Censo General de Población y Vivienda 2000, una persona

con discapacidad "Es aquella que presenta una limitación física o mental de manera permanente o por más de seis meses que le impide desarrollar sus actividades en forma que se considera normal para un ser humano".

En

ico... Méx

Según el Censo, las personas que tienen algún tipo de discapacidad son 1 millón 795 mil, lo cual representa 1.8% de la población total.

Por edad y sexo

En la siguiente gráfica podrás observar que en los grupos de edad de 10 a

14 y de 60 a 79 años se incrementa el porcentaje de personas con discapacidad. Por el contrario, los puntos más bajos se presentan en los grupos de edad de 0 a 4, de 15 a 39, así como en el de 80 años y más.

Figura 5. Distribución porcentual de población según grupos de edad y sexo FUENTE: INEGI. Las personas con discapacidad en México: una visión censal. Aguascalientes, México, INEGI, 2004.


7

4.1.1 Tipos de discapacidad

Los más conocidos son: Motriz. Se refieren a la pérdida o limitación de una persona para moverse, caminar, mantener algunas posturas de todo el cuerpo o de una parte del mismo. Visual. Incluye la pérdida total de la vista, así como la dificultad para ver con uno o ambos ojos. Mental. Abarca las limitaciones para el aprendizaje de nuevas habilidades, alteración de la conciencia y capacidad de las personas para conducirse o comportarse en las actividades de la vida diaria, así como en su relación con otras personas. Auditiva. Corresponde a la pérdida o limitación de la capacidad para escuchar. De lenguaje. Limitaciones y problemas para hablar o transmitir un significado entendible.

Del total de la población con discapacidad, 45% presenta limitación motriz; 26%, visual; 16%, mental; casi con el mismo porcentaje, auditiva; y 5%, de lenguaje. Además, existen otros tipos de discapacidad que representan menos de 1%.

Figura 6. Distribución porcentual de la población según tipo de discapacidad, 2000 Nota: La suma de los porcentajes puede superar 100% porque algunas personas presentan más de una discapacidad.

FUENTE: INEGI. Las personas con discapacidad en México: una visión censal.

Aguascalientes, México, INEGI, 2004.


8

Una persona puede tener más de una discapacidad, por ejemplo: los

sordomudos tienen una limitación auditiva y otra de lenguaje o quienes sufren de parálisis cerebral presentan problemas motores y de lenguaje.

4.1.2 Causas de discapacidad

Los motivos que producen discapacidad en las personas pueden ser variados, pero el INEGI los clasifica en cuatro grupos de causas principales: nacimiento, enfermedad, accidente y edad avanzada. De cada 100 personas discapacitadas:

o 32 la tiene porque sufrieron alguna enfermedad. o 23 están afectados por edad avanzada. o 19 la adquirieron por herencia, durante el embarazo o al momento de

nacer. o 18 quedaron con lesión a consecuencia de algún accidente.

El resto corresponde a las personas que no especificaron el motivo de si

discapacidad (6.7%) y a las que tienen una causa de discapacidad diferente a las mencionadas fue ocasionada por otras causas (1.9%).

Figura 7. Causas de discapacidad en México. FUENTE: INEGI. Una visión censal. Aguascalientes, México, INEGI, 2004 Salud, Educación y Trabajo en las personas con discapacidad


9

De cada 100 personas discapacitadas 95 son usuarios de los servicios de

salud públicos o privados y 44 de ellos son adultos mayores.

Figura 8. Discapacidad por edad en México. FUENTE: INEGI. Una visión censal. Aguascalientes, México, INEGI, 2004.

La institución qué más personas discapacitadas atiende es el Instituto Mexicano del Seguro Social (IMSS), donde reciben servicios de salud 33 de cada 100.

Figura 9. Distribución porcentual de usuarios de servicios de salud según institución. Fuente: INEGI. Una visión censal. Aguascalientes, México, INEGI, 2004.


10

Educación

A nivel nacional e internacional, existen organizaciones que trabajan en

favor de que las personas con discapacidad tengan igualdad de oportunidades; por ello, se han obtenido grandes avances, como el acceso a la educación, que hace algunos años no era posible.

De acuerdo con los resultados del XII Censo General de Población y Vivienda 2000, mientras 91% del total de la población entre 6 y 14 años asiste a la escuela, entre las personas con discapacidad el número baja de forma considerable hasta 63%.

De los jóvenes con discapacidad que tienen entre 15 y 29 años, sólo 15.5% asiste a la escuela. Casi 10 % de la población total del país que tiene 15 años y más no sabe leer y escribir; en la población con discapacidad este dato representa 32.9%.

De cada 100 personas de 15 años y más con discapacidad:

o 36 no cursan ningún grado escolar. o 46 tienen educación básica (primaria y secundaria) incompleta. o 7 tienen educación básica completa. o 5 han cursado algún grado de educación media superior. o 4 cuentan con educación superior.

Trabajo

Así como se han conseguido avances importantes para la población con

discapacidad en áreas como la educación y la salud, también se han impulsado cambios legales que prohíben la discriminación o distinción hacia cualquier persona que trabaje o desee realizar algún empleo en razón de su discapacidad. Por sectores, el que concentra a la mayor proporción de personas ocupadas con discapacidad son los servicios y el comercio (48.5%), seguido por la industria (24.5%) y la explotación forestal, agricultura, ganadería, pesca, extracción de minerales, etcétera (23.8%). De cada 100 personas con discapacidad:

o 27 dedican menos de 34 horas a la semana a su empleo o 39 trabajan entre 35 y 48 horas o 30 laboran más de 48 horas.


11

4.2 Hidroterapia

El agua representa para el ser vivo en general uno de los elementos esenciales para su supervivencia. Al hombre, entre otras utilidades, ese líquido también le reporta beneficios inestimables cuando es usado en terapias de diversos tipos. Según M. H. Duffield5 menciona que existen documentos que demuestran el conocimiento y la utilización de la hidroterapia ya por los antiguos pueblos chinos, pero su utilización propiamente dicha solamente se difundió a partir del siglo XIX, cuando el pastor protestante Sebastián Kneipp (1821-1897 ) la sistematizo.

La hidroterapia es el proceso terapéutico que consiste en el tratamiento de

todo el cuerpo o de algunas de sus partes con agua a temperaturas variadas. Puede contribuir a la curación de las enfermedades ortopédicas, reumáticas o neurológicas, a través de la presión ejercida sobre el cuerpo, de los baños simples o con la adición de determinados productos, del efecto de propulsión de arriba hacia abajo y de acciones localizadas. Y ello porque actúan sobre el metabolismo, el sistema nervioso y la circulación sanguínea.

Aunque las técnicas hidroterapéuticas fueron utilizadas en la antigüedad -

Hipócrates (460 a 337 a.C.), por ejemplo, menciona algunas de ellas -, fueron abandonadas durante mucho tiempo y sólo volvieron a cobrar cierta importancia en el siglo XVIII, gracias a los trabajos de los doctores Sigmund Hahn (1664 1742) y su hijo Johann Sigmund Hahn (1696-1773). A partir de esos trabajos, Vinceriz Priessnitz (1799-1851) creó la terapia por el agua fría asociándola a aplicaciones sudoríficas y una dieta alimenticia grosera mixta. Pero quien realmente renovó la hidroterapia moderna fue el pastor protestante Sebastián Kneipp (1821 -1897), cuyo postulado básico era que las enfermedades aparecen en el hombre cuando su fuerza natural es minada por una alimentación inadecuada y un modo de vida antinatural. Sus métodos, conocidos aún hoy como la "cura de Kneipp", incluían no sólo baños completos y parciales de agua fría y caliente, sino también chorros de agua, ejercicios físicos, el uso de hierbas medicinales y una dieta saludable.

4.2.1 Enfermedades tratadas con hidroterapia Entre las enfermedades tratadas con hidroterapia se encuentran:

o Reumáticas. o Neurológicas. o Ortopédicas.

5 Ejercicios en el agua, España 1988


12

A) Enfermedades reumáticas

Las enfermedades reumáticas tienen la característica de causar dolor, paralización de los movimientos, debilidad muscular, deformidad y disminución de la capacidad funcional6. El dolor en las articulaciones afectadas en la proximidad de las mismas conduce a una tensión y a un espasmo en ciertos grupos musculares que actúan sobre ellas. En la piscina se mejora el dolor por el calor del agua que rodea a la articulación, ayudando a la relajación que, a su vez, consigue una mejoría del dolor. La flotación en el agua ejerce un apoyo de la parte y disminuye el esfuerzo de las articulaciones. La limitación del movimiento y rigidez en las articulaciones se ven disminuidas debido en parte a la mejoría del dolor y en parte al apoyo de la flotación durante el movimiento. La debilidad muscular en los grupos que rodean la parte, puede mejorarse por ejercicios graduados. Al principio la flotación se utiliza para ayudar al músculo, y gradualmente, el efecto de la flotación se ve disminuido hasta que el ejercicio puede llevarse a cabo sin la flotación como resistencia. La deformidad es una característica de ciertas enfermedades de este grupo. Nuevamente, el calor del agua ayuda al músculo a relajarse y, como consecuencia, se consigue una corrección de la deformidad. Los músculos afectados no deben enfrentarse con el problema de la gravedad. La disminución de la capacidad funcional se contrarresta a medida que los ejercicios ayudan a mejorar la función muscular, elevando la confianza del paciente, en su propia capacidad, para llevar a cabo movimientos similares en tierra firme. Entre las enfermedades reumáticas tratadas con hidroterapia se encuentran:

o Artritis reumatoide. o Osteoartritis. o Espondilitis anquilosante.

La hidroterapia es de gran valor en el tratamiento de muchas de estas

enfermedades, pues el calor del agua disminuirá el dolor y el espasmo muscular, mientras que la flotación permite la practica del ejercicio sin peso, aliviando el esfuerzo al que se ven sometidas las articulaciones. El paciente puede moverse con mayor comodidad en la piscina que en tierra firme.



13

B) Enfermedades neurológicas

Las enfermedades neurológicas se caracterizan por la presencia de parálisis o debilidad de las extremidades de los pacientes, alteración del tono muscular, formación de contracturas y pérdida del movimiento articular, pérdida de coordinación, alteración circulatoria y dolor7. Debilidad o parálisis. Un paciente está paralizado si es incapaz de llevar a cabo movimientos voluntarios. Cuando está afectada la neurona motora superior, el paciente es incapaz de iniciar movimiento voluntario, aunque los músculos sean capaces de contraerse. Este estado se conoce como parálisis de movimientos. Si esta afectada la neurona motora inferior, el paciente es incapaz de realizar movimientos voluntarios por que esta lesionada la vía final común y está perdida la capacidad de contracción muscular; esto se conoce como parálisis de los músculos. La falta de uso conduce eventualmente a una atrofia muscular que impedirá la recuperación cuando la capacidad de movimientos voluntarios comienza a volver. Alteración del tono. El tono puede estar incrementado, disminuido o completamente ausente. El incremento del tono se debe a la falta de inhibición de la actividad de las células del asta anterior o a la irritación de la posición excitadora de la formación reticular. La primera tiene lugar en las lesiones de la neurona motora superior; por ejemplo, la elasticidad de la hemiplejía. Esto se caracteriza por una mayor resistencia a los movimientos pasivos, que es máxima al comienzo de los mismos. La espasticidad predomina en los flexores de la extremidad superior y en los extensores de la extremidad inferior. Formación de la contractura y pérdida del movimiento articular. Las contracturas y las deformidades dificultan la recuperación de la fuerza voluntaria. Se deben a la contractura de las estructuras articulares fibrosas o a un agotamiento adaptativo de los músculos a causa del desequilibrio muscular. Esto se ve en el típico brazo hemipléjico o en la contractura de los músculos de la pantorrilla que sigue a la parálisis de los músculos tibiales anteriores. Las articulaciones rígidas resultantes limitan los movimientos voluntarios. Pérdida de coordinación. La coordinación del movimiento depende de la correlación correcta de todas las vías del sistema nervioso y del trabajo armonioso resultante de los grupos musculares. Si alguna de las vías está lesionada, se presenta una incoordinación, lo que puede ocasionar un desequilibrio muscular, debilidad muscular o espasticidad. Existen otros dos tipos de incoordinación como son la ataxia sensorial y la cerebelosa. En la ataxia sensorial, el paciente



14

desconoce la posición de sus extremidades en el espacio, a menos que utilice su visión para saber donde están. En la ataxia cerebelosa, la influencia del control del cerebro se ha perdido, por lo que existe una incapacidad de llevar a cabo movimientos suaves con una finalidad.

Aun que la incoordinación asociada con la debilidad muscular y la espasticidad responde a la hidroterapia, los pacientes con ataxia sensorial o cerebelosa, en realidad se benefician poco. Mientras una persona normal considera difícil mantener su equilibrio en el agua – en parte debido a la flotación y en parte debido a la turbulencia creada por el movimiento – el paciente atóxico tiene mucha mayor dificultad, lo que se intensifica por el efecto de refracción que altera la visión de las extremidades a través del agua.

Alteración circulatoria. La pérdida del movimiento voluntario conduce a una ausencia de gobierno de los músculos y así se disminuye la circulación. Esto afecta a la nutrición de todas las estructuras e incluso de la piel y de los músculos afectados. Dolor. El dolor impide los movimientos voluntarios y se debe a varias razones. Las causas más corrientes son el estiramiento de las contracturas durante el tratamiento, la inflamación activa en las vainas nerviosas o en las meninges y la acumulación de metabolitos como consecuencia de la circulación alterada o del estiramiento de las contracturas durante el tratamiento. Las enfermedades neurológicas comunes que son tratadas con hidroterapia son:

o Hemiplejía. o Paraplejía. o Esclerosis múltiple. o Polineuritis. o Poliomielitis anterior. o Lesiones nerviosas periféricas. o Lesiones del plexo braquial.

Tanto el agua caliente como la acción de apoyo de la misma, ayudan a

disminuir el dolor, y el calor también mejora la circulación. A medida que se alivia el dolor, debe tener cuidado en no forzar las contracturas durante los movimientos pasivos, pues esto intensifica el dolor.


15

C) Enfermedades ortopédicas

Las enfermedades ortopédicas adecuadas para la terapéutica en la piscina pueden caracterizarse por dolor, contusión, espasmo muscular, inflamación, limitación de los movimientos articulares, debilidad muscular, incoordinación y mal equilibrio y marcha anormal8.

Dolor y espasmo muscular. La parte que es dolorosa o está sometida a espasmo muscular está completamente sumergida en el agua, y por lo tanto recibe calor. Este efecto se mantiene a lo largo de todo tratamiento. Contusión e inflamación. El agua caliente favorece la circulación y, por lo tanto, contribuye a la dispersión de la contusión. La inflamación puede ser aguda o crónica y puede disminuirse por la mejora de la circulación y también por la presión del agua sobre las extremidades. Ésta es superior en el fondo de la piscina según la ley de Pascal. Limitación del movimiento de las articulaciones. El tratamiento en la piscina es benéfico para la rigidez de las grandes articulaciones, tales como la cadera, la rodilla, hombro y articulaciones de la columna vertebral. La amplitud de los movimientos se facilita en la posición de flotación apoyada. En los estadios precoces del tratamiento, los ejercicios se llevan a cabo con flotación que ayuda a mover la parte en la amplitud máxima posible dentro del límite del dolor. Debilidad muscular. El calor del agua incrementa la circulación en los músculos y mejora así su función. La reducción de los músculos débiles puede graduarse suavemente desde la flotación ayudada, a través de la flotación contraequilibrada hasta la flotación con ejercicios resistidos. Incoordinación y mal equilibrio. Debido al efecto de la disminución del peso por la flotación, un paciente puede estar de pie en la piscina sin apoyo, tal como bastones o muletas, antes de llevarlas en tierra firme. Esto significa que el equilibrio y la coordinación de los músculos de la extremidad inferior pueden entrenarse en un estado más precoz que en tierra firme. Marcha anormal. La reducción de la marcha puede comenzar precozmente en la piscina. La marcha con sujeción parcial de peso se lleva a cabo al principio en el agua profunda (el nivel del agua hasta la axila del paciente), y a medida que el paciente mejora, el nivel del agua se reduce gradualmente hasta caminar en las partes menos profundas de la piscina. Así existe una transición gradual desde el soporte parcial de peso hasta el soporte total. Los bastones con peso pueden utilizarse para enseñar al paciente el patrón correcto antes de utilizarlo en tierra firme. Si un paciente tiene un acortamiento en una extremidad inferior, llevará un zapato, fabricado con más peso, para utilizarlo en la piscina.



16

Entre este tipo de lesiones que pueden tratarse con hidroterapia, están:

o Fracturas y luxaciones. o Intervenciones quirúrgicas de la columna vertebral. o Lesiones de los tejidos blandos.

La flotación en el agua permite una suave graduación de la progresión en el fortalecimiento de los músculos en las grandes articulaciones y ofrece una disminución del peso en la reducción de la marcha. Debido al calor del agua se mejora el dolor del trauma o el que existe después de una intervención quirúrgica.

La terapia en la piscina debe seguirse siempre junto con ejercicios suplementarios en tierra firme.

4.2.2 Efectos fisiológicos y terapéuticos

Cuando los pacientes son sumergidos en el agua de la piscina, tienden a elevar su temperatura corporal debido a que, en primer lugar, el agua de la piscina se encuentra a una temperatura mayor que la corporal que normalmente se encuentra a 33.5 grados Celsius. El aumento de la temperatura varía de paciente a paciente y en promedio es de 37.5 grados Celsius. En segundo lugar, el cuerpo también absorbe calor debido a la contracción de los músculos durante el ejercicio. Durante los ejercicios en el agua, es común que los pacientes pierdan parte del calor absorbido bajo el agua por medio de la sangre en los vasos cutáneos y las glándulas sudoríparas de las áreas del cuerpo que no están sumergidas. Cuando la piel se calienta, aumenta el riego sanguíneo periférico debido a la dilatación de los vasos sanguíneos superficiales; por tanto, la sangre que viaja por estos vasos se calienta y por convección, se eleva la temperatura de las estructuras más cercanas como es el caso de los músculos, permitiendo que los vasos de éstos músculos se dilaten y de ésta manera se ve aumentado el riego sanguíneo de los músculos subyacentes.

Cuando los pacientes entran a la piscina, adquieren un aumento momentáneo de la presión pues los vasos cutáneos se contraen causando la elevación de la resistencia periférica. La presión descenderá cuando las arteriolas se dilaten al poco tiempo de haber entrado en la piscina. El metabolismo general se ve incrementado debido al aumento del metabolismo de la piel y de los músculos por el aumento de la temperatura. El metabolismo general incrementa la demanda de oxígeno y la producción de dióxido de carbono provocando la elevación de la frecuencia respiratoria. La sensibilidad de las terminaciones nerviosas sensoriales se disminuye por el calor suave del agua y a la vez disminuye el tono de los músculos por la sangre que pasa a través de ellos.


17

Cuando los pacientes salen de la piscina, las glándulas sudoríparas entran

en funcionamiento permitiendo que los pacientes pierdan el calor absorbido por medio también de la pérdida de calor de los capilares superficiales, volviendo la temperatura a la normalidad al igual que el metabolismo, la frecuencia cardiaca respiratoria, la distribución sanguínea y la presión.

Los efectos fisiológicos ocasionados por el ejercicio en el agua permiten que el riego sanguíneo de los músculos actuantes se incremente y por los cambios químicos debidos a las contracciones de los músculos se genera calor, elevando la temperatura muscular. La demanda de oxígeno y el aumento de dióxido de carbono por el ejercicio de los músculos permiten los mismos beneficios que los producidos por la temperatura del agua.

Existen además de los beneficios, ciertos efectos desfavorables. En primer lugar, la presión sanguínea del paciente se ve aumentada cuando entra en la piscina, por lo que el paciente debe entrar lentamente para disminuir los efectos. En segundo lugar, el paciente puede sentir escalofríos debido a la pérdida de calor. En tercer lugar, ni el paciente ni el fisioterapeuta deben comer una hora antes de la hidroterapia debido a que durante ella, los vasos esplácnicos se contraen. En cuarto lugar, el paciente puede sentirse fatigado al salir de la piscina debido a la anemia cerebral provocada por el descenso de la tensión sanguínea y la acumulación de metabolitos.

4.2.3 Área para Hidroterapia

El área de hidroterapia debe ser autosuficiente, debe contar con salas de cambio, descenso y habitaciones utilitarias, y un amplio espacio para ropas y equipos. El área debe estar construida con un mínimo de puertas, y éstas, al igual que los pasillos, deben ser lo suficientemente amplios para permitir un paso fácil de las sillas de ruedas. También deberá haber suficiente espacio para girar las camillas si es necesario y un lugar de aparcamiento temporal de las camillas y de las sillas de ruedas. Las dimensiones dependen de las exigencias de cada hospital y del tipo y cantidad de pacientes que se someten a tratamiento.

El área de la piscina debe estar bien iluminada, preferiblemente por luz natural y diseñada para ofrecer una sensación de amplitud. La misma piscina debe ser lo suficientemente amplia para permitir que el paciente progrese a lo largo de todo su programa de rehabilitación, desde el empleo de un apoyo total en una camilla hasta un apoyo parcial para nadar y llevar acabo otras actividades recreativas.

Una piscina de 2.5 x 3 metros puede servir para acoger a dos pacientes y un fisioterapeuta al mismo tiempo, pero su uso es limitado en comparación con


18

una piscina de 3.6 x 6 metros en la que pueden estar siete u ocho pacientes y tres fisioterapeutas. Así cuanto mayor sea la piscina, mas rendimiento puede obtenerse de ella.

Cuando la natación es parte integral de la rehabilitación del paciente, como ocurre en el tratamiento de las lesiones espinales, es necesaria un área mayor, es decir, 9 x 4.5 m.

La zona de la piscina se mantiene habitualmente a temperatura de 23.9 °C (75 °F) y las salas de cambio y de descanso a 18.3 °C (65 °F). Con la ventilación debe evitarse una condensación demasiado excesiva y a este propósito, tanto el techo como las paredes tendrán una superficie especial. La humedad se mantiene entre el 50 y el 60%. 4.2.4 Piscinas para hidroterapia

En la actualidad, las piscinas se construyen de cemento reforzado, una capa de asfalto reforzado y una segunda capa de cemento reforzado. Como materiales de recubrimiento se utilizan baldosas, mosaico, fibra de vidrio o plástico; si se emplean baldosas, no deben tener la superficie lisa con el fin de evitar deslizamientos. Las piscinas prefabricadas de fibra de vidrio se fabrican en la actualidad de tamaños estandarizados que pueden aumentarse añadiendo otra sección. Este tipo de piscinas pueden ser más baratas y más fácil de instalar en un futuro.

A) Elevadas

Las piscinas pueden ser hundidas o elevadas; las del primer tipo están construidas en huecos hechos en el suelo de manera que quede su borde superior a nivel del suelo, mientras que las del otro tipo están elevadas unos 70 cm en la pared (aproximadamente a la altura de la cintura). La elección de un tipo u otro depende de la preferencia individual o necesidades del hospital debido a que cada tipo tiene indicaciones especiales.

Figura 10. Corte de una piscina o tanque elevado. Ejercicios en el agua. Pág. 75


19

B) Hundidas

Las piscinas hundidas están rodeadas por un borde de unos 20.5

centímetros de alto y tienen unas escaleras por las que los pacientes pueden acceder (Figura11). Éstas pueden estar construidas en la misma piscina o realizadas posteriormente y adosadas a una pared.

En éste tipo de piscinas, el paciente menos escaleras que subir que en el caso de las piscinas elevadas, además de que en su mayoría cuentan con rampas de acceso. El empleo de una piscina hundida exige que el fisioterapeuta permanezca en la misma mientras dura el tratamiento del paciente.

Muchos terapeutas creen que este tipo de piscinas facilitan el tratamiento

ideal; la sujeción del paciente por el fisioterapeuta es más firme y éste ejerce control sobre todos sus movimientos.

Figura 11. Piscina Hundida Ejercicios en el agua. Pág. 81


20

4.2.5 Formas de acceso a la piscina

A) Muletas

Una de las formas mas sencillas de introducir a los pacientes al tanque de hidroterapia son las muletas, el inconveniente de este método es la poca seguridad que representa para los pacientes, las muletas suelen ser de aluminio.

Figura 12. Muletas

B) Grúa

Dentro de lo mas utilizado se encuentra una grúa con gancho

especialmente diseñada para llegar al paciente en una posición en la que este sentado y reclinado. El paciente se siente seguro en esta posición y la silla utilizada con esta grúa ocupa menos espacio que una camilla.

Figura 13. Grúa (Camilla y Silla)


21

C) Elevadores eléctrico y neumático

Los elevadores se precisan para acceder a pacientes impedidos y para introducirlos y sacarlos de la piscina (Figura 14). Éstos elevadores pueden ser movidos eléctricamente, neumáticamente o por la fuerza del agua; los tipos mecánicos, con frecuencia no se utilizan actualmente. El elevador debe ser diseñado de forma que pueda ser manejado por un operador situado de modo que pueda controlar al paciente mientras esta utilizándose el elevador.

Figura 14. Elevadores. http://www.acquavita.com.br


22

4.3 Estudio de materiales

4.3.1 Introducción Se realizó un estudio acerca de los diferentes tipos de materiales plásticos (polímeros) con la finalidad de poder seleccionar un material, con el cual se construirá la estructura de la silla, a continuación se dan a conocer los resultados de la investigación. Para alcanzar esta meta debemos conocer las características, las propiedades y los procedimientos de elaboración de los plásticos. Los materiales compuestos (composites) son un grupo enteramente distinto de materiales, pero los más comunes entre ellos son los plásticos reforzados. Los plásticos reforzados constituyen la aplicación más importante de los plásticos (polímeros) en las estructuras en ingeniería, y su rendimiento esta limitado por las propiedades de los plásticos. Por lo tanto, resulta apropiado estudiar los plásticos reforzados en el contexto de los plásticos, en la medida en que analizamos las características y propiedades de estos últimos, que son el material de la matriz y el “eslabón débil” de los plásticos reforzados. Por lo común, los términos plásticos, resinas y polímeros se toman como sinónimos. Sin embargo, hay algunas diferencias técnicas. Un polímero es un material puro, no adulterado, que habitualmente se considera como el producto macromolecular (de molécula grande) de cadena larga del proceso de polimerización9. Las cadenas parecen contener diversas combinaciones de carbono, hidrógeno, oxigeno, nitrógeno, cloro, flúor y azufre. Durante su manufactura son líquidos y, por tanto fácilmente moldeables a su estado de producto terminado sólido. Sin embargo, los polímeros puros, al igual que los metales puros, rara vez se utilizan como tales. Cuando se agregan aditivos a los polímeros, las “aleaciones” o “mezclas” se designan técnicamente como plásticos o resinas. Por consiguiente, usaremos los términos plástico o resina indistintamente. Vemos, por tanto, que los plásticos constituyen una clase muy grande y diversa de materiales, cuyo número es más de 15 000 y continua en aumento, y que presentan una amplia diversidad de propiedades y de características de elaboración. El tipo de unión que predomina en los materiales de esta clase es el covalente. Los materiales compuestos o composites se definen como la combinación microscópica de materiales metálicos, cerámicos o poliméricos que tienen una interfase identificable entre ellos. Los términos clave son microscópica* y superficie de contacto identificable o interfase**. * Por extensión, extremadamente pequeño. ** Zona de comunicación entre dos sistemas.

9 Ciencia de materiales selección y diseño, México 2001


23

Uno de los materiales recibe el nombre de matriz y el otro se conoce como el material de relleno o de refuerzo. El mas común de estos materiales, es el plástico reforzado, en el que la matriz es un plástico y el relleno puede ser un metal, una cerámica o un polímero en forma de partículas, fibras cortas o fibras largas continuas.

Las propiedades y la capacidad de tratamiento de los plásticos dependen de la estructura y de la composición química de los polímeros.

4.3.2 Tipos de plásticos y su clasificación

Los dos tipos fundamentales de plásticos que mencionaremos son los

Termoplásticos (TP) y los Termofijos (TF); los plásticos termoplásticos carecen de enlaces transversales y por ello pueden ser deformados por la temperatura, en cambio, los plásticos termofijos si poseen enlaces transversales en las cadenas macromoleculares y por ello no se deforman con la temperatura.

4.3.2.1 Termoplásticos

Los termoplásticos están compuestos de moléculas lineales largas y cada una de estas moléculas puede tener cadenas o grupos laterales. Cuando los termoplásticos son calentados, ocurre un deslizamiento de las cadenas individuales provocando un flujo plástico. Esta propiedad permite que se vuelvan a usar los desperdicios calentándolos de nuevo y moldearlos de nuevo. Los termoplásticos tienen mayor resistencia al impacto, mayor facilidad de tratamiento y adaptabilidad a diseños complejos.

A) Poliolefinas

Los polímeros que pertenecen a esta familia son los polietilenos, los polipropilenos, los polimetil-penteno, el polibutileno, el acetato de vinilo-etileno y los ionómeros.


24

A continuación se dan las características:

B) Polietilenos.

o Son plásticos de mayor volumen. o Existen flexibles y rígidos. o Algunos tienen poca resistencia al impacto y otros son irrompibles. o Algunos son transparentes y otros son opacos. o Son tenaces. o Absorben de la humedad casi nula. o Excelente resistencia química. o Excelentes propiedades aislantes. o Pequeño coeficiente de fricción. o Facilidad de elaboración. o Resistencia química con ácidos y bases a temperatura ambiente. o Excelente resistencia dieléctrica.

Aplicaciones: Revestimientos de alambres y cables, espumas y productos

moldeados por rotación.

C) Polipropilenos.

o Semitranslúcidos y de color blanco lechoso. o Excelente coloreabilidad. o Fáciles de conformar para elaborar diversos productos. o Calidades diversas. o Poseen baja densidad. o Costo moderado. o Resistencia mecánica y rigidez. o Propiedades térmicas y eléctricas. o Resistentes a la fatiga. o Resistencia al agua. o Resistente a soluciones salinas y ácidas. o Resistentes a disolventes orgánicos y álcalis. o No es resistente a la fluencia. o Poca tenacidad al impacto.

Aplicaciones: Fibras y Filamentos.


25

D) Plásticos estirénicos.

Esta familia de plásticos se caracteriza por su facilidad de tratamiento,

dureza y excelentes propiedades dieléctricas pero su resistencia al calor es limitada y son atacados por disolventes de hidrocarburos aromáticos. A continuación se nombran los polímeros que pertenecen a esta familia. Poliestireno. Copolímeros de estireno-acrilonitrilo. Copolímeros de estireno-butadieno. Copolímeros ABS acrilonitrilo-butadieno-estireno.

E) Plásticos vinílicos.

Éstos son los principales polímeros y copolímeros a base de meros de vinilo. Son polímeros que se pueden plastificar para obtener gran diversidad de productos, presentan excelente resistencia al agua y a los químicos, resistencia mecánica y resistencia a la abrasión, además de ser auto extinguibles. Los vinilos presentan propiedades superiores a los del caucho natural en cuanto a flexión, resistencia a los ácidos, a los alcoholes, a la luz solar, desgaste y envejecimiento. Algunos ejemplos son:

o Cloruro de polivinilo. (PVC) o Cloruro de polivinilo clorado. o Cloruro de polivinilideno.

F) Acrílicos.

Las características de los acrílicos es su excelente transparencia óptica y su

resistencia a la exposición prolongada a la luz solar y a la intemperie. Entre sus aplicaciones están los letreros al aire libre, vidriados, pabellones de avión, tragaluces, faros traseros, carátulas, botones, etc.

G) Polímeros a base de acrilonitrilo.

A estos polímeros se les conoce como plexiglás, estos se conocen como resinas barrera, utilizadas como material de embalaje para no transmitir el gas, el aroma o el sabor del contenido de un empaque.


26

H) Celulósicos.

Estos polímeros se elaboran a partir de un polímero de origen natural

obtenido de la pasta de madera y de fibras residuales de algodón. La celulosa se puede transformar en película o en fibra y se modifican químicamente para obtener termoplásticos.

4.3.2.2. Termoplásticos de ingeniería.

A continuación se enlistan los polímeros pertenecientes a este grupo y que son los que compiten con los metales:

o Acetales. o Fluoroplásticos. o Poliamidas. o Poliamida-imidas. o Poliarilatos. o Policarbonatos. o Poliésteres. o Polieterimida. o Poliimidas. o Policetonas. o Poli(éter fenilénico). o Polii(sulfuro de fenileno). o Sulfonas.

Elastómeros termoplásticos.

Estos polímeros se usan como amortiguadores, control de ruidos y vibraciones, cierre hermético, protección contra la corrosión, resistencia a la abrasión y a la fricción, aislamiento eléctrico y térmico, impermeabilización

4.3.2.3 Termofijos.

Los plásticos termofijos deben pasar por un cambio químico llamado curado, a fin de obtener estructuras con enlaces transversales, lo que permitirá obtener las propiedades que los identifican como son: la insolubilidad y la infusibilidad.


27

Estos plásticos no pueden ser usados de nuevo cuando quedan desechos y hay que desecharlos o procesarlos para que sean usados en otros productos como rellenos.

4.3.3 Propiedades de los plásticos que se utilizan en el diseño.

Para poder diseñar componentes y estructuras con plásticos es necesario comprender las propiedades de los plásticos y su comportamiento en condiciones de esfuerzo.

A) Densidad

Una propiedad principal de los polímeros es su baja densidad debido a la

pequeña masa de los átomos que los componen. Los plásticos reforzados con estas propiedades, son usados en la industria aeroespacial. La densidad de los polímeros depende de su cristalinidad y de su estructura.

B) Absorción y transmisión del agua.

La absorción de agua afecta las propiedades mecánicas y eléctricas, lo

mismo que las dimensiones de la pieza hecha de plástico por que tienden a hincharse. Los plásticos con muy poca absorción de agua tienen por lo general mejor estabilidad dimensional. La transmisión de agua es la velocidad con que el vapor de agua penetra en un plástico. Los plásticos pueden tener diferentes velocidades de transmisión de vapor de agua y de otros gases, por ejemplo, el polietileno constituye una buena barrera contra la humedad del vapor de agua pero otros gases lo penetran con facilidad. El Nylon, por otra parte es una barrera deficiente contra el vapor de agua pero una buena barrera contra otros vapores.

C) Térmicas.

La temperatura en estos materiales suele ser baja ya que a temperatura

elevada se funden y esto permite además su fácil moldeo. D) Mecánicas.

Estas propiedades se refieren a la respuesta de los materiales a la carga o

a la deformación. Los plásticos termofijos son siempre frágiles debido a su estructura de enlace transversal y no se deforman con la temperatura.


28

1) Propiedades a corto plazo.

El comportamiento y las propiedades mecánicas de los plásticos en el corto

plazo son resultado de la respuesta a cargas que, por lo regular, duran sólo pocos segundos o minutos, hasta un máximo de quince minutos. Estas respuestas a corto plazo han sido utilizadas para definir el diseño básico, o de referencia, y las propiedades en ingeniería de los materiales metálicos convencionales.

Estas propiedades incluyen la resistencia a la tención, a la compresión, a la flexión, al corte y los módulos asociados también se determinan en los plásticos para fines de control de calidad, a fin de garantizar la obtención de plásticos con propiedades constantes durante la producción.

2) Propiedades a largo plazo.

Si por una parte las propiedades mecánicas de corto plazo son importantes para el control de calidad, el comportamiento y las propiedades mecánicas de largo plazo se utilizan en el diseño cuando los plásticos se utilizan en estructuras sujetas a esfuerzos.

Esto obedece a su temperatura de transición vítrea relativamente baja, por consiguiente las tres propiedades a largo plazo pertinentes son10: termofluencia (Figura15), relajación de esfuerzos (Figura 16) y fatiga (Figura 17).

Figura 15. Las tres etapas de la termofluencia. "Ciencia de materiales Selección y Diseño”.



29

Figura 16. Relajación de esfuerzos con el tiempo en condiciones de deformación constante. “Ciencia de materiales Selección y Diseño”.


30

Figura 17. Comportamiento ante la fatiga a temperatura ambiente de algunos termoplásticos y termofijos. “Ciencia de materiales Selección y Diseño”


31

4.3.4 Procesos para fabricación con plástico.

Por lo general, los polímeros están disponibles en forma de gránulos, polvos, pelets y líquidos. Existen varios procesos de fabricación, pero las características que son comunes en todos ellos son:

o Mezclado, fusión y plastificado de las materias primas. o Transporte y conformado de la masa fundida. o Estirado y soplado. o Acabado.

A) Extrusión.

Es un método versátil, de operación continua y de costo relativamente bajo.

En éste método se aplican presiones pequeñas que varía entre 1.4 y 10.4 MPa, es decir 200 y 1500 lb/pulg2, pero puede alcanzar de 34.5 a 69 MPa, es decir 2000 a 30 000 lb/pulg2. En éste método, la mezcla de materiales pasa de una tolva al interior de un tornillo sinfín. El tornillo mezcla y comprime el material antes de que se derrita, y después homogeneiza la masa fundida. Después, el tornillo empuja la masa fundida hasta el extremo del cilindro y la obliga a pasar a través de una matriz que imparte la forma deseada al extruido sin solución de continuidad.

Al salir del extrusor, se estira el producto mediante un dispositivo de tracción etapa en la cual puede someterse a un enfriamiento con agua o aire impulsado. El estirado alinea u orienta las moléculas de la masa fundida en la dirección longitudinal del producto e induce una resistencia mecánica longitudinal mayor que la resistencia transversal. Los termoplásticos son los únicos materiales que se procesan mediante extractores. Los productos que se obtienen por extracción son películas, láminas, cintas, filamentos, tubos, barras y muchos otros.

B) Moldeo por Inyección.

Con este proceso se fabrican componentes con formas tridimensionales y complejas ya que el proceso es controlable y exacto. Los plásticos se introducen por la tolva y el tornillo sinfín los mezcla y los empuja en el interior del cilindro hasta una sección caliente donde se derriten y la masa fundida se alimenta a la cámara de tiro colocada al frente del tornillo. Después, un pistón empuja o inyecta la masa fundida en el molde a una presión que alcanza los 210 MPa (30 000 lb/pulg2 en la boquilla. La presión de la masa fundida dentro de la cavidad varía entre 1 y 15 t/pulg2 dependiendo del comportamiento reológico y del flujo de plástico. En este proceso se manejan tanto termoplásticos como termofijos como poliésteres TF, fenólicos, epóxicos, etc.


32

C) Moldeo por soplado.

Con este proceso se fabrican piezas moldeadas de diversos tamaños, en

número ilimitado con poca o ninguna necesidad de acabado. Este proceso requiere sólo de .17 a 1.03 MPa es decir, de 25 a 150 lb/pulg2. Con este proceso se pueden obtener espesores de pared variables11.

D) Proceso de conformado.

Con este proceso se producen una gran variedad de plásticos conformados o moldeados de diversos tamaños. Existen los procesos de conformado en caliente y en frío; el proceso de conformado o termo-conformado, es el más productivo y diversificado.

El termo-conformado consiste en calentar láminas, películas o perfiles termoplásticos extruidos hasta su temperatura de reblandecimiento para forzar el material flexible contra los contornos de un molde por medios neumáticos y mecánicos. Los otros tipos de conformado requieren menos calor o ninguno, estos son:

o Conformado en frío. o Conformado en fase sólida. o Moldeo por compresión de láminas de materiales compuestos reforzados. o Forjado. o Estampado. o Conformado con almohadilla o diafragma de caucho. o Conformado de fluidos. o Conformado con explosivos.

Estos métodos son idóneos para plásticos de alta densidad y peso molecular ultra alto.

E) Otros procesos. Los siguientes procesos son empleados para plásticos termofijos.

1) Moldeo por inyección con reacción. Se mezclan dos o más componentes líquidos reactivos para después inyectar la mezcla en un molde cerrado a baja presión. Este proceso requiere de poca energía y su costo es reducido.



33

2) Moldeo por inyección de líquidos.

Es empleado en la elaboración automatizada a baja presión de resinas. La mano de obra es reducida, se requiere poca inversión de capital y ahorro de energía y espacio.

3) Moldeo rotatorio. Consiste en introducir un plástico en un molde giratorio en donde se derrite y forma una capa de plástico fundido sobre la superficie interior del molde giratorio. Para enfriar, se mantiene girando y se enfría la superficie exterior con agua o con aire. Se pueden producir artículos huecos tanto grandes como pequeños y con paredes de espesores uniformes. Este proceso es lento, pero su costo es bajo.

4) Moldeo por vaciado. En este proceso se vierte una solución fluida de monómero y polímero en un molde abierto para completar la polimerización.

5) Calendrado. Con este proceso se producen películas y láminas de plástico fundiendo el material y haciendo pasar la masa con apariencia de pasta a través de las compresiones de una serie de rodillos calientes y giratorios de velocidad controlada hacia tejidos de espesor y anchura específicos.

6) Acuñación. Este proceso combina el moldeo por inyección y el moldeo por compresión. En este proceso se derrite plástico y se inyecta una cantidad de masa en un molde abierto de compresión, después se cierra el molde de modo que la tapa macho ajuste con el molde hembra y se uniformiza la presión sobre la masa fundida.

7) Núcleo fusible. El plástico fundido recubre toda la superficie del núcleo y una vez que el plástico se solidifica, el núcleo se derrite y su masa fundida se extrae por una abertura existente o por un orificio taladrado a través de la parte plástica hasta el núcleo.

8) Moldeo por compresión.

El material se comprime para darle la forma deseada y se cura con calor y presión. Para estos procesos se requieren de 13.8 a 69 MPa, es decir, de 2000 10 000 lb/pulg2.


34

4.4 Diseño

Para llevar a cabo un diseño se deben tomar en cuenta principalmente aspectos de biomecánica y datos de tipo antropométrico los cuales a continuación se describen.

4.4.1 Antropometría

Del griego “antropos” (humano) y “métricos” (medida), esta ciencia se ocupa del dimencionamiento del cuerpo humano. La importancia de este conocimiento es muy alta, puesto que constituye la base para el diseño de puestos de trabajo, vestuario, equipos y herramientas. Los tipos de datos antropométricos que se requieren para un diseño son dos: Datos antropométricos estructurales. Dimensiones en estado estático, por ejemplo: talla, peso, longitud, ancho, circunferencia del cuerpo. Datos antropométricos dinámicos. Dimensiones en estado de funcionamiento, por ejemplo: estirar un brazo para alcanzar algo.

Dar una adecuada consideración a las variables antropométricas de la población con la cual trabajamos nos garantiza:

o Adecuado ajuste con los usuarios o Compatibilidad o Operabilidad o Facilidad en el Mantenimiento

Es común observar que los diseños (y los diseñadores) habitualmente no

proveen de un adecuado espacio para manutención. No parecen incluir este aspecto en sus previsiones. Los aspectos antropométricos son críticos, pues basta unos pocos centímetros de más o de menos para poner en riesgo:

o El rendimiento laboral o La seguridad en el trabajo o los procesos o La estabilidad del sistema

4.4.1.1 Postura Neutra

El lograr una postura neutra es muy importante, meta en todos los diseños12. Hay múltiples razones para buscarla (Figura 18):

12 Ergonomía y productividad, 1997


35

o El usuario es más fuerte y más rápido en Postura Neutra. o Se elimina o minimiza el esfuerzo sobre los tejidos. o Maximiza la circulación y favorece la recuperación.

Figura 18. Postura y Esfuerzo “Ergonomía y Productividad”. Pág. 125

Una pregunta clave que se debe tomar en cuenta cuando se realiza el

diseño de puestos de trabajo, tareas, herramientas, etc., es “¿existe la persona promedio?” … y la respuesta mas probable es que no sea cierto.

4.4.1.2 Distribución Antropométrica Si tomamos a muchas personas (muestra o población) y evaluamos sus parámetros antropométricos, observamos una distribución poblacional que - en términos estadísticos - es denominada ‘normal’, en ‘campana de Gauss’ o ‘Z’ (Figura 19).

Figura 19. Campana de Gauss. “Ergonomía y Productividad”. Pág. 125


36

4.4.1.3 Medidas Antropométricas Casi la totalidad de nuestros atributos tienen esta distribución:

o las dimensiones corporales o la fuerza o la movilidad o etc.

4.4.1.4 Variaciones Antropométricas

Existen factores que pueden hacer variar, más o menos, los valores de

nuestros parámetros antropométricos; por ejemplo:

Raza. Configuración morfológica y genética de cada raza existente. Edad. La estatura y las dimensiones del cuerpo varían generalmente según la edad, alcanzando su crecimiento total a los 20 años para el hombre y a los 17 para la mujer, en tanto en la tercera edad el cuerpo tiende a reducirse. Sexo. En conjunto, el hombre es de mayores dimensiones que la mujer, de mayor tamaño en promedio, sobre todo en extremidades, en caja torácica, manos, puños, muñecas, en tanto que la mujer es mas ancha en lo que respecta al pecho, a la circunferencia de la cadera y los muslos. Durante el embarazo las medidas cambian sobre todo en la profundidad abdominal, la cual pasa de 164 a 290 mm aproximadamente. Actividad. La actividad manual desarrolla mucho más las medidas antropométricas del trabajador que la actividad simplemente académica; por su parte, las actividades de tipo casi sedentario incrementan las medidas de ciertas partes del cuerpo (abdomen y muslos). Nación – Cultura. El aspecto ergonómico se debe tener en cuenta desde el punto de vista de mercado, por lo cual deben conocerse las diferentes culturas y nacionalidades con sus características propias; así por ejemplo, para propósitos de diseño se deben considerar la altura y las dimensiones del anglosajón, que son muy diferentes a las del latinoamericano medio, al igual que sus preferencias. Tendencias Históricas. Se ha observado que las nuevas generaciones tienden a una estatura promedio mayor, debido quizás al avance de la medicina y las condiciones de vida. Un ejemplo es la comparación entre los soldados de Estados Unidos de la primera y segunda guerras mundiales; estos eran 3 cm más altos y de 6 kg más pesados que aquellos.


37

4.4.1.5 Factores Individuales

Además, existen factores de orden más externo que implican diferencias y

necesidad de correcciones; por ejemplo:

o corrección para calzado, o el tipo de vestuario. o corrección para postura

4.4.2 Principios de Diseño

A partir de las características antropométricas de la población objetivo, el

diseño puede seguir distintas líneas:

o Diseño para el promedio o Diseño para el extremo o Diseño para el rango

4.4.2.1 Diseño para el promedio

Los objetos, equipos, máquinas, herramientas, puestos de trabajo, etc., se

diseñan de manera que satisfagan las necesidades, condiciones y parámetros del promedio de la población. Posiblemente terminen sin ajustar adecuadamente a nadie, pues el promedio es muy poco eficiente para caracterizar a los casos.

4.4.2.2. Diseño para el extremo Quizás una muy importante proporción de la población quede insatisfecha,

por exceso o por déficit. Un ejemplo típico de esto ocurre cuando se transfiere tecnología del norte de Europa (talla media 1,80 m) a nuestra población latinoamericana (talla media 1,60 m) y nuestros obreros quedan ‘colgando’ de los controles.

4.4.2.3 Diseño para el rango

Norma más exigente, que demanda una aguda y previsora mirada al definir los parámetros a utilizar. Satisface con mas probabilidad los requerimientos de una población mixta (hombres y mujeres) y heterogénea (edad, raza, complexión, etc.)


38

4.4.2.4 Antropometría como principio de Diseño Cuando deba elegir, considere que:

Lo mejor es intentar diseñar para el rango, cubriendo ampliamente a la

población objetivo. Si no es posible, que su segunda opción sea diseñar para el extremo, de modo de llegar hasta ese margen de su población. Se requiere agudeza para seleccionar en cuál parámetro elegir el rango superior y en cual el inferior. Como última opción, elija el diseño para el promedio.

4.4.3 Biomecánica

La biomecánica es el cuerpo de conocimientos que, usando las leyes de la física y de la ingeniería, describe los movimientos efectuados por los distintos segmentos corporales y las fuerzas actuantes sobre estas mismas partes, durante las actividades normales de la vida diaria.

El diseño de los puestos de trabajo influye sobre las posturas y movimientos inadecuados, sobreesfuerzo en músculos, ligamentos y articulaciones afectando al cuello, hombros, espalda y muñecas.

4.4.3.1 Medidas Claves a considerar durante el diseño. 1. Estatura o Talla. Se toma desde el piso hasta el punto mas alto de la cabeza, permaneciendo descalzo y con el cuerpo erguido (Figura 20).

Figura 20. Estatura. “Human Factors in Engineering and Desing”. Pág. 87


39

2. Alcance sobre la cabeza. Máxima distancia vertical, susceptible de ser alcanzada con las manos, manteniendo los miembros superiores en extensión máxima (Figura 21).

Figura 21. Alcance sobre la cabeza. “Human Factors in Engineering and Desing”. Pág. 87

3. Altura del ojo (de pie o sentado). Distancia vertical medida desde el ojo del sujeto estudiado, hasta el nivel del piso (Figura 22).

Figura 22. Altura del ojo. “Human Factors in Engineering and Desing”. Pág. 87


40

4. Altura codo silla (en posición sentado). La distancia vertical que existe desde el codo (con el antebrazo puesto en posición horizontal) hasta la superficie de la superficie de apoyo (Figura 23).

Figura 23. Altura codo-silla. “Human Factors in Engineering and Design”. Pág. 88

5. Alcance anterior (de pie, sentado). Máxima distancia horizontal, susceptible de ser alcanzada con las manos, manteniendo los miembros superiores en extensión máxima (Figura 24).

Figura 24. Alcance anterior. “Human Factors in Engineering and Desing”. Pág. 88

6. Altura Poplítea. Distancia vertical, medida desde el borde inferior del muslo en el punto de pliegue con la pierna, hasta el nivel del piso (Figuras 25 y 26). Figura 25. Altura Poplítea. Figura 26. Ancho de cadera.

“Human Factors in Engineering and Desing”. Pág. 88


41

La exploración se realizará en una estancia suficientemente amplia y a una temperatura confortable. El sujeto estudiado estará descalzo y con la mínima ropa posible, como pantalón corto o bañador. Las medidas de peso corporal y estatura sufren variaciones a lo largo del día, por lo que es deseable realizarlas a primera hora de la mañana. Y si esto no es posible, conviene indicar la hora del día y las condiciones del momento, como ingesta de alimentos o entrenamiento previo. El material será calibrado y comprobada su exactitud antes de iniciar la toma de las medidas. La exploración se iniciará marcando los puntos anatómicos y las referencias antropométricas necesarias para el estudio. Las medidas se tomarán siguiendo un orden práctico y cómodo para el estudiado. (Fuente de la información: Héctor Iván Rodríguez Vázquez, México)

4.4.3.2 Rangos de Movimiento

A continuación se presenta el campo motor que una persona promedio llega a tener estando en la posición de sentada (Figuras 27 y 28). Estos datos se toman en cuenta en el momento de establecer una postura dinámica sentada.

Figura 27. Campo motor en el plano vertical “Human Factors in Engineering and Desing”. Pág. 94


42

Figura 28. Campo motor en el plano horizontal “Human Factors in Engineering and Desing”. Pág. 94


43

Figura 29. Dimensiones del campo motor horizontal.

“Human Factors in Engineering and Desing”. Pág. 95.


44

4.4.4 Ergonomía

Ergonomía es una palabra compuesta por dos partículas griegas: ergo y nomos, las que significan - respectivamente - actividad y normas o leyes naturales. Una traducción literal sería la de las normas que regulan la actividad humana.

La Ergonomía es el campo de conocimientos multidisciplinar que estudia las

características, necesidades, capacidades y habilidades de los seres humanos, analizando aquellos aspectos que afectan al diseño de productos o de procesos de producción. En todas las aplicaciones su objetivo es común: se trata de adaptar los productos, las tareas, las herramientas, los espacios y el entorno en general a la capacidad y necesidades de las personas, de manera que mejore la eficiencia, seguridad y bienestar de los consumidores, usuarios o trabajadores (Tortosa et al, 1999).

Tradicionalmente la ergonomía se ocupa de la interacción: hombre / puesto de trabajo, pero eso es sólo una parte de la misma, mediante el análisis del puesto de trabajo, porque del ambiente laboral se encarga la Psicología ambiental y de las organizaciones la Psicología de las organizaciones. Todo diseño ergónomo está supeditado a los objetivos de la organización, producción, rentabilidad, innovación, calidad en el servicio, etc

Su aplicación al ámbito laboral ha sido tradicionalmente la más frecuente; aunque también está presente en el diseño de productos y en ámbitos como la actividad del hogar, el ocio o el deporte. El diseño y adaptación de productos y entornos para personas con limitaciones funcionales (personas mayores, discapacitados, etc.) es también otro ámbito de actuación de la ergonomía. Normas: ISO (International Standards Organization) 6385: Principios ergonómicos en el diseño de los sistemas de trabajo. ANSI B11 TR-1-1993: Guías ergonómicas para el diseño, instalación y uso de máquinas y herramientas. ANSI Z-365: Control del trabajo relacionado con alteraciones de trauma acumulativo. Normas de Higiene y Seguridad de la STPS (Secretaria del Trabajo y Previsión Social).


45

4.5 FLOTACION

4.5.1 Principio de flotación

El principio de flotación nace sin fundamento matemático en la antigua

Grecia, es conocido por todos que Arquímedes fue el primer hombre en notar que al sumergir un cuerpo en un fluido, éste desplazaba dicho fluido un volumen igual al sumergido y este descubrimiento lo hizo mientras se sumergía en su tina llena hasta el borde de agua y ésta se derramaba, posteriores mediciones le demostraron que el volumen desplazado correspondía exactamente al del cuerpo sumergido y posterior a este descubrimiento se comenta (Sin sustento histórico) que corría desnudo por las calles gritando Eureka (“Lo descubrí” en español)13.

La fuerza de empuje como tal, aparece más bien con los tres principios de Newton, aunque desde antes se tenía ya una base bastante formal para expresar su aparición.

La densidad no es más que la relación entre la masa de un cuerpo y su volumen efectivo, es decir el volumen total que está interviniendo en el proceso, por ejemplo un balón de fútbol desinflado tiene una masa y un volumen determinados, si se infla tendrá la misma masa (Ec.1), la masa de aire introducida puede ser despreciable en este caso por ser muy pequeña que en términos matemáticos se dice que tiende a cero, pero si calculamos su volumen sea por experimento o asumiendo que es una esfera perfecta notaremos que su volumen es mayor (Ec.2), por lo tanto la densidad del balón cuando está inflado es mayor que cuando está desinflado (Ec. 3,4 y 5)

infmmdes = Ec.1

Ec.2

infVVdes <

des

desdes V

m=δ

Ec.3

inf

infinf V

m=δ

Ec.4

inf

inf

Vm

Vm

des

des > Ec.5

desδδ >∴ inf



46

Esto significa que la unidad de volumen de un balón desinflado es mayor

que la unidad de volumen de un balón inflado. Aquí son apreciables dos cosas: primero es importante distinguir la diferencia entre masa y peso, se puede observar que el término peso no se ha usado, pues el peso es una fuerza y como tal es vectorial y tiene la dirección de la gravedad, sobre la tierra esto es hacia abajo (Hacia el centro exactamente, el término abajo es relativo), en el SI la unidad de masa es el kilogramo [kg] y la del peso es el newton [N], otro aspecto importante es el hecho de que al agregar a un cuerpo otro cuya densidad sea mucho menor, y sin modificar su volumen efectivo, la densidad de este disminuye, es fácil concluir qué sucede si se agrega uno de mayor masa. Entonces tenemos que la densidad es (Ec.4):

volmenmasadensidad =

Ec.4

.:. Vm

=δ

Vm •= δ Ec.6

Como podemos ver podemos conocer la masa de un cuerpo si conocemos su densidad y su volumen (Ec.4 y 6), ahora los líquidos tienen otro fenómeno que nos interesa analizar un poco más a fondo que es la presión hidrostática.

Si nosotros tenemos un recipiente muy alto de forma cilíndrica con un área de la base conocida, le colocamos un tapón en la parte inferior y empezamos a llenar de un fluido dicho recipiente, después de una cierta altura del líquido el tapón se saldría, esto es debido a una fuerza, que es la que ejerce el líquido sobre el tapón, ahora mientras más grande es el tapón, mayor área tiene y se saldrá con mayora facilidad a un nivel de líquido inferior, esto es por la presión que el agua ejerce sobre la tapa (Ec.7), entonces, si aumentamos el área y no la presión, aumenta la fuerza y de la misma manera si aumentamos la presión y no el área, la presión aumenta (Ec.8), pero si la fuerza es constante, es decir que a medida que aumento el área necesito menos presión para tener la misma fuerza (Ec.9).

Áreafuerzapresión =

Ec.7

áreapresiónfuerza ×= Ec.8

presiónárea 1α

Ec.9


47

Para el cálculo de la presión hidrostática de un líquido aplicamos la siguiente ecuación (Ec. 10):

ghVghV

gVmg

SFP δδ

====

Ec.10

Como se puede observar la presión de un líquido no depende del área del recipiente sino solo de la profundidad a la que se mide este parámetro, es decir que la presión en una piscina de 3 metros de profundidad será la misma que en el centro del Océano Pacífico a la misma altura de la superficie, considerando que las densidades y la acción de la gravedad son las mismas. Un aspecto vital de la presión es que actúa en todas las direcciones y no solo desde arriba, esto se puede explicar con el mismo ejemplo del recipiente de gran altura, si en ves de un tapón colocamos un codo hacia arriba y luego el tapón este saldrá a la misma presión, por eso las máquinas hidráulicas tienen una serie de conductos orientados arbitrariamente sin perder eficiencia.

En física, los sistemas siempre trabajan con las condiciones de equilibrio, esto es que tienden a quedarse en reposo igualando las fuerzas que interactúan, si sumergimos completamente un cuerpo de masa y volumen determinados en un líquido, el volumen desplazado de líquido tendrá una masa determinada por la siguiente ecuación (Ec.11).

liqliq Vmmasa δ== Ec.11

De esta manera se puede hacer un análisis estático pues existe una fuerza

debida a la presión del líquido que tratará de sacar al cuerpo del medio, esta se conoce como fuerza de empuje (Ec.12)

VggmFjeFuerzaEmpu liqliqE δ=== Ec. 12

VgmgWpeso δ=== Ec.13

)( liqliqN VgVgVgWPesoNeto δδδδ −=−==

Ec.14


48

El peso neto (Ec.13 y 14) depende la diferencia de densidades, entonces el

cuerpo se hunde si es más pesado que el volumen del líquido (Ec.15)

liqliq δδδδ >⇔>− 0 Ec.15

En cambio, si el líquido desplazado pesa más que el cuerpo, éste tiende a

flotar (Ec.16) expulsando parte su volumen fuera del medio, esto disminuye la cantidad de líquido desplazado hasta igualar la fuerza de empuje con el peso del cuerpo

liqliq δδδδ <⇔<− 0 Ec.16

Esto ya no se debe a la diferencia de densidades sino a que en el liquido el volumen desplazado es menor que el volumen del cuerpo, y si

liqliq δδδδ =⇔=− 0

se encuentran en equilibrio inestable.

4.5.2 Principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado. La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en la (Figura 30). El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido. La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.

Figura 30. Principio de Arquímedes. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/arquimides.htm


49

4.5.3 Porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.

Consideremos, en primer lugar, las fuerzas sobre una porción de fluido en

equilibrio con el resto de fluido. La fuerza que ejerce la presión del fluido sobre la superficie de separación es igual a p·dS, donde p solamente depende de la profundidad y dS es un elemento de superficie.

Puesto que la porción de fluido se encuentra en equilibrio, la resultante de las fuerzas debidas a la presión se debe anular con el peso de dicha porción de fluido. A esta resultante la denominamos empuje y su punto de aplicación es el centro de masa de la porción de fluido, denominado centro de empuje. De este modo, para una porción de fluido en equilibrio con el resto se cumple que:

gVpesoEmpuje fδ== Ec. 17

El peso de la porción de fluido es igual al producto de la densidad del fluido

fδ por la aceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V. Se sustituye la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y

dimensiones. Si sustituimos la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y

dimensiones. Las fuerzas debidas a la presión no cambian, por tanto, su resultante que hemos denominado empuje es el mismo, y actúa sobre el mismo punto, es decir, sobre el centro de empuje.

Lo que cambia es el peso del cuerpo y su punto de acción que es su propio centro de masa que puede o no coincidir con el centro de empuje (Figura 31).

Figura 31. Fuerza de empuje. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/arquimides.htm


50

Por tanto, sobre el cuerpo actúan dos fuerzas: el empuje y el peso del

cuerpo, que no tienen en principio el mismo valor ni están aplicadas en el mismo punto.

En los casos más simples, supondremos que el sólido y el fluido son homogéneos y por tanto, coincide el centro de masa del cuerpo con el centro de empuje.

4.5.4 Energía potencial de un cuerpo en el seno de un fluido.

Figura 32. Energía potencial http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/arquimides.htm

Cuando un globo de helio asciende en el aire actúan sobre el globo las siguientes fuerzas (Figura 32):

El peso del globo mgjFg −=

.

El empuje VgjF fe ρ=

, siendo fρ la densidad del fluido (aire). La fuerza de rozamiento debida a la resistencia del aire rF Dada la fuerza conservativa podemos determinar la fórmula de la energía potencial asociada ∫ =• EdrF

−

B

pBpA E)(yEE pp

A =


51

Fg −= mgjLa fuerza conservativa peso está asociada con la energía potencial Eg=mg·y.

VgjF fe ρ=Por la misma razón, la fuerza conservativa empuje está asociada a la energía potencial Ee=-ρfVg·y. Dada la energía potencial podemos obtener la fuerza conservativa La energía potencial asociada con las dos fuerzas conservativas es:

Ep=(mg- ρfVg)y

A medida que el globo asciende en el aire con velocidad constante experimenta una fuerza de rozamiento Fr debida a la resistencia del aire. La resultante de las fuerzas que actúan sobre el globo debe ser cero.

ρf Vg- mg-Fr=0 Como ρfVg> mg a medida que el globo asciende su energía potencial Ep disminuye. Empleando el balance de energía obtenemos la misma conclusión

El trabajo de las fuerzas no conservativas Fnc modifica la energía total

(cinética más potencial) de la partícula. Como el trabajo de la fuerza de rozamiento es negativo y la energía cinética Ek no cambia (velocidad constante), concluimos que la energía potencial final EpB es menor que la energía potencia inicial EpA.

4.5.5 Energía potencial de un cuerpo parcialmente sumergido

En el apartado anterior, estudiamos la energía potencial de un cuerpo

totalmente sumergido en un fluido (un globo de helio en la atmósfera). Ahora vamos a suponer un bloque cilíndrico que se sitúa sobre la superficie de un fluido (por ejemplo agua).


52

Pueden ocurrir dos casos:

o Que el bloque se sumerja parcialmente si la densidad del cuerpo sólido es

menor que la densidad del fluido, ρs< ρf.

o Que el cuerpo se sumerja totalmente si ρs≥ρf.

Cuando el cuerpo está parcialmente sumergido, sobre el cuerpo actúan dos fuerzas el peso mg=ρsSh·g que es constante y el empuje ρfSx·g que no es constante. Su resultante es

F=(-ρsShg+ρfSxg)j.

Donde S el área de la base del bloque, h la altura del bloque y x la parte del bloque que está sumergida en el fluido.

Tenemos una situación análoga a la de un cuerpo que se coloca sobre un muelle elástico en posición vertical (Figura 33). La energía potencial gravitatoria mgy del cuerpo disminuye, la energía potencial elástica del muelle kx2/2 aumenta, la suma de ambas alcanza un mínimo en la posición de equilibrio, cuando se cumple –mg+kx=0, cuando el peso se iguala a la fuerza que ejerce el muelle.

El mínimo de Ep se obtiene cuando la derivada de Ep respecto de y es cero, es decir en la posición de equilibrio.

Figura 33. Actuación de fuerzas de empuje

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/arquimides.htm


53

La energía potencial del cuerpo parcialmente sumergido será, de forma análoga

El mínimo de Ep se obtiene cuando la derivada de Ep respecto de y es cero, es decir, en la posición de equilibrio, cuando el peso se iguale al empuje.

-ρsShg+ρfSxg=0

El bloque permanece sumergido una longitud x. En esta fórmula, se ha

designado ρ como la densidad relativa del sólido (respecto del fluido) es decir, la densidad del sólido tomando la densidad del fluido como la unidad.

Fuerzas sobre el bloque

Cuando ρ <1 o bien ρs< ρf, el cuerpo permanece parcialmente sumergido en la situación de equilibrio.

Cuando ρ>1 o bien ρs> ρf, el peso es siempre mayor que el empuje, la

fuerza neta que actúa sobre el bloque es:

Fy=-ρsShg+ρfShg<0.

No existe por tanto, posición de equilibrio, el bloque cae hasta que llega al fondo del recipiente que supondremos muy grande. Cuando ρ =1 o bien ρs= ρf, El peso es mayor que el empuje mientras el bloque está parcialmente sumergido (x<h).

Fy=-ρ Shg+ρ Sxg<0.

La fuerza neta que actúa sobre el bloque cuando está completamente sumergido (x≥ h) es cero, y cualquier posición del bloque completamente sumergido en el seno del fluido es de equilibrio.


54

Curvas de energía potencial

La energía potencial correspondiente a la fuerza conservativa peso es

Eg= ρsShgy La energía potencial correspondiente a la fuerza de empuje tiene dos partes.

Figura 34. Gráficas de representación del empuje http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/arquimides.htm

Mientras el cuerpo está parcialmente sumergido (x<h)

Que corresponde al área del triángulo de la figura de la izquierda. Cuando el cuerpo está totalmente sumergido (x≥ h) Que corresponde a la suma del área de un triángulo de base h, y la de un rectángulo de base x-h. La energía potencial total es la suma de las dos contribuciones

Ep=Eg+Ef Cuando la densidad del sólido es igual a la del fluido ρs= ρf, la energía potencial total Ep es constante e independiente de x (o de y) para x≥ h como puede comprobarse fácilmente.


55

4.6 Mecanismos de Movimiento

4.6.1 Cadena y rueda dentada

Los mecanismos de cadena y ruedas dentadas son aquellos encargados de transmitir un movimiento de rotación entre dos árboles paralelos, por medio del empuje generado entre los dientes de las ruedas y los eslabones de cadena.

El mecanismo cuenta de dos ruedas dentadas y un miembro deformable

formado por una serie de eslabones rígidos que pueden tener un giro relativo entre ellos.

Figura 35. Mecanismo cadena, rueda dentada. Fundamentos de mecanismos y maquinas para ingenieros. Pag. 269

4.6.1.1 Clasificación

Pueden clasificarse, según su aplicación:

Cadenas para elevación: o eslabones ovales, o eslabones con travesaño.

Cadenas transportadoras: o eslabones desmontables o eslabones fijos.

Cadenas de movimiento: o de mallas o bloques o de rodillo o de dientes invertidos (silenciosas).


56

4.6.1.2 Montaje y utilización

Por lo general, las transmisiones por cadena presentan ventajas como:

Transmiten potencia a una considerable distancia entre árboles. Un rendimiento bastante alto, que puede alcanzar valores del orden del 98 por 100.

No existe, en general, tensión previa alguna, por lo que la carga en los

árboles es menor que en el caso de correas.

Posibilidad de transmitir rotación a varios árboles con una misma cadena. Los inconvenientes de la transmisión por cadena son:

o Costo relativamente elevado. o Necesidad de un montaje y mantenimiento minuciosos. o Las cadenas producen fácilmente oscilaciones, especialmente en los

trabajos en los que se originan golpes, como en el accionamiento con máquinas de émbolo, lo que da lugar a una marcha irregular.

4.6.1.3 Relación de velocidades. Para la relación de transmisión valen todas las ecuaciones deducidas para las

poleas o para las ruedas dentadas, sin más que sustituir el diámetro de las poleas por el número de dientes de los piñones, así se cumple:

Figura 36. Relación de velocidades. Fundamentos de mecanismos y maquinas para ingenieros. Pag. 280


57

4.6.2 Engranes Uno de los problemas principales de la Ingeniería Mecánica es la

transmisión de movimiento, entre un conjunto motor y máquinas conducidas. Desde épocas muy remotas se han utilizado cuerdas y elementos fabricados de madera para solucionar los problemas de transporte, impulsión, elevación y movimiento.

4.6.2.1 Clasificación

Los engranes se clasifican en tres grupos :

o Engranajes Cilíndricos o Rectos (para ejes paralelos y que se cruzan) o Engranajes Cónicos (para ejes que se cortan y que se cruzan) o Tornillo sin fin y rueda helicoidal (para ejes ortogonales)

Un par de engranes que trabajan unidos se diseñan a partir de sus círculos

primitivos o de paso, estos círculos son siempre tangentes entre si. El diámetro de estos círculos se obtiene de multiplicar el módulo por la cantidad de dientes. El módulo se define como el tamaño de los dientes y para que dos engranes trabajen juntos deben tener igual módulo. Se tiene entonces:

Dp= MZ En Donde; Dp – Diámetro primitivo o de paso ……………………….....M – Modulo. ………………… …………………………..Z. Cantidad total de dientes del engrane

Si se tienen dos engranajes 1 y 2 con velocidades de giro n1[rpm] y n2

[rpm]se pueden obtener unas relaciones de gran utilidad. Si los dos engranes van a trabajar juntos, en una unidad de tiempo ambos recorren la misma cantidad de metros, por ejemplo en un minuto ambos recorren:

n1 p Dp1 = n2 p Dp2 n1 / n2 = Dp2 / Dp1 Pero Dp = M Z n1 / n2 = Z2 / Z1

Se define la relación de transmisión i:1 como la cantidad de vueltas que

debe dar el engranaje motor para que el engranaje conducido de una vuelta. Por ejemplo, un reductor que disminuya a un cuarto la velocidad de giro tiene una relación 4:1.

En general: i = n1 / n2 = Dp2 / Dp1 = Z2 / Z1

http://www.monografias.com/trabajos14/historiaingenieria/historiaingenieria.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/moviunid/moviunid.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/motore/motore.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/transformacion-madera/transformacion-madera.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/grupo/grupo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos4/costo/costo.shtml


58

De esta forma, un diseño de engranajes parte por definir el módulo y la

relación de transmisión que se desea, de esta forma y usando las relaciones anteriores se obtienen los diámetros de paso

En el diseño de los engranajes se busca la forma y el ancho del diente para

soportar las cargas que se ejercen sobre ellos. Esta carga varía principalmente, dependiendo de la potencia transmitida y de la velocidad de giro. Dependiendo de los esfuerzos que se producen en los dientes, se pueden fabricar engranajes de diversos materiales y en una gran cantidad de formas. La última figura, muestra ejemplos de engranajes y ruedas, catarinas fabricadas en la empresa Bignotti Hermanos, que es frecuentemente visitada, como parte de las actividades necesarias para conocer mas de cerca los mecanismos y procesos de manufactura existentes en el país.

A) Engranes Cilíndricos o Rectos

Se fabrican a partir de un disco cilíndrico, cortado de una plancha o de un trozo de barra maciza redonda. Este disco se lleva al proceso de fresado en donde se retira parte del metal para formar los dientes.

Estos dientes tienen dos orientaciones: dientes rectos (paralelos al eje) y

dientes helicoidales (inclinados con respecto al eje). En la (figura 37) se muestran un par de engranajes cilíndricos.

Figura 37 Engranes Rectos. http://www.iesmarenostrum.com/ope_ruedentada.htm

Los engranajes de diente recto son más simples de producir y por ello más

baratos, la transmisión del movimiento se realiza por medio de los dientes, quienes se empujan sin resbalar. En el caso de los dientes helicoidales los dientes se empujan y resbalan entre sí, parte de la energía transmitida se pierde por roce y el desgaste es mayor.


59

La ventaja de los helicoidales es la falta de juego entre dientes que provoca

un funcionamiento silencioso y preciso. Los engranajes cilíndricos se aplican en la transmisión entre ejes paralelos

y que se cruzan. En la figura se aprecia una transmisión entre dos ejes que se cruzan, utilizando dos engranajes cilíndricos de diente helicoidal.

Los engranajes pueden ser desde muy pequeños hasta muy grandes, para

facilitar la puesta en marcha y la detención de un mecanismo, es importante que el engranaje tenga poca masa, esto se logra quitando material a la llanta. Puede fabricarse una llanta delgada, con perforaciones o simplemente sacar la llanta y reemplazarla por rayos. En la figura se aprecian tres engranes de distinto tamaño, desde un engrane macizo hasta un engrane con rayos pasando por un engrane con llanta aligerada.

El proceso de fabricación es el maquinado con fresas u otro mecanismo de

corte, dependiendo del tamaño del engrane. En la figura se aprecia un engrane cilíndrico de diente helicoidal de gran tamaño, durante el proceso de maquinado de dientes.

B) Engranes Cónicos

Se fabrican a partir de un trozo de cono, formándose los dientes por fresado

de su superficie exterior (Figura 38). Estos dientes pueden ser rectos, helicoidales o curvos. Esta familia de engranajes soluciona la transmisión entre ejes que se cortan y que se cruzan. En las figuras se aprecian un par de engranes cónicos para ejes que se cortan y un par de engranes cónicos helicoidales de diente curvo para ejes que se cruzan.

Figura 38.Engranes Cónicos http://www.pci-tech.com


60

C) Tornillo sinfín y rueda helicoidal

Este mecanismo se compone de un tornillo cilíndrico o hiperbólico y de una rueda (corona) de diente helicoidal cilíndrica o acanalada. Es muy eficiente como reductor de velocidad, dado que una vuelta del tornillo provoca un pequeño giro de la corona. Es un mecanismo que tiene muchas pérdidas por roce entre dientes, esto obliga a utilizar metales de bajo coeficiente de roce y una lubricación abundante, se suele fabricar el tornillo (gusano) de acero y la corona de bronce. En la figura 39 se aprecia un ejemplo de este tipo de mecanismo.

Figura 39. Tornillo sinfín y rueda helicoidal. http://www.pci-tech.com


61

4.7 Material seleccionado

Aspectos a tener en cuenta a la hora de seleccionar el material plástico para una aplicación dada en Ingeniería.

1. Revisión del ambiente químico (Consultar tabla de resistencia química del

plástico según concentración y temperatura). 2. Revisión del ambiente térmico (Verificar temperaturas máximas y mínimas,

verificar pico de temperatura y tiempo). 3. Revisión de las condiciones mecánicas de operación (Resistencia requerida

a la flexión, al impacto, desgaste, fatiga, fractura, etc.). 4. Revisar disponibilidad del material (Laminado, tubo o necesidad de

moldear). 5. Revisar datos suministrados por el proveedor, proceso de fabricación y

montaje (Costo de maquinado, posibilidad de moldeado, tolerancias, etc.).

4.7.1 Aspectos más importantes

1. Los materiales plásticos en la actualidad son múltiples y se adaptan para casi la generalidad de las aplicaciones en todas las ramas de la industria

2. Los materiales plásticos clasifican en: Termoplásticos y Termoestables,

siendo los termoplásticos los que encuentran mayor aplicación debido a su facilidad de procesamiento durante el moldeo.

3. Con el uso de los diferentes aditivos en los materiales plásticos se han

logrado buenos resultados en el mejoramiento de sus propiedades mecánicas, siendo los aditivos fundamentales los reforzadores y los lubricantes.

4. Los materiales termoplásticos presentan un buen conjunto de propiedades

mecánicas, son fáciles de procesar, reciclables y bastante económicos; y. la principal desventaja deriva del hecho de que su aplicación está limitada a bajas temperaturas, derivado esto por ser materiales que funden.

5. Los materiales termoestables presentan muy buenas propiedades a

elevadas temperaturas y junto con su alta resistencia térmica presentan alta resistencia química, rigidez, dureza superficial y buena estabilidad dimensional. Y tienen como desventajas que requieren métodos de transformación lentos y los acabados son pobres comparados con los de la mayoría de los termoplásticos.


62

6. La Humedad y la temperatura tienen una gran influencia sobre la

resistencia de los dientes. En este caso la resistencia a la flexión disminuye con la temperatura.

Se puede concluir que cuanto mayor es la humedad, menor será la

resistencia a la tracción también

Nylamid es un plástico de ingeniería del grupo del nylon diseñado para múltiples aplicaciones que sustituya a los metales suaves en el maquinado de componentes y refacciones para la industria en general. Es un producto que supera en economía a los materiales tradicionalmente usados en la industria, con características extraordinarias que le permiten operar en las condiciones más severas de desgaste y abrasión, además cuenta con una excelente resistencia química y mecánica.

El nylamid le ofrece un sin número de ventajas económicas, mecánicas, no presentan problema de corrosión y es resistente al ataque químico como:

o Atmósferas húmedas o Salinas altamente corrosivas o Hidrocarburos alifáticos (gasolina, aceites lubricantes) o Aceites y grasas o Álcalis diluidos y con concentraciones no superior a 30% en frío. o Jabones o Ácidos minerales diluidos (clorhídricos y sulfúrico, con concentraciones no

superiores a 5% en frío o La mayor parte de los ácidos orgánicos.

4.7.2 Punto de vista mecánico (Nylamid)

o Resistencia al impacto, absorbe cargas que pueden fracturar los dientes de

metal. o Reducción de ruido, las piezas hechas de Nylamid son silenciosas además,

absorbe el ruido producido por las piezas metálicas. o Reducción de peso, Nylamid es de 2 a 8 veces más ligero que los metales. o Resistencia dieléctrica, debido a sus propiedades aislantes, es un material

idóneo para ser aplicado en equipos eléctricos. o Seguridad, no produce chispas y es autoextingible.


4.7.3 Ventajas del Nylamid

o Más fácil de maquinar que el bronce y el acero o Más resistencia a la fricción que el bronce fosforado o Más resistencia a la corrosión que el bronce y el acero estándar o Más resistencia al impacto que el bronce y el teflón. o Más resistencia a la abrasión que el bronce y el acero.

4.7.4 Aplicaciónes del Nylamid

Nylamid “XL” Extra lubricado (color verde) Nylamid “SL” Pre lubricado (color negro) Nylamid “M” Mecánico Normal (color hueso) Nylamid “TS” Tabla de suaje (color ámbar) Nylamid “6/6” (son producidos por extrusión y se pueden fabricar hasta en largos de 244 cms., lo hay con carga de bisulfuro de molibdeno) Dentro de la familia de Nylamid también existen: Nylamid “RA” = UHMWPE = Polietileno de ultra alto peso molecular. Nylamid “H” = Polietileno de alta densidad para uso sanitario Nylamid “P” = Acetal Los Nylons vienen en las siguientes presentaciones (Figura 40): Barra = de 3/16 hasta 16” de diámetro. Placa = de 1/4 hasta 5” de espesor. Barra cuadrada = de 1” hasta 8” Buje = de 2x1” hasta 14 1/2x12” x 61 cm.

Figura 40. Presentaciones nylamid

http//www.nylamid.com.mx Las aplicaciones típicas son (Figura 41):

o Sleppers o Estrellas o Rodillos o Cadenas o Rastras o Guías de desgaste o Piezas de impacto o Placas y marcos para filtro prensa o Engranes o Poleas y chumaceras o Gusanos alimentadores, etc.

Figura 41. Aplicaciones nylamid http//www.nylamid.com.mx

63


64

5. Desarrollo

5.1 Diseño de la silla

Se realizo un estudio para conocer el tipo de personas que sufren alguna discapacidad de sus miembros inferiores en México y así poder llevar a cabo un diseño apropiado para este tipo de personas, a continuación se muestra el resultado de un censo realizado por el INEGI en referencia a la discapacidad en México.

DISCAPACIDAD MOTRIZ

Los resultados del Censo del 2000, indican que hay ocho personas con discapacidad motriz por cada mil habitantes en el país; es decir, poco más de 807 mil personas. De ellas, 76.2% vive en localidades urbanas y 23.8% en rurales.

Cabe señalar que la mitad de la población con discapacidad motriz (50.4%) es mayor de 60 años, lo que permite suponer que ésta se encuentra asociada al proceso de envejecimiento; por otro lado, 38.5% se concentra en la población en edad de trabajar y 10.1% es menor de 15 años. En general, la principal causa que provoca este tipo de discapacidad se relaciona con enfermedades (37.4%).* *COMUNICADO DE PRENSA, AGUASCALIENTES, AGS. 8 DE DICIEMBRE DE 2004, NÚMERO 173/2004, PAGINA 64/2Aa.

Para realizar un dato estadístico sobre las personas que requieren de rehabilitación por medio de hidroterapia es algo complicado y que requiere de mucho tiempo, se opto por tomar valores tabulados para realizar el diseño de la estructura de la silla, los cuales se muestran en la siguiente tabla 1.

5.1.1 Diseño de la estructura

El diseño realizado contempla un rango de personas, además de aplicar principios ergonómicos, esto con a finalidad de brindar comodidad al paciente durante su estancia en la silla.


65

Tabla 1. Medidas antropométricas*.

Dimensiones en pulgadas Dimensiones en cm. Dimensión Genero 5% 50% 95% 5% 50% 95%

Hombre 63.7 68.3 72.6 161.8 173.6 185.4 Estatura (altura) Mujer 58.9 63.2 67.4 149.5 160.5 171.3

Hombre 59.5 63.9 68.0 151.1 162.4 172.7 Altura de los ojos. Mujer 54.4 58.6 62.7 138.3 148.9 159.3

Hombre 52.1 56.2 60.0 132.3 142.8 152.4 Altura del hombro. Mujer 47.7 51.6 55.9 121.1 131.1 141.9

Hombre 39.4 43.3 46.9 100.0 109.9 119.0 Altura del codo. Mujer 36.9 39.8 42.8 93.6 101.2 108.8

Hombre 27.5 29.7 31.7 69.8 75.4 80.4 Altura de los nudillos. Mujer 25.3 27.6 29.9 64.3 70.2 75.9

Hombre 33.1 35.7 38.1 84.2 90.6 96.7 Altura sentado Mujer 30.9 33.5 35.7 78.6 85.0 90.7 Hombre 28.6 30.9 33.2 72.6 78.6 84.4 Altura de los

ojos sentado Mujer 26.6 28.9 30.9 67.5 73.3 78.5 Hombre 7.5 9.6 11.6 19.0 24.3 29.4 Altura del

codo sentado Mujer 7.1 9.2 11.1 18.1 23.3 28.1 Hombre 4.5 5.7 7.0 11.4 14.4 17.7 Altura del

muslo sentado

Mujer 4.2 5.4 6.9 10.6 13.7 17.5

Hombre 19.4 21.4 23.3 49.3 54.3 59.3 Altura de la rodilla sentado

Mujer 17.8 19.6 21.5 45.2 49.8 54.5

Hombre 15.4 17.4 19.2 39.2 44.2 48.8 Altura poplitea Mujer 14.0 15.7 17.4 35.5 39.8 44.3 Hombre 8.4 9.5 10.9 21.4 24.2 27.6 Profundidad

del pecho Mujer 8.4 9.5 11.7 21.4 24.2 29.7 Hombre 13.8 16.4 19.9 35.0 41.7 50.6 Ancho de

codo a codo Mujer 12.4 15.1 19.3 31.5 38.4 49.1 Hombre 12.1 13.9 16.0 30.8 35.4 40.6 Ancho de

cadera Mujer 12.3 14.3 17.2 31.2 66.4 43.7

* Human Factors in Engineering Anf Design 2002.


66

Para llevar a cabo el diseño, se utilizo el programa de diseño AutoCad versión 2006 y en la figura 42 se muestra la estructura de la silla.

Figura 42. Estructura de la silla

La silla contara con tres llantas, dos en la parte trasera y una en la parte delantera, en la parte del asiento y respaldo se colocara tela de nylon, también contara con tres flotadores que le permitirán que la silla flote dentro del agua, estos están colocador de manera que el brinde estabilidad a la silla y seguridad al paciente.

Figura 43. Silla de ruedas anfibia virtual.


67

5.2 Sistema de flotación 5.2.1 Flotando en la superficie

Para lograr que la silla se mantenga en la superficie (figura 44), el peso debe igualar al empuje.

Figura 44. Flotación http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/arquimedes/arquimedes.htm

Para lograr sacar a flote un barco o un submarino se utiliza un sistema neumático, el cual se puede controlar ya sea para llenarse de aire o liberarlo y así lograr un nivel de sumergimiento, para nuestro caso esto originaria mayor peso en la silla y un alto costo.

Como alternativa para lograr estabilidad y flotabilidad en la silla y con fines prácticos se propone el siguiente sistema de flotadores y así mantener la silla en la superficie, la altura a la que se sumergirá estará dada por la capacidad del flotador que se construya.

El material con el cual se construirán los flotadores es el poliestireno, el cual cuenta con una densidad de 10 kg/m3


68

Figura 45. Sistema de flotación para la silla.

En la figura 45 se muestra el sistema propuesto para lograr la estabilidad de la silla dentro del agua, la cual toma como referencia los centros de gravedad de la persona en la silla, la de los flotadores y con esto lograr la estabilidad y flotabilidad deseada.


69

5.3 Mecanismo de movimiento

5.3.1 Mecanismo propuesto

La silla realizara movimiento por medio de un mecanismo cadena-rueda dentada. Dicho mecanismo esta compuesto de 2 ruedas dentadas y una cadena que permite un giro sincronizado de ambas.

Figura 46. Mecanismo de movimiento. La relación de velocidad esta dada por: Rv= PC/Pc Donde: Rv Relación de velocidad PC Piñón conductor Pc Piñón conducido Para nuestro caso: PC = 44 dientes Pc = 18 dientes Rv= PC/Pc = 44/18 = 2.44 La cadena que se utilizara es de medida estándar, además de que es de uso comercial, fabricada en acero inoxidable y evitar corrosión al contacto con el agua.


70

5.4 Construcción de la silla

5.4.1 Ensamble de la estructura

Para la fabricación de la estructura se busco un material ligero, de fácil obtención y bajo costo. El material que cuenta con estas características ya mencionadas, es el tubo de acero laminado de aleación níquel-cromo 18/10, además se moldea con facilidad. Las dimensiones del tubo que se utilizo son: 1 ¼ pulgadas de diámetro, calibre 20 x 6 m de largo, con un peso aproximado de 4.44 kg. Este material se encuentra en barras de 6 m. Y su precio oscila entre los 100 y 120 pesos.

Figura 47. Tubo de acero laminado

Para dar la forma correspondiente a las piezas que integran la estructura se utilizo una dobladora de tubo figura 48.

Figura 48. Dobladora de tubo.


71

Después de doblar el tubo con la forma correspondiente, se dio paso a realizar una estructura primaria, colocando tubos dentro de la parte media y tener una mayor resistencia, ya que esta estructura será la que soporte el peso de toda la silla y el paciente.

Figura 49. Estructura primaria.

La estructura se complemento con los descansa brazos, descansa pies, además de asiento y respaldo.

Figura 50. Partes complementarias.


72

Para realizar el ensamble de la estructura, se utilizo el proceso de

soldadura MIG el cual se describe a continuación.

5.4.1.1 Soldadura MIG

Principio: el aparato de arco eléctrico MIG incluye un transformador que ofrece, mediante su cable de masa (unido por una pinza a la pieza a soldar) y un hilo de acero, una intensidad baja. El hilo de acero, enrollado en una bobina colocada al lado del aparato, es transportado automáticamente.

MIG: "MIG" es la abreviación de "metalinert gas": esta soldadura en

atmósfera inerte se refiere a gases raros como al argón y el helio. En la mayoría de los casos, se utiliza una mezcla de argón y dióxido de carbono CO2. Se trata de una "soldadura semiautomática protegida con gas".

Adición de gas: durante la soldadura MIG, solamente se calienta una pequeña zona alrededor de la junta. Simultáneamente a la alimentación con hilo tiene lugar una adición de gas que enfría las superficies y protege el metal de la acción del aire ambiental. Esta previene la oxidación. El hilo de acero no está recubierto, como en el caso del electrodo del aparato de arco eléctrico, sino compuesto de un alma totalmente metálica. Por tanto, no se forma escoria (cuya eliminación requiere bastante trabajo), sino un cordón muy liso.

Alimentación con hilo: antes de poner en marcha un aparato MIG, es necesario fijar el tubo por el que se efectuará la alimentación con hilo y con gas. En el extremo de este tubo se encuentra una boquilla con un borde tubular. El rodillo está provisto de dos ranuras para el hilo de 0,6 y 0,8mm. Se puede elegir la ranura más adecuada haciendo girar este rodillo que, acoplado al otro rodillo, asegura un transporte suave del hilo.

La velocidad en la que se desenrolla el hilo se regula, de forma continua, a partir de un panel de control. Un tornillo de reglaje permite ajustar la presión ejercida sobre el hilo. Una vez puesto en marcha el transporte del hilo hasta el borde tubular del tubo, abra el reductor de presión de la botella de gas. El aparato ya está listo para funcionar. Al fijar la pinza de masa sobre la pieza a soldar, cierre el circuito eléctrico: ya puede comenzar.


73

El uso de soldadura MIG es cada vez más frecuente, siendo en la

actualidad el método más utilizado en Europa occidental, Estados Unidos y Japón. Ello se debe, entre otras cosas, a su elevada productividad y a la facilidad

de automatización. Podemos afirmar que la flexibilidad es la característica más saliente del método MIG, ya que permite soldar aceros de baja aleación, aceros inoxidables, aluminio y cobre, en espesores a partir de los 0,5 mm y en todas las posiciones. Además, MIG es un método limpio y compatible con todas las medidas de protección para el medio ambiente. La figura 51 muestra el resultado del ensamble final:

Figura 51. Estructura Final

5.4.2 Llanta, asiento y respaldo

Para permitir el movimiento a la silla, se acoplaron 3 llantas, las cuales tienen las siguientes dimensiones..

o Aros 20" x 1.75" cromados. (Llanta Delantera) Llantas 20" x 2.125", negras.

o Aros 26" x 1.75" cromados. (Llantas Traseras) Llantas 26”x2.10”, negras. Figura 52. Llanta de 26”. Figura 53. Llanta de 20”.


74

La llanta delantera va contenida en una horquilla (figura 54.), la cual realiza movimiento giratorio perpendicular al eje de la llanta (figura 55), y así permitirle locomoción con guiado diferencial. Figura 54. Horquilla. Figura 55. Rueda de dirección.

En lo que corresponde a la parte del asiento y respaldo se colocara tela de nylon (figura 56), el cual se sujetara con tela de contacto (delcro).

Figura 56. Tela de nylon La conjunción de los elementos ya mencionados se muestra (figura 57).

Figura 57. Ensamble de ruedas.


5.4.3 Construcción de los flotadores

El material que se utilizo para construir los flotadores es el Poliestireno (figura 58), el cual tiene una densidad de 10 kg/m3. Este material es ligero y tiene la capacidad de flotar en el agua, para dar solidez al flotador se forro con tela de nylon y evitar que el peso de la silla lo rompa o lo deforme. El flotador tendrá un funcionamiento similar a los chalecos para nadar.

Figura 58. Poliestireno Figura 59. Flotador Delantero Figura 60. Flotadores Traseros 5.4.4 Mecanismo de movimiento.

El movimiento de la silla se realizara por medio de ruedas dentadas y cadenas. El mecanismo que se desarrollo cuenta con una entrada y dos salidas.

La entrada esta dada por una rueda de 44 dientes la cual contiene una

manivela, y las salidas en una rueda de 18 dientes, una salida esta conectada a la llanta y la otra a las aspas que sirven para desplazase en el agua. La relación de transmisión esta dada por

:

75


76

Figura 61. Catarina de 18 dientes. Figura 62. Catarina de 44 dientes.

5.4.5 Movimiento dentro del agua.

El movimiento dentro del agua, se realizara por medio de un sistema de aspas, las cuales le permitirán realizar movimiento en el plano. Estas aspas se construyeron de madera de pino debido a que es un material que su densidad esta por debajo de la del agua, a si evitar mayor peso en la silla, las aspas se barnizaron para evitar que el agua las deteriore.

Figura 63. Aspas


77

5.4.6 Resultado Final

Silla de ruedas anfibia para hidroterapia (figura 64), cuenta con una

estructura hecha con material ligero con un peso aproximado de 9 kg, revestido con laca automotriz que evita la corrosión ya que entra en contacto con el agua, cuenta con flotadores los cuales permiten que la silla flote, hechos de poliestireno cubiertos con tela nylon, soporta dentro del agua, un peso máximo de 150 kg., se puede emplear alternativas en los materiales del sistema de flotación lo cual tendría repercusión en el peso que soportara dentro del agua. La disposición de los flotadores esta diseñada de tal forma que la silla mantenga estabilidad una vez sumergida en el agua, esto le brinda seguridad al paciente ya que no corre riesgo de que se vuelque la silla dentro del agua, esta silla cuenta con 3 flotadores, 2 en los descansa brazos de la silla (parte trasera) y uno en la parte frontal al centro de la silla (en el descansa pies). Se implemento un mecanismo cadena-rueda dentada que le permite desplazamiento a la silla sobre un plano.

La silla se presenta como una alternativa para acceder al tanque de hidroterapia, teniendo como ventaja un ahorro de tiempo además de brindarle comodidad y seguridad al paciente durante la sesión. El peso total de la silla es de 15 kg, ya con todos los componentes integrados.

Figura 64. Silla de ruedas anfibia para hidroterapia.


78

5.4.6.1 Pruebas

A) Flotabilidad En la pruebas que se realizaron el objetivo principal era comprobar la

flotabilidad y estabilidad con la que debía contar la silla ya que es fundamental, todo ello para brindar al paciente seguridad durante su terapia.

Figura 65. Silla flotando En la figura 65 se muestra la silla dentro de la alberca, el primer objetivo de la introducción en agua es comprobar que la silla realmente flotaba, lo cual se logro sin ningún problema, cabe mencionar que la silla tiene un peso aproximado de 15 kg.

B) Estabilidad

El siguiente paso en las pruebas es comprobar la estabilidad que brinda la

silla ya con el paciente dentro de ella, la prueba se realizo con un compañero de aproximadamente 80 kg, y una estatura de 1.78 m.

Figura 66. Prueba de estabilidad


79

C) Desplazamiento dentro del agua

Una de las principales características de la silla es el movimiento que tiene

dentro y fuera del agua, todo ello con el propósito de brindar independencia al paciente, y de esa manera desplazarse sin ningún problema en el área de hidroterapia.

Figura 67. Desplazamiento dentro de la alberca


80

5.4.7 Evaluación de costos

Descripción Cantidad Precio Total Tubo níquel-cromo 1 ¼” de diámetro 3 $98 $196Tubo níquel-cromo ¾” de diámetro 1 $85 $85Aros de 20” 1 $70 $70Aros de 26” 2 $120 $240Llanta de 20” 1 $70 $70Llanta de 26” 2 $100 $200Casetón de poliestireno de 40 X 60 X 20 3 $35 $105Tela nylon x metro 4 $12.5 $50Catarina de 44 dientes 2 $25 $50Catarina de 18 dientes 8 $10 $80Sproket 2 $25 $50Pedales 2 $20 $40Aspas de madera 2 $120 $240Barniz 1 $20 $20Esmalte 4 $31 $124Silicón 20 $1 $20Horquilla 1 $25 $25Ejes c/valeros 4 $30 $120Cinta de nylon x metro 6 $6 $36Seguro para cadena de transmisión 6 $3 $18Soldadura x kilo 2 $35 $35Valeros para horquilla 1 $35 $35Delcro x metro 4 $5 $20Cadena de transmisión estándar x metro 8 $12 $96

Costo total del prototipo Total $2025


81

5.5 Conclusiones Se logro el diseño y construcción de una silla de ruedas anfibia para hidroterapia.

Se realizo el estudio correspondiente para determinar el material con el cual se construiría la estructura de la silla, debido a que estará en contacto con el agua, se busco evitar la corrosión del material, se determino que un polímero (nylon) es el indicado para dicha aplicación, el inconveniente del nylon es el costo, por lo cual se opto por construir la estructura con níquel – cromo 18/10 de peso aproximado 9kg, y para evitar corrosión al contacto con el agua se recubrió con laca automotriz.

El diseño de la estructura cumple con normas de ergonomía, todo con la

objetivo de brindar comodidad al paciente durante la estancia en la silla. Se desarrollo un mecanismo que permite a la silla tener movimiento,

cuenta con una manivela que transmite movimiento por medio de cadenas, ya que el mecanismo cuenta con dos salidas, el movimiento se refleja en las llantas traseras y las aspas, permitiendo así un desplazamiento dentro y fuera del agua.

El sistema que se utilizo para que la silla flotara y que fuera estable, la

integran 3 flotadores de poliestireno cubiertos con tela nylon para evitar deformación, los flotadores tiene un funcionamiento similar al los chalecos para nadar, fueron colocados en triangulo ofreciendo así un área de estabilidad en la silla, de esta manera se garantiza seguridad estando dentro del agua.

Las pruebas se realizaron en la alberca del IPN, con el objetivo de

comprobar su funcionamiento de la silla y darle viabilidad al proyecto, obteniendo buenos resultados en la prueba de estabilidad y flotabilidad, además del movimiento dentro del agua.


82

Posibles mejoras

• Retomar la propuesta de construir la estructura de material polímero, o

utilizar como alternativa el aluminio todo con la finalidad de disminuir el peso de la silla.

• Sustituir elementos del sistema mecánico, por piezas hechas de plástico

prelubricado.

• Ampliar el rango de velocidad de los movimientos que realiza la silla dentro

y fuera del agua • Realizar las pruebas correspondientes en mar para realizar una aplicación

de tipo recreativo.


83

Bibliografía. Ejercicios en el agua. M. H. Duffield Ed. JIMS S. A. España 1988. Ciencia de Materiales Selección y Diseño. Pat L. Mangonon, Ed. Pearson Educación México 2001. Ciencia e Ingeniería de los Materiales Donald R. Askeland Ed. Thomson 3ra. Edición 1998 3. Ciencia de Materiales para Ingenieros. James F. Shakelford Ed. Prentice Hispanoamericana S. A. México 1992. Ergonomía y productividad. Dr. Cesar Ramírez Cavaza Ed. Limusa Noriega Editores 1997. Human Factors in Engineering And Design Mark S. Sanders and Ernest j. McCormick Ed. Mc Graw Hill 7ª. Edición 1993. Diseño de elementos de maquinas Robert L. Mott Ed. Prentice Hall, México 1995. Análisis y síntesis de Mecanismos. Tomo I y II M. en C. Cándido Palacios Montufar Ed. Instituto Politécnico Nacional SEP. 1998 Diseño de maquinas Robert L. Norton Ed. Pearson, México 1999. Fundamentos de mecanismos y maquinas para ingenieros. Roque Celaron Pérez Mc Graw Hill 1999 Nylamid. Plásticos de Ingeniería http://www.nylamid.com.mx/ Principio de Flotación http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/arquimedes/arquimedes.htm Sillas Anfibias http://www.oasisllc.com/spanish/tiralo.htm Imágenes de las piscinas http://www.acquavita.com.br INEGI http://inegi.gob.mx


1
Anexo
84

Vistas de la estructura.


85

Propiedades del Nylamid 6/6 Anexo 2

R = Resiste RL = Resistencia Limitada NR = No Resiste

Norma Unidades

FISICAS ASTM Densidad D792 gr./cm3 1.15 Duereza Shore-D 80 Absorción de agua: En 24 Horas D570 % por

peso 0.3

Hasta saturación % por peso 7

MECANICAS Resistencia a la tensión D638 kg./cm2 808 Módulo de elasticidad a la tensión D638 kg./cm2 29,877

Resistencia a la compresión D695 kg./cm2 878 Resistencia a la flexión D790 kg./cm2 1,054 Módulo de elasticidad a la flexión D790 kg./cm2 31,690

Resistencia al impacto D256 kg./cm2 3.27

Limite PV kg./cm2 (m/s) 09.96

TERMICAS Coeficiente de expansión térmica 10-6/°C 99

Temperatura de servicio en aire °C 98

QUIMICAS Acidos suaves R acidos fuertes RL Alcalinos suaves RL Alcalinos fuertes NR Hidrocarburos R

Principales Propiedades Nylamid® 6/6


86

Propiedades del Nylamid 6/6 SL Anexo 3

Principales Propiedades Nylamid® 6/6 SL

R = Resiste RL = Resistencia Limitada NR = No Resiste

Norma Unidades

FISICAS ASTM Densidad D792 gr./cm3 1.16 Duereza Shore-D 85 Absorción de agua: En 24 Horas D570 % por

peso 0.3

Hasta saturación % por peso 7

MECANICAS Resistencia a la tensión D638 kg./cm2 878 Módulo de elasticidad a la tensión D638 kg./cm2 33,744

Resistencia a la compresión D695 kg./cm2 1,124 Resistencia a la flexión D790 kg./cm2 1,195 Módulo de elasticidad a la flexión D790 kg./cm2 32,394

Resistencia al impacto D256 kg./cm2 2.72

Limite PV kg./cm2 (m/s) 1.07

TERMICAS Coeficiente de expansión térmica 10-6/°C 72

Temperatura de servicio en aire °C 104

QUIMICAS Acidos suaves R acidos fuertes RL Alcalinos suaves RL Alcalinos fuertes NR Hidrocarburos R


87

Anexo 4

Especificaciones técnicas de los tubos de acero laminado.

DIAMETRO REAL DIAMETRO COMERCIAL PULGADAS MILIMETROS

CALIBRE ESPESORMM.

PESO KG/M.L.

PESOKG/PZA

18 1.24 0.96 5.76 1 1/4" 1.250 31.7 20 0.93 0.73 4.38 18 1.24 1.02 6.12 1 3/8" 1.315 33.4 20 0.93 0.77 4.62 18 1.24 1.16 6.96 1 1/2" 1.500 38.1 20 0.93 0.89 5.34 18 1.24 1.29 7.74 1 5/8" 1.660 42.2 20 0.93 0.98 5.88 14 1.92 2.27 13.62 16 1.54 1.83 10.98 18 1.24 1.48 8.88

2" 1.900 48.3

20 0.93 1.13 6.78 14 1.92 2.84 17.04 16 1.54 2.29 13.74 2 1/2" 2.375 60.3 18 1.24 1.85 11.10 14 1.92 3.42 20.52 16 1.54 2.78 16.68 3" 2.875 73.0 18 1.24 2.23 13.38 16 1.55 0.96 5.7 18 1.25 0.77 4.6 1" 1.000 25.4 20 0.95 0.58 3.5

Herrera Ruiz Miguel Angel - tesis.ipn.mx

Documents

Transcript of Herrera Ruiz Miguel Angel - tesis.ipn.mx