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.

Encendido 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).

Calefactor

La función de un calefactor es proporcionar calor a su entorno para aumentar su temperatura. Los siguientes son algunos principios de funcionamiento capaces de cumplir esa función:

1. Circulación de una corriente eléctrica por una resistencia (Efecto Joule), que emite radiación infrarroja.
2. Combustión de gas natural en una cámara cuyas paredes calientan el aire circundante por convección.
3. Circulación de agua caliente por tuberías que calientan el piso de una habitación.

Impulsor de un generador de electricidad

Aunque el principio de funcionamiento de un generador de electricidad es casi siempre el mismo (Efecto Faraday), los métodos para ponerlo en movimiento son bastante variados. Los siguientes son posibles principios de funcionamiento de esos impulsores:

1. Rueda de paletas movida por una corriente de agua (rueda hidráulica).
2. Turbina movida por una corriente de gas de alta presión generada por combustión (usina térmica a gas).
3. Turbina movida por una corriente de agua de alta presión acumulada por una represa (usina hidráulica).
4. Reacción química que genera la circulación de partículas cargadas (pilas y baterías eléctricas).