Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento es el modo peculiar en que un artefacto puede cumplir su o sus funciones. Incluye tanto las leyes y propiedades que rigen los procesos que en él o con él se llevan a cabo (su base causal), como la peculiar distribución de materiales con que se producen y controlan esos procesos (su diseño).

Rasgos principales

Un principio de funcionamiento involucra dos factores inseparables pero muy diferentes. El primero incluye información sobre las leyes y propiedades que rigen el proceso mediante el cual se lleva a cabo la función del artefacto, las relaciones de causa - efecto que aseguran que suceda céteris páribus. Esta base causal es un producto del saber humano, base que en el pasado fue predominantemente empírica y hoy es crecientemente científica. La explicación rigurosa de la base causal usualmente requiere de saberes científicos, pero el descubrimiento de la viabilidad de su uso práctico puede ser el resultado del azar o del ensayo y error. Puede no haber comprensión total de todos los detalles del proceso, pero necesariamente se deben saber las condiciones indispensables (sine qua non) para que pueda producirse.

El segundo factor abarca a los materiales y las fuentes de energía usados para el buen desarrollo y control del proceso. Ésto requiere un diseño que haga uso eficiente de las propiedades de los diferentes materiales usados en la construcción del artefacto y de su configuración espacial. El diseño determina la forma, distribución e interrelación de las partes, de los materiales con que están hechas, de las energías que se les aplican y de las fuentes de esas energías. El diseño depende de la base causal (que debe necesariamente respetar), de los materiales y energía disponibles y de sus costos, del lugar, lapso de tiempo y forma en que se usará el artefacto. Mientras que la base causal es genérica o universal, el diseño es específico o situado, depende de las circunstancias y de factores culturales como la estética y el simbolismo del artefacto. Por esta razón el diseño puede variar en el transcurso del tiempo.

La diferencia entre base causal y diseño se pone claramente de manifiesto durante el patentamiento de un artefacto. Por regla general las leyes de patentamiento sólo protegen contra copias del diseño y no son patentables las bases causales de un artefacto. Este principio se está poniendo a prueba en casos como el de un organismo genéticamente modificado donde se hacen borrosos los límites entre un proceso y su producto.

Dada la enorme variedad de los principios de funcionamiento en uso en artefactos, la descripción anterior es extremadamente compleja y abstracta. Para su buena comprensión, como se discute en el artículo cómo construir una definición; se necesitan también algunos ejemplos, como los que se dan a continuación.

Principio de funcionamiento usual (no el único posible) de una máquina de coser.

Máquina de coser

A veces el principio de funcionamiento requiere sólo un único proceso ingenioso, aunque su puesta en práctica en un artefacto pueda requerir una importante cantidad de mecanismos complejos. Éste es el caso del de la máquina de coser —imposible de describir sólo con palabras— que se ilustra en la siguiente animación. El principio consiste en el método de entrelazar dos hilos en sus puntos medios, cuando los extremos de ambos no están disponibles para hacer un proceso sencillo de enhebrado como en la costura manual con aguja. El proceso requiere la disponibilidad de dos hilos de fuentes diferentes: el de un carrete superior que es introducido a través de la tela por una aguja; de una bobina inferior alrededor del cual se enlaza el anterior. Los principales mecanismos adicionales involucrados son:

• un sistema de regulación de la tensión de los hilos de modo que el punto de entrecruzamiento quede en el interior de la tela;
• un sistema de desplazamiento regular de la tela que establece el tamaño de la puntada (distancia entre dos puntos sucesivos de entrecruzamiento);
• sistemas mecánicos que generen, de modo sincronizado, el movimiento oscilatorio de la aguja y el rotatorio de la bobina;
• una fuente de potencia que accione los mecanismos, que en las máquinas primitivas era un sistema accionado con los pies y en las actuales es un motor eléctrico regulado por un reóstato (resistencia variable).

Encendedores de fuego

Felicidad de Chuck Nolan (Tom Hanks) cuando logra encender fuego, en la película El Náufrago.

El encendido de fuego a voluntad es uno de los más destacables y antiguos logros técnicos de la especie humana. Se conocen varios principios de funcionamiento distintos desarrollados de modo independiente por diferentes etnias. A continuación se identifican brevemente, como ilustración, sólo 4 de ellos (hay más, véase LeroiGourhan ET1). Los 2 primeros métodos fueron probablemente descubiertos por azar, mientras que el tercero y el cuarto requieren de importantes saberes de Química y Física. Estos principios de funcionamiento, y sus modos peculiares de realización (los únicos patentables) son:

1. Calentamiento de un material por frotamiento prolongado, caso de la varilla giratoria usada todavía hoy por algunas tribus aborígenes para encender briznas bien secas. La base causal es el fenómeno físico de generación de calor por rozamiento, con el consiguiente aumento de temperatura. El diseño consiste en el mecanismo de arco y cuerda que hace rotar la varilla.
2. Generación de partículas incandescentes (chispas) por percusión o raspado rápido. Es el método del eslabón y pedernal usado en Europa hasta el siglo XIX para encender una yesca. Es también el mismo que el de los modernos encendedores de rueda dentada de acero que arranca chispas de una barrita de tierras raras, para encender un combustible líquido o gaseoso. La causa de la generación de calor no es aquí el rozamiento sino la aplicación muy concentrada de energía para arrancar pequeñas partículas que alcanzan altas temperaturas. El diseño hace uso de propiedades críticas para la generación de las chispas: la dureza del acero, la fragilidad de la aleación de tierras raras, la transmisión eficiente de la fuerza del pulgar.
3. Fósforos de madera. La base causal es la mezcla por frotacion de sustancias químicas, entre las que se destaca el fósforo (símbolo químico P), que inician una reacción exotérmica (generadora de calor) capaz de encender un un palito de madera. Son partes esenciales del dispositivo el palito de madera, las sustancias químicas adheridas a uno de sus extremos, la caja que contiene los palitos indebidamente llamado fósforos ya que éste está en el papel donde se frotan.
4. Generación de una descarga eléctrica por deformación de un material piezoeléctrico como el cuarzo, de uso generalizado en los encendedores para hornallas de gas y actualmente también en encendedores para cigarrillos. Las leyes físicas involucradas son complejas e involucran relaciones entre deformaciones y distribuciones de cargas eléctricas en trozos de cuarzo cristalino. El diseño requiere, además de un gas combustible, un método eficiente de aplicación localizada de fuerzas mediante la mano y de descarga de una chispa entre dos electrodos venciendo la resistencia del aire a la conducción, lo que requiere de elevados voltajes.

Fuentes

• Leroi-Gourhan, André; El Hombre y la materia (Evolución y técnica I); Taurus Ediciones, Grupo Santillana; Madrid (España); 1988; ISBN 9788430660070 (LeroiGourhan ET1).

Calefactores

La función principal de un calefactor aumentar la temperatura del aire de lo que lo rodea, su principio de funcionamiento es el medio de que se vale para generar calor (energía térmica). Los siguientes son algunos artefactos capaces de cumplir eficientemente esa función y sus principios de funcionamiento:

1. Estufa rusa. A semejanza de las tradicionales estufas a leña el calor se genera por combustión de madera o carbón. A diferencia de éstas, de muy baja eficiencia, el diseño del dispositivo permite una elevada transferencia de calor del aire a las paredes. Puede también funcionar con una variedad de combustibles de menor calidad, como briquetas de aserrín compactado.
2. Estufa eléctrica. El calor se genera por Efecto Joule, la transformación de la energía eléctrica en calor en una resistencia metálica que se lleva a la incandescencia con gran emisión de radiación infrarroja. Las primeras estufas tenían la resistencia expuesta al aire, lo que la oxidaba con mayor o menor rapidez según la aleación usada. Los diseños más modernos tienen las resistencias embutidas en tubos de cuarzo, lo que genera además una mayor superficie emisora. La eficiencia se mejora con la incorporación de pantallas que reflejan los rayos infrarrojos concentrándolos en un único lado de la estufa.
3. Calefactor a gas. La combustión de gas natural en una cámara calienta sus paredes. El diseño incluye válvulas de control de la salida de gas y de su encendido, así como la circulación por convección del aire calentado por las paredes de la cámara de combustión. La buena transmisión del calor de la cámara al aire forma parte del principio de funcionamiento, tema que se discute en el artículo Cómo aumentar la eficiencia de un calefactor a gas de tiro balanceado.
4. Calefacción central. Se calienta agua en una caldera alimentada por combustible líquido o gaseoso. El diseño incluye tuberías embutidas en los pisos de diferentes dependencias del edificio o radiadores expuestos al aire, así como las bombas que producen la circulación forzada del agua caliente.

Generadores de electricidad

Los siguientes son algunos de los artefactos capaces de generar electricidad cuando se los alimenta o propulsa con la forma apropiada de energía. Su complejo diseño no se discutirá aquí:

1. Dínamo. Basado en el Efecto Faraday.
2. Pila eléctrica. Basada en reacciones químicas capaces de separar las cargas eléctricas positivas de las negativas. Algunas de estas reacciones son reversibles (pilas y baterías recargables), otras no.
3. Celda fotovoltaica. Basada en el Efecto Fotoeléctrico por el que la luz solar puede generar la emisión de electrones en ciertos materiales.
4. Termocupla. Genera electricidad a partir del calentamiento de una juntura de dos metales diferentes. La causa es el Efecto Seebeck y se usa de modo generalizado como dispositivo de seguridad en calefactores y calefones a gas.

Véase también

• Principio de funcionamiento del motor eléctrico de corriente continua.

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