Fenómenos multifísicos.

En el ámbito de la investigación asociada al comportamiento de las máquinas, procesos y/o servicios es común encontrar situaciones de convergencia de fenómenos naturales, de nos llevan a considerar varías disciplinas de las ciencias físicas para tratar de lograr un conocimiento que nos acerque de forma satisfactoria a entender y explicar que esta sucediendo en dichos comportamientos.

De esta manera, no es difícil imaginar que la naturaleza nos presenta retos intelectuales todos los días, en el entendido que muchos de los comportamientos que observamos en máquinas, procesos y/o servicios nos llevan a considerar diferentes fenómenos físicos que actúan al mismo tiempo en el comportamiento de la entidad bajo estudio.

Fenómeno multifísico.

Definición.

Manifestación de una situación que se presenta en la naturaleza y que implica la convergencia de diferentes fenómenos físicos que actúan al mismo tiempo.

Por otra parte, la multifísica se reconoce cuando diversos procesos se encuentran acoplados y su definición amerita la aplicación y el estudio de más de un campo físico que ocurre simultáneamente. Como área de conocimiento la multifísica abarca distintas disciplinas de ciencia e ingeniería. En función del fenómeno de estudio y de lo que se desea obtener se deberá seleccionar apropiadamente la aplicación de las matemáticas, las ecuaciones diferenciales, las áreas física involucradas y los métodos de análisis numérico apropiados para lograr un planteamiento completo del comportamiento físico bajo estudio.

Por ejemplo, el ventilador industrial que se muestra en la siguiente figura presenta diversos fenómenos físicos que nos permiten comprender su comportamiento y las posibles situaciones futuras que se pudieran presentar, esto último es importante en la planeación del mantenimiento que pudiera recibir dicha máquina. El flujo de corriente eléctrica en el devanado del motor ocasiona un movimiento rotacional y un par mecánico que se transmite al eje del motor para lograr que el ventilador mueva sus aspas, gracias a la teoría de la Ley de Faraday se conoce el efecto físico que ocasiona el movimiento del motor eléctrico. Por otra parte, las aspas del ventilador se están flexionando debido a la resistencia del aire, por lo que la teoría del comportamiento de los materiales nos permite valorar las deformaciones cíclicas que debe de resistir el material de las aspas del ventilador. Así mismo, sin duda se genera una vibración mecánica al momento de que el ventilador gira, lo que ocasiona un debilitamiento estructural en el soporte del ventilador, así como otros efectos asociados al ruido acústico, al calentamiento del motor, y a la transferencia de energía para garantizar el acondicionamiento de aire deseado. Para lograr una comprensión plena del comportamiento del ventilador y sus efectos, es posible plantear el acoplamiento de fenómenos físicos mediante modelos matemáticos, lo que nos lleva a resolver las ecuaciones y analizar posibles escenarios mediante el uso de programas computacionales especializados.

Fig.1 Ventilador industrial.

Fenómenos cuasiestáticos.

Un proceso cuasiestático se define como una idealización de un proceso real que se lleva a cabo de tal modo que el sistema está en todo momento muy cerca del estado de equilibrio, como un proceso que se realiza en un número muy grande de pasos, o que lleva mucho tiempo [1].

No es difícil imaginar que, de acuerdo a la definición anterior, la naturaleza nos muestra una gran variedad de fenómenos cuasiestáticos, los cuales han motivado el desarrollo del conocimiento del ser humano para tratar de lograr una mayor comprensión de dichos fenómenos. A manera de ejemplo, en la siguiente tabla se muestran elementos a considerar de algunos fenómenos cuasiestáticos con el propósito de que el lector desarrolle sus capacidades para reconocer dichos fenómenos.

Tabla 1. Elementos de algunos fenómenos cuasiestáticos.

Fenómeno	Áreas de conocimiento	Motivo de estudio
Vibración de un puente peatonal.	Ingeniería civil. Vibraciones mecánicas. Resistencia estructural. Turbulencia del viento.	Conocer y valorar las causas que pueden ocasionar deterioros y/o colapso del puente.
Corte de metal mediante fresado tipo CNC.	Control numérico. Tecnología de materiales. Termodinámica. Corte y desgaste herramental.	Conocer y valorar las causas que pueden ocasionar el rompimiento de la herramienta.
Movimiento bajo el agua de un submarino.	Control inteligente. Mecánica de fluidos avanzada. Acústica oceánica. Resistencia de materiales. Física nuclear. Aerodinámica.	Conocer y valorar las condiciones para lograr un movimiento estable y silencioso del submarino bajo el agua en diversas profundidades.
Enfriamiento de un refrigerador.	Termodinámica. Control avanzado. Transferencia de calor. Tecnología de materiales. Ingeniería civil.	Conocer y valorar las condiciones que hacen posible mantener estable la función de refrigeración y el congelamiento de refrigerador.

Fenómenos evolutivos en el tiempo.

Dice un refrán popular mexicano: “más sabe el diablo por viejo, que por diablo”, haciendo referencia a que una persona anciana tiene mayor conocimiento por haber vivido más. Esto nos lleva a reconocer que la experiencia de una persona es un fenómeno evolutivo que está en constante cambio a medida que pasa el tiempo, esto es el resultado de aciertos, errores y vivencias que se van acumulando en nuestra memoria y que recordamos cuando necesitamos esa información. En pocas palabras, la vida misma es un fenómeno evolutivo con el paso del tiempo.

Evidentemente, también existen fenómenos sociales, culturales, económicos, astronómicos, biológicos, etc. que muestran una evolución o cambio a medida que pasa el tiempo, por lo que vale la pena mencionar que analizar esta serie de fenómenos queda fuera del alcance de este documento. Específicamente, nos centraremos en mencionar algunas características y/o elementos de fenómenos físicos que varían con respecto al tiempo.

Corrosión.

La degradación o deterioro que sufre un material mediante un ataque químico derivado por su exposición al medio ambiente. Este tipo de fenómeno comúnmente es más notorio en metales que están en contacto con aire y/o agua propiciando que el material rápidamente se oxide.

Fig.2 Corrosión en tuberías [2].

Fatiga de materiales.

Se refiere a un fenómeno de desgaste y/o debilitamiento de aquellos materiales que están expuestos a cargas dinámicas cíclicas. Prácticamente, todos los materiales utilizados en la elaboración de máquinas, dispositivos de transmisión de movimiento, sistemas electrónicos, hidráulicos, neumáticos, etc. presentan con el paso del tiempo algún tipo debilitamiento por el efecto ocasionado por los cambios de cargas dinámicas (fuerza o torque), de temperatura o humedad a los que están expuestos. Es conocido que los cambios de temperatura extremos en los dientes (comer un helado, tomar café caliente, etc.) hace los que dientes se contraigan y se expandan microscópicamente, de esta forma con el paso del tiempo se generan grietas que pueden incluso derivar en el rompimiento del diente.

Fig.3 Grieta derivada por fatiga térmica [3].

Desgaste por impacto.

Se refiere al deterioro que va sufriendo con el paso del tiempo de una superficie sólida que esta expuesta a golpes repetitivos al estar en contacto con otro objeto. Por ejemplo, una broca para perforar concreto o piedra es de un material especial para resistir el impacto y el aumento de temperatura al momento de que la superficie de la broca se talla con el material a perforar.

Fig.4 Brocas roscadas de perforación [4].

Degradación

Se refiere a una desintegración (corrosión sumamente lenta) de la materia mediante su transformación natural (o dirigida mediante procesos electroquímicos) a medida que pasa el tiempo. La degradación no se puede impedir debido a que existe una interacción molecular entre los materiales y el medio en donde éstos se encuentran. La interacción de máquinas, procesos, sistemas eléctricos, electrónicos, neumáticos, hidráulicos se encuentran en constante interacción con su medioambiente, de forma que dicha interacción propicia la degradación de la materia con el paso del tiempo.

Fig.5 Degradación natural de algunos objetos comunes [5].

Referencias.

[1] ehu.es, Procesos cuasiestáticos, Física estadística y termodinámica, sitio en internet: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/cuasiestatico/cuasiestatico.htm , consulta: 13/05/2022.

[2] nuflowmidwest.com, David Wiley, 3 Fall Plumbing Building Maintenance Tips, 13/08/2020, sitio en internet: https://www.nuflowmidwest.com/3-fall-plumbing-building-maintenance-tips , consulta: 16/05/2022.

[3] gcendo.com, fracture, sitio en internet: https://www.gcendo.com/glossary/fracture/ , consulta: 16/05/2022.

[4] acedrills.com, brocas roscadas de perforación: sitio en internet: http://www.acedrills.com/es/product-126.shtml , consulta: 16/05/2022.

[5] areaciencias.com, plástico biodegradable, sitio en internet: https://www.areaciencias.com/ecologia/plastico-biodegradable/ , consulta: 18/05/2022.