ESTRUCTURAS

 1.- ESTRUCTURAS

Si aplastamos la goma de borrar con los dedos estamos aplicando una fuerza capaz de deformarla. Si empujamos el lápiz con un dedo, la fuerza provoca su desplazamiento; la Tierra nos atrae con una fuerza (la de la gravedad) proporcional a la cantidad de materia (masa) de nuestro cuerpo... En el mundo existen innumerables ejemplos de lo que llamamos fuerza, pero: ¿qué es realmente una fuerza?

Los productos tecnológicos, por sencillo que sean, han de disponer de un esqueleto o armazón que soporte su propio peso, lo proteja frente a fuerzas externas y, además, mantenga unidos todos sus elementos. Dicho de otro modo, todo objeto debe poseer una estructura que soporte las fuerzas a las que se ve sometido.

Por consiguiente, las FUNCIONES DE UNA ESTRUCTURA pueden ser muchas y variadas, entre las que destacamos:

- Soportar el peso de los elementos sobre la estructura, y de la propia estructura. Ejemplos: los pilares de un puente, la estructura de un edificio....

- Resistir fuerzas externas, como en el caso de la pared de una presa o dique que soporta la fuerza del agua contenida, los rompeolas...

- Salvar obstáculos: puentes, viales, túneles...

- Almacenar materiales, como por ejemplo, las bombonas de gases licuados, botellas de plástico, latas de refrescos, estanterías...

 - Mantener y proporcionar la forma: Las estructuras deben de ser capaces de soportar pesos y resistir

fuerzas sin llegar a deformarse en exceso. Algunos ejemplos incluyen nuestro esqueleto, los tirantes de un puente, las varillas de un paraguas, de una tienda de campaña ...

- Servir de protección: el chasis de un automóvil protege a los pasajeros, la carcasa de un móvil protege los elementos electrónicos de su interior...

- Cerrar espacios vacíos: cúpulas, bóvedas...

Las estructuras están presentes en todo lo que nos rodea pudiéndolas encontrar tanto en los seres vivos como en los objetos: caparazón de un caracol, tronco de un árbol, máquinas, muebles, edificios, etc.. De ahí que las estructuras suelen clasificarse atendiendo a su origen en:

- Estructuras naturales: de origen animal (nidos de aves, presas de los castores, colonias de corales, túneles de los topos y ratones, huevos de aves, panales de abejas, caparazones....); vegetal (troncos, ramas de árboles y arbustos, tallos de plantas....); y geológico (cuevas, arcos naturales, montañas.....) 

- Estructuras artificiales: Son las creadas por el hombre. Seguro que se te ocurren muchos ejemplos:

puentes, barcos, edificios, torres, carcasas...Estudiaremos éstas en un apartado posterior.

Mapa conceptual

1.1.- Condiciones que debe reunir una estructura

Para que una estructura realice correctamente sus funciones de ser: Resistente, rígida y estable

a) Resistencia. Tiene que soportar sin romperse los esfuerzos a los que está sometida.

b) Rigidez. Tiene que mantener la forma sin que las deformaciones le impidan cumplir la función a la que está destinada.

c) Estable. Se debe de mantener en equilibrio, sin volcarse ni caerse.

2.- TIPOS DE ESTRUCTURAS ARTIFICIALES

A lo largo de la historia se han empleado diferentes tipos de estructuras para las edificaciones, desde las chozas de pieles, madera y piedras, hasta los castillos hinchables y cúpulas geodésicas, pasando por los acueductos, castillos, grandes catedrales, puentes colgantes...

2.1.- Estructuras masivas y adinteladas: son aquellas en las que predomina una gran concentración de material, principalmente piedras de gran tamaño, como pirámides, dólmenes, panteones, etc. Se caracterizan por ser macizas, estables y muy pesadas. Son muy resistentes a esfuerzos de compresión y emplean mármol, granito, hormigón, piedras, etc. Como elementos estructurales utilizan columnas y dinteles. Empleos de esta estructuras son las pirámides de Egipto y los templos griegos.

2.2.- Estructuras abovedadas: son aquellas en las que predominan los arcos, bóvedas y cúpulas como elementos de soporte y sujeción. Estas estructuras permiten cubrir espacios mayores y aumentar los huecos entre los elementos de soporte como pilares y columnas.

2.3.- Estructuras entramadas: están formadas por un conjuntos de perfiles de diferentes materiales, que se entrecruzan entre sí formando mallas o entramados. Los elementos estructurales que se utilizan son principalmente pilares, vigas, viguetas, forjados, cimentaciones, etc.  

Su empleo permitió una gran disminución de peso respecto  a las estructuras masivas o abovedadas, lo que se tradujo en la posibilidad de aumentar la altura de las. Son las estructuras empleadas en los edificios de bloques de pisos de hoy en día.

2.4.- Estructuras trianguladas: Son estructuras planas o reticulares formadas por perfiles,

mediante la repetición de formas triangulares. Se caracterizan por su gran rigidez y ligereza. Habitualmente están hechas de acero, por su gran resistencia a la compresión y a la tracción, y gran variedad de barras y perfiles. Son ejemplos de estructuras trianguladas: las cerchas, vigas trianguladas, grúas, andamios, norias, ciertos puentes, torretas de alta tensión y de telefonía...

2.5.- Estructuras colgantes: son aquellas formadas sustentadas por cables o tensores y otros elementos de soportes como grandes pilares. Se basan en empleo de elementos tipo cable o cuerda, denominados tirantes; que funcionan únicamente a tracción y sirven para sustentar otros elementos. Es la estructura típica de los puentes colgantes.

2.6.- Estructuras laminares: pueden considerarse como la forma material tomada por envoltura de un volumen limitado por una superficie curva. Son superficies delgadas curvas de pequeño espesor, comparado con las dimensiones globales de la estructura, que resisten, por su forma, las cargas de peso propio y las cargas exteriores.

2.7.- Estructuras geodésicas. Son estructuras trianguladas tridimensionales que combinan las propiedades de las bóvedas y de las estructuras de barra.

En las cúpulas geodésicas, los triángulos forman elementos hexagonales y pentagonales, cuyos vértices deben coincidir, todos, con la superficie de una esfera.

Cuanto más grande es una cúpula geodésica, más resistente se vuelve. Es la única forma de estructura que puede cubrir grandes extensiones sin la necesidad de soportes interiores, tales como pilares.

 

2.8.- Estructuras neumáticas. Consisten en una delgada pared de material compuesto, llamada membrana, que contienen aire a presión en su interior. Este aire es el que sujeta la propia estructura sometiendo a la membrana a esfuerzos de tracción.

La construcciones neumáticas pueden estar hinchadas o soportadas por el aire a presión. En ambos casos, este tipo de estructuras poseen un peso estructural extremadamente bajo y el tiempo de montaje/desmontaje es muy corto, lo  las hace fácil de trasladar y de almacenar después de su uso.

Así se emplean en embarcaciones neumáticas, ruedas de vehículos, atracciones infantiles, colchones de aire, carpas, cubiertas de escenarios....

3.- FUERZAS, CARGAS Y ESFUERZOS.-

Las estructuras se ven sometidas a fuerzas externas, tales como pesos de objetos situados sobre ellas, su propio peso, la fuerza del viento, del oleaje...etc. Así, la estructura de un edificio habrá de soportar el peso de todos los elementos del edificio (vigas, pilares, ladrillos...), el peso de las personas, los muebles, la fuerza del viento....

3.1.- Fuerzas

Llamamos fuerza a todo aquello que deforma o presiona los cuerpos o que puede cambiar su movimiento; por ejemplo, aumentando su velocidad, frenándolo o haciendo que cambie de dirección.

Hay fuerzas, como la gravedad o las fuerzas eléctricas, que actúan a distancia. Otras lo hacen mediante contacto directo entre los cuerpos; por ejemplo, el impulso que se le da a una pelota cuando se golpea con el pie, o de la fuerza necesaria para elevar un ascensor.

Componentes de una fuerza, son:

- Su magnitud o módulo, es decir, el valor que tiene, medido en las unidades adecuadas.

- Su dirección, la línea en la que actúa.

- Su sentido, izquierda o derecha, arriba o abajo.

- Su punto de aplicación, el lugar donde se concentra su acción.

- Las fuerzas se representan mediante flechas en las que se señalan estos componentes.

3.2.- Cargas 

Las fuerzas externas  aplicadas sobre las estructuras se les denominan cargas.

Tipos de cargas:

- Las cargas fijas: no varían con el paso del tiempo y siempre afectan a la estructura de la misma manera. Por ejemplo, el peso de la propia estructura.

- Las cargas variables: cambian con el tiempo, unas veces actúan y otras no, y no siempre tienen la misma magnitud. Por ejemplo, el peso de los vehículos que cruzan un puente, el empuje del agua almacenada en un embalse, el empuje del viento, etc.

3.3.- Esfuerzos

Las cargas que soportan las estructuras generan fuerzas internas en la propia estructura (tensiones), que tienden a deformarlas y/o romperlas. A estas fuerzas internas producidas por las cargas se las llaman esfuerzos.

Imagínate que tu compañero te tira de un dedo de la mano. Los huesos de tu mano conformarían la estructura, mientras que la fuerza externa que hace tu compañero sería la carga. El esfuerzo sería la tensión que notas en el dedo, que te causa cierta molestia. Si tu compañero hiciese mucha fuerza, el esfuerzo que sufrirías podría llegar a doblarte, luxarte o romperte el dedo.

Tipos de esfuerzo

Los tipos de esfuerzos más importantes, que veremos son: tracción, compresión, flexión, torsión, cizalla y pandeo.

a) Tracción: la fuerza tiene a alargar el objeto. Es el esfuerzo que aparece cuando las cargas actúan en la misma dirección y sentidos opuestos hacia el exterior del  objeto.

Ejemplos: cable del que cuelga un peso, tirantes y tensores de un puente, cadenas de un columpio, cable

de una tirolina....

b) Compresión:  la fuerza tiende a acortar el objeto. Este esfuerzo aparece cuando las cargas actúan en la misma dirección y sentidos opuestos hacia el interior de un cuerpo.

Ejemplos: tus piernas al estar de pié, patas de una mesa o silla, dovelas de un arco, contrafuertes, arbotantes...

c) Flexión: la fuerza tiende a curvar o doblar el objeto. Es el esfuerzo al que se ve sometido un elemento de una estructura cuando sobre él actúan dos fuerzas separadas cierta distancia la una de la otra, y a una tercera fuerza entre ellas de sentido contrario. Es por lo tanto una combinación del esfuerzo de compresión y tracción, ya que, al doblarse, una parte de la estructura estará sometida a compresión y otra a tracción.

Ejemplos: los estantes de una estantería al colocar libros sobre él, el tablero de un puente, vigas y dinteles de un edificio...

d) Torsión: la fuerza tiende a retorcer el objeto, de manera que las secciones contiguas del objeto se deslizan unas sobre otras.

Ejemplos: ejes de un motor, de una rueda, llave al girar la cerradura, punta del destornillador al girarlo,

manivela...

d) Cizalla o cortadura: la fuerza tiende a cortar el objeto. Se produce cuando, en un punto cercano, se aplican fuerzas opuestas en sentido y perpendiculares al elemento. De esa manera una parte de la estructura tiende a deslizarse sobre la otra, haciendo que las partículas del material tiendan a desplazarse las unas sobre las otras.

Ejemplos: las tijeras al cortar, puntos de unión de vigas con pilares, mina del lápiz al escribir, dientes de una sierra al cortar madera, clavo o alcayata del que cuelga un peso....

e) Pandeo: esfuerzo que aparece sobre elementos esbeltos (con alta relación longitud/sección) sometidos a  compresión, en el que aparecen desplazamientos transversales a la dirección de la compresión. Se considera como una esfuerzo de flexión resultante de una compresión. Puedes observarlo fácilmente si  comprimes una regla graduada, un espagueti, o una pajita por sus extremos.

Ejemplos: chapas metálicas, barras, muelles, columnas, y pilares largos sometidos a compresión..

4.- PROPIEDADES BÁSICAS DE LAS ESTRUCTURAS

Para que una estructura realice correctamente sus funciones ha de ser: Resistente, rígida y estable

4.1. RESISTENCIA

La resistencia mecánica de una estructura es la capacidad de una estructura de soportar las cargas a las que se ve sometida sin romperse. Dicha resistencia de la estructura depende de:

- Tipo de material: Los materiales responden de distinta forma a los esfuerzos que tienen que soportar.

Para fabricar elementos que tengan que soportar la tracción (cables o tirantes) se empleara el acero o fibras sintéticas. Para fabricar vigas que soportan esfuerzos de flexión, se empleará madera que resiste bien la flexión.

- Cantidad de material. El cálculo de estructuras consiste en conseguir la mayor resistencia de una estructura utilizando para ello la menor cantidad posible de material.

- Forma de la estructura

4.2. RIGIDEZ

La rigidez es la capacidad de una estructura de soportar las cargas a las que se ve sometida sin deformarse, i.e. sin cambiar de forma. Está íntimamente relacionada con la forma de la estructura. Así, por ejemplo, cuanto más canto tenga una viga mayor será su rigidez.

¿Te has fijado alguna vez en la forma en que se disponen las barras de una grúa, una torre de alta tensión....? Una estructura con forma de polígono distinta al triángulo (por ejemplo un cuadrado, figura A) se deformará al aplicarle una fuerza (figura B) sobre sus vértices. ¿pasará lo mismo en la figura C?

El triángulo es el único polígono que no se deforma cuando se aplica una fuerza en sus vértices. 

Por consiguiente, se puede obtener estructuras rígidas  haciendo que los elementos estructurales formen

triángulos indeformables (figura C), constituyendo estructuras planas o reticulares. Esta técnica, denominada triangulación, está asociada a aquellas estructuras de barras o perfiles tales como cerchas o

armaduras..

4.3. ESTABILIDAD

La estabilidad es la capacidad de una estructura de, al verse sometida a cargas, mantenerse en su posición original sin desmoronarse o caerse; es decir, de no variar su posición.

Hay varios modos de asegurar la estabilidad de una estructura, dos de los cuales parecen obvios: anclar la estructura a un elemento fijo (por ejemplo el suelo o una pared) o colocarle tirantes.

Además, la estabilidad está relacionada claramente con el centro de gravedad (o punto virtual en el que podemos representar todo el peso del objeto).

La Tierra atrae a todas y cada una de las partículas que forman un cuerpo; a esta fuerza de atracción la llamamos gravedad. Sin embargo, existe un punto en el cual podemos considerar que se concentra dicha fuerza. Es punto se llama centro de gravedad.

El centro de gravedad de un cuerpo es un punto imaginario en el que podemos considerar que se concentra todo el peso del cuerpo.

En general se cumplen las siguientes normas:

- Cuanto mayor sea la base sobre la que se apoya, mayor será la estabilidad de la estructura.

- Cuanto más abajo se sitúe el centro de gravedad más estable será la estructura. De ese modo se concentra casi toda la masa de la estructura cerca de la base.

- El centro de gravedad debe situarse dentro de la base. Sino es así, la estructura será inestable, y por lo tanto, automáticamente volcará.

5.- ELEMENTOS ARQUITECTÓNICOS

Como ya hemos visto, la misión que ha de cumplir cualquier estructura es la de soportar las cargas a las que está sometida, sin romperse, volcarse ni deformarse en exceso.

Para ello existen una serie de elementos que forman parte de la mayoría de las estructuras y que son los encargados de darle la suficiente resistencia, rigidez y estabilidad. Los principales son:

- Cimentación: es el conjunto de elementos encargados de soportar y repartir en el suelo todo el peso de la  estructura, impidiendo que ésta sufra movimientos importantes. Los cimientos proporcionan una superficie a la que se anclan todos los demás elementos de la estructura de los edificios. Dicha cimentación dependerá  del tipo de terreno sobre el que se asienta la estructura, así como del peso y del tipo de obra.

- Zapata: Cubo de hormigón que aumenta la superficie de apoyo de un pilar. Se emplea en cimentaciones cerca de la superficie del suelo, cuando el terreno es resistente (capaz de soportar pesos elevados).

-  Pilote: Elemento estructural alargado, normalmente de hormigón armado y sección circular, incrustado en el terreno para transmitir las cargas de un edificio. Se usa cuando no es posible la cimentación superficial, en terrenos blandos, ya sea para transmitir las cargas de la estructura a través de suelos poco firmes hasta estratos más profundos y resistentes, o repartir las cargas y, así, soportar la estructura con seguridad.

- Pilar: Elemento constructivo en forma de barra que se apoya verticalmente, cuya función es la de soportar el peso de otras partes de la estructura y transmitirla a la cimentación. Los pilares, tienen sección poligonal (cuadrada, rectangular...). Cuando la sección es más o menos circular recibe el nombre de columna.

- Viga: Elemento estructural con forma de barra que se coloca horizontalmente y se apoya sobre columnas y pilares. Al igual que en el caso de dinteles, y viguetas, en las vigas los principales esfuerzos (flexión) se dan en su parte central.

- Vigueta: Elemento constructivo con forma de barra quese coloca horizontalmente y se apoya sobre las vigas.

- Dintel: Elemento estructural horizontal, con forma de viga maciza que se apoya horizontalmente sobre dos  soportes verticales (jambas) y que cierra huecos tales como ventanas y puertas.

- Forjado: Elemento horizontal (o inclinado, en cubiertas), que forma parte de la estructura horizontal de las diferentes plantas de un edificio. Su función es transmitir las cargas verticales y horizontales hacia otros elementos estructurales (viguetas, vigas, pilares...) que, a

su vez, las transmitirán hacia el suelo. Generalmente están formados por vigas y viguetas de hormigón armado, bovedillas y una capa de compresión de hormigón ligeramente armada.

- Tirantes: Elemento constructivo que está sometido principalmente a esfuerzos de tracción.

- Perfiles: barras, normalmente metálicas, de distintas secciones que se emplean para conseguir estructuras más ligeras que soportan grandes pesos con poca cantidad de material.

- Cerchas: composición de barras rectas unidas entre sí en sus extremos formando triángulos planos o pirámides tridimensionales para constituir un armazón rígido reticular. Se diseñan de modo que sean capaces de soportar cargas aplicadas sobre las uniones (llamadas nodos). Todos los elementos trabajan a tracción o compresión sin la presencia de flexión y cizalla. Son una de las principales estructuras usadas en ingeniería, por su rigidez y poco peso.

- Arco: Elemento estructural de forma curvada, que salva el espacio entre dos pilares o muros. Es muy útil para salvar espacios relativamente grandes con piezas pequeñas en forma de cuña llamadas dovelas. La moldura sobre los que se apoya el arco se denomina imposta.

El arco, trabaja siempre a compresión, transmitiendo las cargas que recibe a los puntos de apoyo perpendicularmente y hacia el exterior.

Los arcos pueden adoptar formas curvas diversas, dando origen a múltiples tipos de arco.

- Bóveda: elemento arquitectónico de forma curva, que sirve para cubrir el espacio comprendido entre dos muros o una serie de pilares alineados. Puede formarse por la rotación de un arco (cúpula), por su desplazamiento a lo largo de un eje o por la intersección

de varios arcos o bóvedas.

- Cúpula o bóveda esférica: elemento arquitectónico que se utiliza para cubrir un espacio de planta circular, cuadrada, poligonal o elíptica.

Los metales

 

1.- INTRODUCCIÓN.-

En el ámbito de la química, se conocen como metales o metálicos a aquellos elementos de la Tabla Periódica que se caracterizan por ser buenos conductores de la electricidad y del calor. Estos elementos tienen altas densidades y son generalmente sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio). Muchos, además, pueden reflejar la luz, lo cual les otorga su brillo característico.

Los metales son los elementos más numerosos de la Tabla Periódica y algunos forman parte de los más abundantes de la corteza terrestre. Una parte de ellos suele hallarse en estado de mayor o menor pureza en la naturaleza, aunque la mayoría forma parte de minerales del subsuelo terrestre y deben ser separados por el ser humano para utilizarlos.

Incluso las aleaciones de un metal con otro (o con un no metal) continúan siendo materiales metálicos, como es el caso del acero y el bronce, aunque sean mezclas homogéneas.

Los metales han servido a la humanidad desde tiempos inmemoriales gracias a su carácter idóneo para formar herramientas, estatuas o estructuras de todo tipo, debido a sus particulares propiedades físicas

1.1.- Evolución de los metales y sus aplicaciones.

 El descubrimientos de los metales a lo largo de la historia del ser humano supuso un gran avance en la evolución de la humanidad y permitió grandes mejorar en la forma de vida.

   

La Edad de los Metales es un período prehistórico, posterior a la Edad de Piedra y anterior a la Edad Antigua y constituye la etapa final de la Prehistoria, que comprende tres grandes períodos: la Edad del Cobre, la Edad del Bronce y la Edad del Hierro, y se caracteriza por la utilización del metal en utensilios y armas.

-L- La edad del Cobre (4000 a.C.): El primer metal que el hombre conoció y empezó a utilizar en su vida cotidiana fue el cobre, por eso se conoció este período como la Edad de Cobre, la cual empezó aproximadamente en los años 4.000 a.C. después de la Edad de Piedra.

-- - La edad del Bronce (3000 a.C): Luego que conocieron el proceso para separar o unir metales, experimentaron uniendo distintos metales y minerales para crear así un material más resistente. Fue así como surgió la creación del bronce, el cual se logra con la aleación del cobre (90%) con estaño (10%). De esta manera se dio origen a lo que se conoce como la Edad de Bronce, y a partir de entonces fue el material que más se utilizaba.

  

     - La edad del Hierro (2000 a.C): se hizo un gran esfuerzo por mejorar los hornos. Una vez que lo logran, conocen el hierro, mineral mucho más fuerte y resistente que los anteriores. Fue así como se dio inicio a la Edad de Hierro, por lograr fundir este mineral y crear objetos con el mismo.

2.- COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES

Los materiales metálicos son aquellos que están constituidos por uno o más metales, aunque pueden contener otros componentes no metálicos, como, por ejemplo, carbono.

De entre todos los metales sobresalen el hierro y sus aleaciones porque suponen el 90% de la producción mundial de metales. Esto es consecuencia de las ventajas que tiene el hierro para la industria: es abundante, es barato y mejora sus propiedades al formar aleaciones. Por esta razón clasificaremos los metales en:

a) Materiales metálicos férricos: aquellos materiales cuyo principal componente es el hierro. Aquí se encuentran: el hierro dulce, los aceros y las fundiciones.

b) Materiales metálicos no férricos: aquellos que no contienen hierro en su composición. Por ejemplo: aluminio, el cobre o el bronce.

2.1.- Propiedades de los materiales metálicos

Los metales son materiales con unas propiedades especiales, esto hace que sean tan utilizados. Algunas de estas propiedades son: 

-Conductividad eléctrica: Los metales son buenos conductores eléctricos, porque dejan pasar la electricidad muy fácilmente a través de su estructura. 

-Conductividad térmica: Los metales permiten el paso del calor por su interior, por eso son buenos conductores térmicos. 

-Brillo característico: Algunos metales tienen un brillo característico, y otros pueden ser pulidos para que consigan ese brillo. Este brillo se llama brillo metálico. 

- Resistencia: la mayoría de metales tienen buena resistencia a esfuerzos, soportando altas cargas. 

- Ductilidad: los metales suelen ser dúctiles, es decir, que se pueden deformar en hilos. 

- Maleabilidad: se pueden deformar en láminas delgadas y finas. Son maleables. 

- Sólidos: Todos los metales son sólidos a temperatura ambiental, excepto el mercurio, que es el único metal líquido a esta temperatura. 

- Comportamiento magnético: algunos metales tienen comportamiento magnético, esto es, que son capaces atraer a otros metales, o de ser atraídos por imanes. -Fusibilidad: es decir que se pueden fundir o cambiar a estado líquido. 

- Dilatación: propiedad que indica que aumentan de tamaño con el aumento de la temperatura. 

- Oxidables: La mayoría de metales suelen tener alto coeficiente de oxidación, es decir, que se oxidan o reaccionan con el oxígeno con facilidad. 

- Reciclables: Unas vez utilizados pueden volver a fundirse y fabricarse una nueva pieza con ellos. 

 2.2.- Aleaciones

La mayoría de los metales no se emplean en estado puro sino en aleaciones, es decir, formando una mezcla homogénea con otros metales o no metales, obtenida a partir de la fusión de ambos.

Las aleaciones son materiales metálicos que se obtienen al fundir un metal con otros materiales, casi siempre otros metales. El material que resulta también tiene características metálicas y, además, tiene ciertas propiedades que no tenían sus componentes por separado.

3.- OBTENCIÓN DE LOS METALES

La materia prima para obtener los metales son los minerales. Según el mineral que se trate se obtendrá un metal u otro. Cada metal se extrae de un mineral concreto. 

Durante la formación de la tierra los metales se encontraban fundidos. Estos metales fueron llegando desde el espacio exterior transportados por los meteoritos y cometas que chocaban con nuestro planeta. Estos metales se mezclaron con otros elementos y al solidificar formaron los minerales de los que se obtienen los metales. 

Los minerales están formados por dos partes: 

- MENA: Parte útil del mineral. De donde se obtiene el metal puro. 

- GANGA: Parte inútil del mineral. Formada por otros elementos que no son útiles. Esto formará la escoria durante el proceso de fundición. 

Los metales se obtienen de los minerales mediante dos técnicas fundamentales: 

- METALURGIA: Ciencia encargada de la extracción de los metales a partir de sus minerales y transformarlos en productos útiles para la actividad técnica.                                                                        - SIDERURGIA: parte de la metalurgia encargada de la extracción del hierro y sus derivados.

Los minerales se encuentran en la corteza terrestre, en la superficie o enterrados en ella, y se extraen en las minas, utilizando distintas técnicas de minería. 

Las minas pueden ser: 

- Minas subterráneas: cuando el filón de mineral útil se encuentra enterrados en capas profundas. Se cavan varios pozos y galerías para llegar hasta el filón de mineral y poder sacarlo al exterior mediante remontes mecánicos. Se emplean excavadoras, explosivos, volquetes especiales. 

- Minas a cielo abierto: Cuando el mineral se encuentra en la superficie de la tierra se utilizan minas a cielo abierto, que consiste en excavar un hoyo que en ocasiones llega a ser muy grande, eliminando toda la tierra que cubre el mineral. Las canteras son minas de este tipo: granito o mármol. Se emplean grandes excavadoras y camiones para remover la tierra que cubre el mineral.

3.1.- Formas comerciales.-

    Las formas más habituales en las que podemos encontrar los materiales metálicos en el mercado son:

- Largos: barras de distintas secciones, si su diámetro es muy pequeño se llaman alambres.

- Planos: superficies planas de distintos espesores.

- Perfiles: forma de U, T, triangular, etc.

- Lingotes: se obtienen vaciando el metal fundido en moldes y dejando que solidifique.

3.2.- Impacto medioambiental.-

El empleo de metales produce un impacto en la diferentes fases de su producción y empleo:

- Durante la extracción de minerales: las canteras y minas a cielo abierto mueven una gran cantidad de tierra, generan gran cantidad de polvo y alteran el paisaje.

- Durante el proceso de producción de los metales: los altos hornos producen los siguientes efectos:

   a) una gran cantidad de gases contaminantes que se expanden por la atmósfera y luego ocasionan la lluvia ácida. 

      b) Consumo de energía (electricidad). 

      c) Producción de escorias, lodos y vertidos, que pueden contener metales pesados, que son tóxicos y perjudiciales para la flora y la fauna.

- Productos de desecho: todos los procesos industriales que utilizan metales producen una gran cantidad de residuos y desechos de piezas, componentes, envases, pilas, baterías, vehículos viejos, maquinaria, barcos, electrodomésticos, etc.

Por eso es importante el reciclado y aprovechamiento de los materiales metálicos y sus derivados.
También se debe considerar la reutilización de productos reparados y que todavía no han llegado al final de su vida comercial o de operación. De esta forma se reduce la cantidad de materia prima que se extrae de la naturaleza, se reduce la cantidad de energía necesaria para fabricar nuevos productos y se reduce la contaminación.

4.- LOS METALES FÉRRICOS.-

Son aquellos metales que tienen hierro o se obtienen a partir del hierro. El hierro no se encuentra en la naturaleza en estado puro, sino combinado con otros elementos químicos, formando minerales, como la pirita, la magnetita, la siderita, la hematita y la limonita. Estos metales son:

a) Hierro. El hierro es un elemento químico, de color grisáceo que se oxida muy fácilmente. Es frágil, quebradizo y es difícil de trabajar con él, además de tener una alta temperatura de fusión. Tiene buenas propiedades magnéticas. Este metal se obtiene de minerales como la siderita y la ferrita. Tiene pocas aplicaciones industriales, dadas sus bajas propiedades mecánicas y su difícil obtención, se utiliza sólo para componentes electrónicos y para fabricar los derivados del hierro.

b) Acero. Es una aleación de hierro y carbono, aunque con un máximo en carbono de 1’76%. Mejora su resistencia, su dureza. Se puede fabricar acero aleado, con otros elementos como el cromo que hace que el acero sea inoxidable. Se utiliza para construcción, herramientas, vigas, estructuras, etc.

c) Fundiciones. Es una aleación de hierro y carbono, con más de 1’76% de carbono. Son aleaciones muy duras y resistentes al desgaste. Se funden a temperaturas mas bajas, por eso se llaman así y se le puede dar forma más fácilmente. Se emplea para hacer los motores, bancos, farolas, etc. 

Proceso de obtención de los metales férricos o ferrosos. 

Este proceso también se llama proceso siderúrgico, y consta de una serie de pasos hasta la obtención del acero o fundición. 

En primer lugar, el mineral de hierro se mezcla con roca caliza y carbón mineral también llamado coque y se introduce todo en un alto horno, donde el metal se funde y se acumula en la parte inferior del horno (crisol). La roca caliza y la ganga del mineral se quema formando la escoria que flota sobre el metal fundido e impide que este se oxide. Para alcanzar la temperatura de fusión del hierro es necesario introducir aire en el horno a través de las toberas. 

El metal fundido se denomina arrabio, y es extraído del horno por la piquera y vertido en un cubilote. Este metal se lleva a un horno eléctrico o a un horno de inyección de oxígeno (convertidor), donde se mezcla con acero reciclado (chatarra) para formar el nuevo acero o fundición, dependiendo del % del carbono que adquiera la mezcla. 

5.- METALES NO FÉRRICOS.-

    Son otros metales que no tienen hierro. Esto metales tienen otras propiedades que son útiles, pero son menos abundantes y más costosas de extraer. Se clasifican según su densidad, es decir, según lo que pesen. 

a) Metales pesados. 

-Cobre: Se obtiene de la cuprita. Es muy buen conductor térmico y eléctrico y muy maleable y dúctil. (se deforma muy fácilmente) Se oxida con facilidad. Se utiliza para cables, tuberías y para hacer aleaciones. 

-Latón: Aleación de cobre y cinc. Es menos oxidable que el cobre y se usa para calderas y radiadores. 

-Bronce: Aleación de cobre y estaño. Muy resistente a la corrosión y a los esfuerzos. Se utiliza para hélices de barcos, campanas, etc. 

-Plomo: Se obtiene de la galena y es muy pesado. Tiene gran plasticidad y es muy maleable y tóxico. Se usa en baterías de coches, trajes de radiación y en cristalerías. 

-Estaño: Se obtiene de la casiterita. Muy maleable y que no se oxida. Se usa para fabricar el papel de estaño, para soldaduras y para la hojalata, que es una capa de acero recubierta de estaño para evitar que se oxide. 

-Cinc: Metal que se extrae de la blenda. Es muy frágil, poco duro, pero muy inoxidable. Se usa para hacer el acero galvanizado, que es una pieza de acero recubierta por cinc para evitar que se oxide. 

b) Metales ligeros. 

-Aluminio: Se extrae de la bauxita. Metal con muy buena resistencia a la corrosión, muy dúctil y maleable. Buena resistencia en relación con su peso y buena conductividad térmica y eléctrica. Se utiliza para cables de alta tensión y piezas de aviones y vehículos. 

-Titanio: Metal que se obtiene del rutilo. Es muy duro y resistente, ligero e hipoalergénico. Se usa en arquitectura, tecnología aeroespacial y en medicina para hacer las prótesis. 

-Magnesio: Se obtiene de la magnesita. Es muy ligero, blando y maleable. Poco resistente y reacciona explosivamente con el oxígeno. Se utiliza para crear aleaciones resistentes y ligeras, construcción de vehículos especializados y la industria pirotécnica

c) Aleaciones ultraligeras.-

Son aleaciones de magnesio con manganeso, litio, cobre, zinc, aluminio, etc. Tienen la misma resistencia que los aceros, pero son considerablemente menos pesados que ellos. Su uso en transportes ha permitido aumentar la velocidad y reducir el consumo energético.

6.- FABRICACIÓN INDUSTRIAL CON METALES.-

Las técnicas de conformación de los metales son el conjunto de técnicas o trabajos que hay que hacer con un metal para darle la forma final que deseamos. 

Existen numerosas técnicas, la cuales se pueden realizar en frío o en caliente: 

• Técnicas de conformación en frío: Se hacen con los metales por debajo de la temperatura de fusión del metal. 

• Técnicas de conformación en caliente: Se hacen con los metales cerca de su temperatura de fusión, aunque aún en estado sólido. Con esta técnica resulta mucho más fácil darle la forma deseada. 

Algunas de estas técnicas son: 

a) CONFORMACIÓN POR MOLDEO. Consiste en introducir el metal fundido dentro de un molde, que tiene un hueco interior con la forma de la pieza que queremos construir. Este molde puede estar hecho de arena o de metales más duraderos. Cuando el molde está hecho de materiales más duraderos se pueden utilizar más veces, y entonces se llama coquilla.  

En el molde se dejan una serie de huecos, denominados mazarota y bebedero. El bebedero es por donde se introduce en metal fundido, y la mazarota es por donde sale el aire del interior del molde, para impedir que queden huecos dentro de la pieza.

b) CONFORMACIÓN POR COLADA CONTINUA La conformación por colada continua consiste en dejar salir el metal fundido por una boquilla con la forma de la pieza que queremos fabricar. Conforme pasa por esta boquilla el metal se enfría y solidifica, quedando con la forma de la boquilla. Se llama colada continua, porque el metal sale de forma continua, formando piezas de gran longitud. 

c) CONFORMACIÓN POR LAMINACIÓN Consiste en hacer pasar la pieza de metal a través de unos rodillos que la van aplastando y dándole la forma deseada a la pieza. Estos rodillos se llaman trenes de laminación, porque normalmente hay que hacer la laminación en varios pasos.

d) CONFORMACIÓN POR EXTRUSIÓN Se hace pasar el metal por un orificio con la forma deseada llamada matriz, empujándolo con un émbolo. Al obligar a pasar al metal por el orificio, este toma la forma de la boquilla.  

e) CONFORMACIÓN POR FORJA. Consiste en deformar un bloque de metal, una vez que se ha calentado, golpeándolo con mazas o con una prensa. Se emplea en la elaboración de rejas, herramientas y piezas de grandes dimensiones.

7.- FABRICACIÓN CON METALES.-

a) Medir  y marcar.-

Para medir se utiliza la regla metálica de acero y escuadra metálica que además de trazar sirven como guías para otras herramientas. También se utiliza la punta de trazar que es de acero templado.

b) Sujetar y doblar.-

Las herramientas para sujetar son iguales que las empleadas en carpintería: el gato y el tornillo de mesa, los alicates universales que sirven para sujetar pequeñas piezas, dar forma a alambres y también para cortar alambres y otras piezas pequeñas.

c) Cortar.-

Los alicates de corte están especialmente diseñados para cortar alambres y piezas metálicas. El alicate (del árabe al-laqqat, que significa «tenaza») es una herramienta manual cuyos usos van desde sujetar piezas al corte o moldeado de distintos materiales. Son comunes en todo equipo de herramientas manuales, ya que es un útil básico para el bricolaje.

 Las tenazas sirven para sujetar, cortar y doblar. La tenaza o tenazas es un instrumento de metal, compuesto de dos brazos trabados por un clavillo o eje que permite abrirlos y volverlos a cerrar, que se usa para sujetar fuertemente una cosa, o arrancarla o cortarla. Es una herramienta indispensable en carpintería y en trabajos con metal.

Las tijeras de hojalatero o tijera corta chapa es la herramienta que se usa para cortar delgadas láminas metálicas de la misma forma que unas tijeras comunes cortan el papel. Existen tres tipos diferentes; corte recto, corte zurdo y corte diestro.

La sierra de metal sirven para cortar turbos y piezas metálicas. Es una sierra de arco que dispone de una sierra con dientes especialmente diseñada para cortar piezas metálicas.

d)  DESBASTAR Y PULIR
   
 Disponemos de limas de diferentes formas, rectas, redondas triangulares, cuadradas, etc. La carda es un cepillo con dientes metálicos que sirve para quitar rebabas e imperfecciones después de cortar. También podemos usar papel de lija especial para superficies metálicas. Otra piezas es un cepillo redondo de dientes metálicos que se puede acoplar al taladro y que sirve para pulir y rebajar superficies.

    e) TALADRAR

Para taladrar y perforar metal disponemos del taladro manual, eléctrico y taladro vertical con diferentes tipos de brocas especiales para metales.

Las brocas estándar para metal están bien para taladrar en metales blandos, como el cobre y el aluminio. Pero para los metales duros (como el acero inoxidable), lo mejor es utilizar brocas de cromo-vanadio, cobalto o carburo de titanio. La etiqueta HSS indica que la broca está hecha de un metal más duro.

f) UNIR:

Hay diferentes formas de unir metales, entre ellas tenemos:

- Remaches: se utiliza una herramienta llamada remachadora que usa clavos especiales que sellan la unión por presión. Una remachadora es una herramienta mecánica compuesta por palancas, cuñas, tornillos, resortes, entre otros, que tiene la finalidad de colocar remaches, tanto en procesos industriales como en aplicaciones domesticas, para unir dos elementos que no tengan que ser desmontados luego.

- Uniones roscadas: mediante tornillos y tuercas de diferentes formas y tamañas que se pueden desmontar posteriormente. La unión roscada es un sistema de unión desmontable basado en la combinación de dos piezas, en una de las cuales (habitualmente llamada tornillo, perno o espárrago) se ha labrado una rosca  helicoidal por el exterior  y en la otra (habitualmente llamada tuerca) una rosca helicoidal complementaria por el interior. 

- Soldadura: se emplea un metal de aporte que al fundirse por temperatura se extiende por las piezas a unir y al solidificar deja uniones permanentes. El método de soldadura es el proceso que une dos piezas metálicas o más de idéntica o parecida composición por la aplicación del calor, presión o ambos. El proceso se produce mediante otro metal, conocido como metal de aportación, que cuenta con las mismas o similares características de composición, y que permite dar una continuidad a los elementos unidos.

G) ACABAR:

El proceso de acabado aporta buena terminación y protege a los metales de la corrosión. Algunos de los tratamientos de acabado que se realizan con los metales son:
- Pulido: sirve para eliminar marcar y proporcionar brillo
- Recubrimiento con pinturas antioxidantes para evitar la corrosión
- Recubrimientos con pinturas de acabado superficial para darle el toque final.