Revista de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas

ISSN: 2500-929X • Vol. 1, n º.1, enero-junio de 2016

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lnqeciencia

Revista de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas

ISSN: 2500-929X • Vol. 1, nº.1, enero-junio de 2016

Consejo superior Jaime Arias Ramírez (Presidente) Rafael Santos Calderón Fernando Sánchez Torres Jaime Posada Díaz Rubén Daría Llanes Mancilla (Representante de los docentes) José Sebastián Suárez Rodríguez (Representante estudiantil)

Rector Rafael Santos Calderón Ingeciencia es una publicación de la Facultad de

Ingeniería y Ciencias Básicas.

Director Óscar Herrera Sandoval

Editor Francisco Piñérez Ballesteros

Consejo de Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Óscar Herrera Sandoval, decano; Adolfo Naranjo Parra, director del CIFI; Juan Manuel Chaparro Fonseca, director del Departamento de Ingeniería Electrónica; Naliny Guerra Prieto, directora del Departamento de Ingeniería Industrial; Pedro Pérez Orozco, director del Departamento de Ingeniería Mecánica; Gastón Mejía Arias, director del Departamento de Ingeniería de Sistemas; Cristian Díaz Álvarez, director del Departamento de Ingeniería Ambiental; Leonor Hernández Hernández, directora del Departamento de Ciencias Naturales; Edel Serrano Iglesias, directora del Departamento de Matemáticas; Misael Nova, representante de los docentes; Johanna Ramírez, representante de los estudiantes; Jinuny Alexánder Vega Flórez, secretario académico; Maricela Botero Grisales, coordinadora de aseguramiento de calidad; Olga Imelda Martínez Díaz, coordinadora administrativa y financiera.

Comité editorial Óscar Herrera Sandoval, Francisco Piñérez Ballesteros, Adolfo Naranjo Parra, Leonor Hernández Hernández, Constanza Pérez Martelo y Héctor Sanabria Rivera. Mayo de 2016. ® Ediciones Universidad Central (§) Varios autores Universidad Central Calle 21 n.º 5-84 (4.º piso). Bogotá, D. C., Colombia Conmutador: 323 9868, ext. 1556 www.ucentral.edu.co/editorial

Coordinación editorial Héctor Sanabria R.

Coordinador

Jorge Enrique Beltrán Vargas Asistente editorial

Patricia Salinas Garzón Disell.o y diagramación Fernando Gaspar Dueñas Corrección de textos

Imagen de portada: pixabay.com

rG(!)@@ Los contenidos de la revista Ingecirncia son publicados de I acuerdo con los términos de la licencia Creative Commons 2.5. Usted es libre de copiar y redistribuir el material en cualquier medio o formato, siempre y cuando dé los créditos de manera apropiad1, no lo haga con fines comerciales y no realice obras derivadas.

P�

Las ideas aquí expresadas, lo mismo que su escritura, son ex­ clusiva responsabilid1d de los escritores y no comprometen a la Universid1d Central ni a la orientación de la revista.

DISTRIBUCIÓN GRATUITA

Contenido Editorial..................................................................... 1. Visión artificial y comunicación en robots cooperativos omnidireccionales............................... Javier Andrés Lizarazo Zambrano y Mario Alberto Ramos Velandia

Content

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1. Artificial vision and communication in omnidirectional cooperative robots............................... Javier Andrés Lizarazo Zambrano y Mario Alberto Ramos Velandia

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2. Pisada de Energía .............................. 13

2. Energy Tread ............................................. 13

3. Metodología para elaborar recursos educativos multimediales (Meterem)............ 23

3. A methodology for developing multimedia educational resources (Meterem).......................... 23

4. Dispensador de comida para perros recolectores de basura ....................................................... 33

4. Food dispenser for waste collectors dogs............. 33

Andrés Ramírez

Gonzalo Joya Santana y Orlando Cristancho C.

Martín Alarcón Hernández, Luis Alfredo Cárdenas y Sara Estefanía Delgado

5. Máquina de precisión y celebración.............................................. 37

Andrés Ramírez

Gonzalo Joya Santana y Orlando Cristancho C.

Martín Alarcón Hernández, Luis Alfredo Cárdenas y Sara Estefanía Delgado

5. Precision and celebration machine............................................................. 37 Aliex Trujillo García

Aliex Trujillo García1

6. Diseño de dispositivo háptico que simula cambios de temperatura según la posición de la mano con respecto a su entorno virtual................................................................... 43 Vladimir Prada, Andrés Acuña, Hans Araque y Andrés Velandia

6. Design of a haptic device that simulates temperature changes depending on the position of the hand relative to his virtual environment................................................. 43 Vladimir Prada, Andrés Acuña, Hans Araque y Andrés Velandia

7. Modelo matemático para determinar los cursos que se deben inscribir para minimizar el tiempo de terminación del pregrado................................................ 51

7. Mathematical model to determine the courses to enroll to minimize undergraduate studies completion time...................................... 51 José Sánchez y Jainet Bernal

José Sánchez y Jainet Bernal

8. Mercadeo con causa social: factores que inciden en la decisión de compra de bolsos ecológicos fabricados con material reciclable por adolescentes embarazadas de bajos recursos ...................................... 63

Viviana del Mar Aranda Guerrero, Maribel Carrillo López, Daniela Caterin Hernández Cetina y Daniela Alejandra Luz Moreno

8. Marketing with a social cause: Factors that have an influence on the buiying decision of ecological bags made with reusable materials made by pregnant teenager girls with low resources............................................. 63 Viviana del Mar Aranda Guerrero, Maribel Carrillo López, Daniela Caterin Hernández Cetina y Daniela Alejandra Luz Moreno

Editorial

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stimado lector, sea esta la oportunidad de darle la bienvenida a la revista de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas de la Universidad Central. En los treinta años de existencia de la Facultad han sido varios los esfuerzos para dar inicio a una publicación periódica que resalte el trabajo de formación en los campos de la ingeniería, la matemática y las ciencias naturales que se hace en la Facultad. Este sueño se materializa hoy con esta primera edición de Ingeciencia. Ingeciencia busca ser un espacio de divulgación de los trabajos de formación profesional que se desarrollan en la Facultad. Por tanto, se constituye en la oportunidad ideal para que estudiantes, egresados, administrativos y profesores de la Facultad presenten a la comunidad académica el avance de sus trabajos semestrales, así como los resultados de sus actividades de campo, prácticas de ingeniería, proyectos integrados, proyectos de aula, semilleros de investigación, prácticas empresariales, trabajos de grado y experiencias laborales o empresariales. Esta revista busca ser una plataforma efectiva para potenciar el uso de la lectura y la escritura como expresiones fundamentales del desarrollo académico y profesional de nuestros estudiantes y egresados, cuyos trabajos contarán con el aval de los profesores. En Ingeciencia, el proceso de publicación de artículos comienza con la elaboración de un documento académico por parte de un estudiante, un egresado o un administrativo que cuente con el aval de un profesor. Luego, el documento es sometido a evaluación por parte de pares internos o externos, a fin de asegurar su calidad tanto en la forma como en los argumentos técnicos del campo específico. Finalmente, es avalado para su publicación por parte del Comité Editorial de la revista y de la Facultad. Con el correr de sus ediciones, se espera que la revista incida positivamente en la calidad de la escritura de nuestros estudiantes y que, a pesar de que no busca ser una revista de investigación, sí

consiga divulgar ampliamente los avances en formación en investigación de los estudiantes y los trabajos de investigación formativa desarrollada entre estudiantes y docentes. Además, la revista se propone documentar los escenarios de formación referidos a los campos de acción definidos por la Facultad: 1) desarrollo de pensamiento científico tecnológico; 2) sostenibilidad urbano-regional; 3) agua y sistemas naturales: caracterización, perturbaciones y sostenibilidad; y 4) el uso de la ciencia y la tecnología para mejorar los servicios de salud dentro de un modelo de costos sostenibles. En Ingeciencia se observará el impacto y los avances de dichos campos en los contextos de formación propios de los programas de la Facultad, así como los impactos sociales, culturales, económicos e industriales que puedan resultar de dicha interacción. Así pues, solo resta invitar a nuestros estudiantes, profesores, administrativos y egresados a vincularse a la revista con sus contribuciones como autor, evaluador o tutor de los trabajos aquí publicados o propuestos para publicar, así como mediante una lectura y conversación crítica que nos retroalimente para mejorar. Bienvenidos a Ingeciencia, la revista de divulgación de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas de la Universidad Central.

Ing. Óscar Leonardo Herrera Sandoval, Ph. D. Decano de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas

Visión artificial y comunicación en robots cooperativos omnidireccionales Artificial vision and communication in omnidirectional cooperative robots Javier Andrés Lizarazo Zambrano1 y Mario Alberto Ramos Velandia2

Resumen En este proyecto se pretende contribuir a la investigación y al desarrollo de la robótica cooperativa, que comprende dos ramas principales de la robótica: los sensores y las comunicaciones. En cuanto a los sensores, implementaremos diferentes filtros y modelos de visión artificial para identificar cómo una cámara puede indicar las formas y posiciones de los robots que actuarán. En cuanto a las comunicaciones, usaremos una red wifi para tener una conexión entre el programa de la visión artificial y los robots cooperativos. Palabras clave: comunicaciones, robots, cooperativos, omnidireccionales, visión artificial.

Abstract This project aims to contribute to the research and development of cooperative robotics, where two main branches of robotics are addressed: sensors and communications.

1. Introducción En la actualidad, los robots tienen un papel esencial en la sociedad, pues realizan tareas que una persona no puede hacer o que le tomarían demasiado tiempo completar. Las aplicaciones de la robótica han evolucionado en las últimas décadas, desde simples robots educativos hasta entornos industriales controlados. La robótica cooperativa consiste en la ejecución de tareas por medio de varios robots que trabajan de forma coordinada. Las aplicaciones para robots cooperativos cada vez son más numerosas, algunos ejemplos en los que se los emplea son la vigilancia, el movimiento de objetos, la búsqueda, etc. La mayoría de estas aplicaciones muestran que los robots deben tener una ubicación o formación específica, y esta hace necesario usar técnicas de control que mantengan su formación mientras llevan a cabo una tarea determinada. 1

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Keywords: communications, cooperative, omnidirectional robots, machine vision.

Estudiante de Ingeniería Electrónica, Universidad Central, [email protected]. Egresado de Ingeniería Electrónica, Universidad Central, [email protected]. Asesor: Gregory Johann Conde Méndez, ingeniero electrónico, magíster en Ingeniería Electrónica y de Computador, docente e investigador de la Universidad Central, [email protected].

Javier Andrés Lizarazo y Mario Alberto Ramos

La robótica cooperativa se ha utilizado en varias investigaciones en los últimos años para resolver problemas tales como la asistencia en intervenciones quirúrgicas (Landeira et al., 2015). En este caso, se utiliza a personas como parte de la situación de cooperación, y el robot no es parte fundamental de la tarea, pues solo facilita las intervenciones y no hace parte principal de la solución. El comportamiento de los animales ha ofrecido un amplio conocimiento para la robótica cooperativa, ya que los enjambres de las abejas o la forma como se comportan las hormigas aportan ideas sobre cómo se deberían comportar los robots a fin de usarlos para generar tecnologías como la mostrada en Sagues et al. (2012). En dicho trabajo, un enjambre de robots es utilizado para vigilar vehículos en un parqueadero. Y en dicha actividad encuentran una variedad de problemas debido a las condiciones ambientales. En investigaciones como la de Roberti et al. (2011) se trabaja con un sistema de visión catadióptrico, con excelentes resultados, pero elevados costos. Teniendo en cuenta estos referentes tras constatar la importancia de la robótica cooperativa en la robótica actual, elaboramos este proyecto, con la ayuda del proceso de ingeniería identificamos la problemática y los medios y fines del proyecto. El semillero de robótica nos permitió obtener las bases para desarrollar el proyecto enfocándonos en la parte técnica, pero sin olvidar que su propósito es incentivar a nuevos estudiantes de ingeniería electrónica a interesarse más por su carrera y la robótica y a que investiguen más sobre las áreas que intervienen en este campo. En este proyecto se implementa una planta para estudiar la robótica cooperativa en la cual se puedan evaluar estrategias de control, jerar-

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quización, organización, comunicación, cooperación e interacción de los robots. Se trata de área en la cual los robots se podrán mover y controlar usando una cámara ubicada en la parte superior de la planta y que permitirá tener una vista de todos los robots y elementos incluidos en ella.

2. Fundamentación teórica 2.1 Robótica cooperativa La robótica cooperativa o colectiva consiste en la implementación de sistemas de múltiples robots que son capaces de solucionar diferentes problemas conjuntamente. Estos robots, que hacen parte del sistema, son robots sencillos en términos de control y diseño y cuestan menos que un robot especializado. Estos sistemas están encaminados a resolver problemas para cuya resolución un solo robot no es suficiente. Son muy utilizados para transporte de objetos voluminosos, manejo de materiales peligrosos y la exploración y cobertura de terrenos, problemas que son más sencillos de solucionar con varios robots sencillos que con uno solo que sea muy robusto y costoso (Rogrigo, 2006). 2.2 Visión artificial La detección de objetos es una de las tareas fundamentales del proyecto, ya que esta permite conocer como están ubicados y hacia donde deben dirigirse los robots. 2.3 BGR (blue, green, red) La estructura BGR representa los colores azul, verde y rojo. Un color BGR es almacenado en unas estructuras de tres matrices diferentes cuyo tamaño depende de la cantidad de pixeles de la imagen.

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Visión artificial y comunicación en robots cooperativos omnidireccionales

2.4 HSV (hue, saturation, value) HSV (matiz, saturación, valor) es un modelo de los colores que los define en términos de sus componentes, variando el grado de propiedades del color para crear nuevos colores. El matiz se representa como un grado de ángulo y cada ángulo corresponde a un color. La saturación se mide con respecto a la gama de colores, que se constituye por el diagrama de cromaticidad del modelo. El valor representa la distancia en los ejes blanco y negro (Bernardo, Tizi y Vera, 2008). 2.5 Python Python es un lenguaje de programación de propósito general, orientado a objetos, preparado para desarrollar cualquier tipo de programa. Es un lenguaje interpretado, lo que significa que no se necesita compilar el código fuente para poder ejecutarlo. Esto ofrece ventajas, como la rapidez de desarrollo, e inconvenientes, como una menor velocidad. Este lenguaje es el utilizado para controlar los robots y para implementar la visión artificial. 2.6 OpenCV OpenCV es una librería de software abierto desarrollada por Intel. Es gratuita y compatible con los principales sistemas operativos. Fue diseñada para lograr eficiencia computacional, pero tiene un fuerte enfoque en el procesamiento de imágenes en tiempo real. Estas librerías contienen algoritmos que permiten identificar objetos y acciones humanas en video, entre una variedad de funciones. OpenCV fue originalmente escrita en C, pero tiene interfaces en C++, Java, MATLAB y Python (Bermúdez y Báez, 2010; Bernardo, Tizi y Vera, 2008).

3. Descripción del desarrollo El desarrollo se hace en función del proceso de diseño en ingeniería, en el cual, a partir de la formulación del problema, se evalúan opciones para determinar la orientación y posición de los robots, el software adecuado para utilizar y las diferentes características de los robots. En este caso se optó por efectuar un censado por medio de visión artificial, para esto, se trabajó con un procesador dedicado, como lo es la tarjeta de desarrollo BeagleBone, ya que esta permite hacer un mejor procesamiento de imágenes y crear una planta con múltiples robots en donde cada robot será omnidireccional, lo que le permitirá un mejor movimiento dentro de la planta. 3.1 Procesamiento de imagen El procesamiento de imagen se efectúa en la placa de desarrollo BeagleBone, que se programa en Python con la ayuda de las librerías de OpenCV. Primero, se asignan las variables del rango de color que se va a seguir. Luego se emplean los filtros de erode y dilate, que eliminan los puntos erróneos y dilatan los pixeles detectados. A continuación, se determina la posición de los objetos y se visualiza un círculo del respectivo color de cada objeto. Cuando se localiza la posición y se tienen las coordenadas, se envían vía wifi. 3.2 Visión artificial El sistema de visión artificial consta de una cámara.Y el procesamiento es hecho por una BeagleBone, que permite identificar y conocer la posición de los robots. El desarrollo del procesamiento de imágenes se hizo con el paquete de librerías de OpenCV (Open Source Computer Vision), que permitió, con la ayuda de Python, generar la visión artificial. De ese

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modo tenemos en cuenta colores que permiten identificar a cada robot y su posición para, así, comunicarse con ellos y asignarles las diferentes tareas que deben cumplir. 3.3 Prototipo robot El prototipo consiste en un robot omnidireccional que está formado por tres ruedas omnidireccionales que le permiten hacer más desplazamientos que una rueda convencional. De ese modo, y ubicando cada rueda a 120° una de la otra, se puede generar el movimiento del robot hacia cualquier dirección que se desee (figura 1). Este también contiene tres motorreductores, con su respectivo controlador para producir el movimiento de las ruedas. El control del robot se encuentra soportado sobre una placa de desarrollo llamada Raspberry Pi, que es un ordenador de bajo costo que permite controlar y comunicarse con el robot para que cumpla con las diferentes tareas.

tablecer redes de usuarios, a diferencia de Bluetooth y XBee, redes para las cuales no existen protocolos predefinidos. Dado esto, solo resta configurar, a partir del sistema operativo, la comunicación wifi con la ayuda de módulos de antena USB, al asignarles a cada robot y a la visión artificial una dirección IP. Esta etapa es la más importante, ya que la visión artificial puede enviar las órdenes a los robots para que estos cumplan con las tareas asignadas.

4. Resultados Con respecto a la visión artificial, se hicieron pruebas de detección de colores en la planta. En la figura 2, se observa el robot y una caja que tienen en su interior círculos de colores (marcas). Cada marca del robot representa una rueda diferente de este. Se hizo esto para saber la orientación del robot y la posición de cada motor en el eje de coordenadas X y Y. La caja es el objeto que deben mover, se identifica con un círculo azul.

Figura 2. Imagen de la planta.

Figura 1. Simulación de prototipo.

3.4 Comunicación Los robots se comunican con el sensor vía wifi, pues esta es una manera eficiente para es8

Se detectó (figura 3) el color verde por medio del modelo HSV. La ventana de salida muestra la ubicación del objeto de color verde con sus coordenadas X y Y. En la ventana del rango se muestra la imagen después de ser convertida a formato HSV y aplicarle

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los filtros erode y dilate, para limpiar la imagen de imperfecciones. La imagen es mostrada en blanco y negro dependiendo del rango de matiz, saturación y valor.

En la figura 5 se detectaron todos los colores y se observa el filtrado de cada color. A cada color detectado se le dibuja un círculo digitalmente para mostrar su ubicación en la imagen original. Los robots están conectados a la estación base inalámbricamente por medio de una red WLAN (wireless lan). Y cada uno de ellos tiene una IP estática, que permite identificarlos individualmente.

Figura 3. Detección del color verde.

En la imagen de la planta de la figura 4 se ubicaron digitalmente las coordenadas centrales de la marca de color verde. Al compararla con la figura 3, se puede observar un error en las coordenadas que se debe a que la cámara se movió, pero el error es despreciable por la resolución de la imagen.

34,82 pixeles

Figura 4. Imagen de la planta con coordenadas de la marca de color verde.

Figura 5. Detección de colores en la planta.

En la figura 6, se muestra la conexión de la estación base con un robot. Después de iniciar el programa, la estación base espera la conexión de un robot. Cuando se establece la conexión con un robot, empieza la trasmisión de datos, UTF-8 (8-bit Unicode Transformation Format) fue son decodificados nuevamente en el robot. En la figura 6, la estación está trasmitiendo las coordenadas X y Y de la marca de color verde, y estos datos tienen un tiempo de espera de 10 ms por coordenada para evitar coliRevista Ingeciencia, n.o 1, 2016

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sión de datos. La cámara estaba en movimiento cuando se tomaron los datos para que se observara una diferencia en las coordenadas. El robot espera una conexión con la estación base. Cuando la conexión es exitosa, el robot empieza a recibir los datos, que en este caso son coordenadas X y Y. El robot identifica cada coordenada por el orden de llegada, por lo cual la primera es la coordenada en el eje X. Esta viene en formato UTF-8 y es decodificada en formato INT, para que sea procesada por el control del robot (figura 7).

artificial y la comunicación para la cooperación entre robots. Se implementó de manera exitosa la visión artificial para identificar objetos por medio de marcas de colores. En un futuro, esta será implementada con detección por imágenes digitales características (Haar-Cascade) para aumentar el número de robots. Al implementar una WLAN para la comunicación entre los robots, tenemos la posibilidad de aumentar el número de robots sin alterar el sistema.

Bibliografía

Figura 6. Comunicación de la estación base.

Landeira, M. A., Sánchez, E., Tejada, S. y Díez, R. (2015). Desarrollo e implementación de una estrategia de gestión de singularidades para un sistema robótico redundante cooperativo destinado a la asistencia en intervenciones quirúrgicas. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial, 12(1), 80-91. Sagues, C., Mosteo, A. R., Tardioli, D., Murillo, A. C., Villarroel, J. L. y Montano, L. (2012). Sistema multirrobot para localización e identificación de vehículos. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial, 9(1), 69-80.

5. Conclusiones

Roberti, F., Toibero, J. M., Vassallo, R. F. y Carelli, R. (2011). Control estable de formación basado en visión omnidireccional para robots móviles no holonómicos. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial, 8(1), 29-37.

El proyecto ha contribuido de manera crucial al semillero de robótica, al permitir identificar y destacar la implementación de la visión

Rodrigo, L. D. S. (2006). Trabajo cooperativo en robots. Seminario de Diseño y Construcción de Microrrobots.

Figura 7. Comunicación del robot.

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Visión artificial y comunicación en robots cooperativos omnidireccionales

Bermúdez, H. y Báez, J. (2010). Aplicación de técnicas de visión artificial para reconocimiento de naranjas maduras en el árbol (tesis de pregrado inédita, Univesidad Pontificia Bolivariana, Bucaramanga, Colombia).

Bernardo, L., Tizi, F. y Vera, M. (2008). Aplicación de la visión artificial a la identificación de figuras. Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Nicolás.

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Pisada de Energía Energy Tread Andrés Ramírez1

place to another, generating a differential whereby a power voltage and a current will be obtained. This project is an innovative solution because of its simplicity and driveability, materials that are implemented have great strength and durability, do not require connection of some kind of energy source since it is a generator system and energy storage that does not produce any cost, which contributes to energy savings, social economy and reduce the pollution because it will not generate any substance that is harmful to the environment, also it will be a system with great functionality.

Resumen Con Energy Tread se podrá generar energía usando una fuerza mecánica que cualquier persona puede proporcionar sin invertir mayor esfuerzo. Dicha fuerza puede ser una simple pisada, como las que damos durante el desplazamiento de un lugar a otro. Esta genera un diferencial de potencia y, por ende, se puede obtener un voltaje y una corriente. Este proyecto ofrece una solución innovadora debido a su simplicidad y confiablidad. Los materiales que se usan tienen una gran resistencia y durabilidad y no requieren conexión de ningún tipo de fuente de energía, pues es un sistema generador y almacenador de energía que no produce ningún costo. Esto contribuye a ahorrar energía, a impulsar la economía social y a disminuir los índices de contaminación, ya que no se va a generar ningún tipo de sustancia que sea dañina para el medioambiente. Además, será un sistema con una gran funcionalidad. Palabras clave: energía eléctrica,

generación, almacenamiento, fuerza mecánica, pisada.

Abstract With Energy Tread, it could generate energy by means of a mechanical force that may be provided by any person without investing more effort, as it can be a simple tread we can give during travel from one

Keywords: electrical energy, generation, storage, mechanical force, tread.

1. Introducción El objetivo principal del proyecto es convertir energía magnética en energía eléctrica por medio de la inducción electromagnética, aplicando el principio de Faraday para así generar un voltaje y una corriente de manera gratuita e implementar este desarrollo en diferentes sistemas que tengan un consumo energético. Se usarán materiales reciclables y económicos para fabricar el sistema (Energy Tread), 1

Estudiante de Ingeniería Mecánica, Universidad Central, [email protected]. Asesor: Pedro William Pérez Orozco, ingeniero mecánico, especialista en Diseño Mecánico por Computador, director del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Central.

Andrés Ramírez

a fin de hacerlo económicamente viable, ambientalmente responsable y socialmente incluyente de las generaciones futuras, pues su costo de fabricación es bajo comparado con el beneficio que produce. Los materiales utilizados tienen una vida útil aproximada de cien años, lo que indica que durarían aproximadamente varias generaciones, sus costos de mantenimiento serían mínimos y su implementación sería sencilla y de bajos costos de instalación. Se busca, además, crear conciencia sobre el desperdicio de energía y la importancia de su aprovechamiento usando conocimientos técnicos y tecnológicos para contribuir a solucionar el problema global de gran consumo de energía. Así se ofrece una solución viable que no afecta el medioambiente y que apro-

vecha la energía que diariamente se trasfiere por medio de una actividad cotidiana. Se diseñará un prototipo de baldosa que sea resistente, poco deformable y que resista un peso mínimo promedio de 40 kg y un peso promedio máximo de 90 kg. Este aprovechará esa energía mecánica para generar mayor energía. Asimismo, se diseñará una bobina generadora de energía teniendo en cuenta el calibre preciso de alambre y el mayor número de vueltas para obtener mayor corriente y ser almacenada en baterías.

2. Planteamiento del problema Para desarrollar el proyecto, se tuvo en cuenta la metodología presentada en la figura 1.

Fase 0

Fase 1

Fase 2

Fase 3

Fase 4

Fase 5

Planeación

Desarrollo del concepto

Diseño del sistema

Diseño de detalle

Pruebas y refinamiento

Inicio de producción

Figura 1. Metodología de desarrollo de Energy Tread.

Fase 0. En el pregrado de Ingeniería Mecánica existen dos asignaturas que fueron fundamentales para desarrollar el proyecto Energy Tread. Práctica de Ingeniería Mecánica IV y Circuitos, Instalaciones y Máquinas Eléctricas. En esta última, se aprende el concepto de inducción electromagnética. Este consiste en que, en el momento en que movemos un imán permanentemente por el interior de la espira de una bobina solenoide (hecha de alambre magneto o alambre de cobre aislado), se produce una fuerza electromotriz (voltaje) que es causada por la inducción electromagnética del imán en movimiento.

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En una práctica de laboratorio, observé que, al introducir un imán dentro de una bobina y conectarlo a un multímetro, se generaba un pico de voltaje alterno. Por ende, noté que este fenómeno podría ser aprovechado para crear un mecanismo que implementara dicho fenómeno para así generar energía. Esta energía puede ser almacenada para aprovecharla en nuestro hogar o en diferentes recintos. En la materia de Práctica de Ingeniería Mecánica IV se enseña el concepto de desarrollo sostenible y el uso racional de la energía y la implementación de la metodología de diseño mecánico. Esta es la que se usa en este proyecto. Así fue como, mezclando estos conceptos,

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llegué a una planeación mecánica y electrónica para implementar un sistema que genera energía eléctrica a partir de energía magnética de manera gratuita y eficiente. Fase 1. Teniendo en cuenta la demanda de energía, los lugares propicios de implementación del dispositivo son zonas en las que se encuentre un conglomerado de personas suficiente para accionarlo.Y, al ser accionado un mayor número de veces, se obtiene un mayor diferencial de energía. Otro factor que debe analizarse son los costos de manufactura o fabricación del dispositivo. Para elaborarlo se usó alambre de cobre magneto, imán de neodimio grado 52 (N52, que son considerados los más potentes del mercado al generar 45 000 Gauss —y, a mayor campo magnético, mayor energía generada—), molde de bobina (que será fabricada en impresora 3D a medida de la geometría de los imanes, para aprovechar mejor el espacio de recorrido de estos dentro de la bobina). Asimismo, para fabricar la caja se planea utilizar lámina de acrílico. Pero también pueden usarse materiales reciclables, como madera o neumáticos de carros (que podrían servir para un futuro diseño de la “caja” que aproveche este material elástico y contribuya así, además, a solucionar el problema ambiental que provocan los neumáticos luego de cumplir su ciclo de vida en los autos). Inicialmente, se plasmó la idea por medio de herramientas gráficas. En esta fase, se elaboraron varios diseños, a modo de prototipos, para implementar el mecanismo y ejecutarlo. Algunos de ellos no resultaron viables o funcionales. A continuación, se presentan dichos diseños (figuras 2, 3, 4, 5 y 6).

Figura 2. Plataforma donde se empleará la fuerza mecánica.

Figura 3. Esquema hipotético del mecanismo.

Figura 4. Isométrico del mecanismo.

Este diseño se descartó por su inestabilidad y proporcionalidad.

Figura 5. Planos del diseño número 2.

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El diseño expuesto en la figura 5 consta de dos tapas que se hacen encajar una dentro de la otra y se fabrica a medida para un recorrido corto. Para este diseño, se fabricó un prototipo en acrílico (figura 6), con resortes ubicados en cada de uno de sus extremos y dejando, de manera vertical, una tolerancia de espacio de recorrido de 25 mm de entrada y salida del imán. Este diseño resultó más viable dado el poco recorrido de elongación de los resortes, lo que lo hace más cómodo para quien lo pise. Los resortes se usan para implementar la simple idea de hacer volver la tapa superior a su estado inicial. Estos resortes se fabrican a medida con una constante de elongación suficiente para hacer cómoda la experiencia de pisar la caja o baldosa y, al mismo tiempo, resistir un peso máximo de 90 kg.

Figura 6. Primer prototipo del diseño número 2.

Este prototipo resultó obsoleto. La compresión del aire acumulado dentro de la caja al pisar dificulta la activación de entrada y salida del imán a la bobina. Además, no fue posible demostrar la generación de energía mediante el encendido de los bombillos led: los resortes no creaban una suficiente velocidad cinética de retroceso al estado inicial y, por ende, los bombillos led no se encendían. Fase 2. Después de examinar los diferentes factores que produjeron los fallos del primer 16

prototipo, se refinó el diseño preciso que le dará funcionamiento a la caja y activará el sistema electrónico ubicado dentro de ella. En este, los resortes ya no se tuvieron en cuenta y se optó por un material elástico llamado cincha elástica. Este proporciona una deformación suficiente y una amortiguación rápida que resulta clave para activar el sistema electrónico (pues, a mayor velocidad cinética de propagación de entrada y salida, mayor será el campo magnético que se genere dentro de la bobina y mayor el voltaje producido). El molde de la bobina fue mecanizado en una impresora 3D que fue facilitada por la Universidad Central. Este tiene la geometría rectangular de los imanes en el centro para tener un menor espacio abierto entre la bobina y los imanes. Se optó por un alambre de cobre magneto calibre 20 que tiene 0,9 mm de diámetro. Este alambre se seleccionó porque el sistema de generación de energía no va a estar conectado a ningún tipo de fuente eléctrica. Por lo tanto, no resulta obligatorio tener un rango de calibres para prevenir el calentamiento del alambre. Además, este tipo de calibre es lo suficientemente grueso como para producir buen amperaje —pues, a mayor diámetro del alambre, mayor amperaje generado— y es lo suficientemente delgado como para moldearse alrededor, lo que facilita su embobinado. La figura 7 muestra los planos de la respectiva bobina generadora.

Figura 7. Planos de la bobina generadora.

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Al culminar la fabricación del molde, se procedió a embobinar 1300 g de alambre de cobre, lo que da 40 mm de espesor y una altura de 28 mm de alambre de cobre embobinado, para un total de 1098 vueltas. El voltaje generado es directamente proporcional a número de espirales. En el diseño final del primer prototipo funcional, se introdujeron algunas modificaciones, que consistieron en la fabricación de una sola caja sin tapa, en agregar, en su parte superior, dos bandas de cincha elástica en cuyo centro se instalará el imán y en centrar la bobina generadora en la parte inferior, para así tener mayor precisión cuando el imán ingresa a la bobina. Además de esto, su base estará 25 mm por encima del suelo y se utilizará una lámina de acrílico de 300 mm por 240 mm y de 8 mm de espesor en la cual reposará la bobina. Sus paredes serán de madera reciclable de 15 mm de espesor. Este diseño fue pensado para resistir la tensión que se le aplicará a la cincha elástica. Los planos de dicho diseño se presentan en la figura 8.

3. Materiales

Figura 8. Planos del prototipo funcional.

Figura 9. Prototipo funcional fabricado.

Fase 3. Los materiales empleados en el prototipo final, con sus respectivos costos, son los siguientes: Madera reciclable (suministrada por una carpintería), base en acrílico (suministrada por la Universidad Central), cincha elástica (1000 pesos el metro), nueve imanes importados de neodimio N52 (7000 pesos por unidad), 1,3 kg de alambre de cobre magneto (30 000 pesos), molde de bobina (suministrada por la Universidad Central), sistema eléctrico (5000 pesos). Este prototipo funcional tuvo un costo total de 99 000 pesos. Después de tener los respectivos planos, se procedió a su fabricación. La figura 9 muestra el prototipo fabricado.

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Andrés Ramírez

4. Resultados El diseño y fabricación del sistema eléctrico tuvo como objetivo encender dos bombillos led de 3 V. El primero está conectado directamente a las terminales del alambre de cobre, para dar aviso del impulso de voltaje generado. Este se enciende de manera momentánea. El segundo se conecta al final de un condensador o capacitor, para demostrar el almacenamiento de voltaje. Este se enciende luego de tener un ciclo constante de entrada y salida del imán hacia la bobina, así da un aviso de brillo más prolongado debido al condensamiento de energía. Este circuito es muy simple (figura 10). Consiste en conectar un puente de diodos que rectifica el voltaje, soldándolos con estaño y cautín en el capacitor, y en conectarlo a un emisor de luz. Los impulsos generados por la bobina son senoidales; lo que indica un voltaje alterno, pues la polaridad de los imanes generara energía en estado positivo y negativo. Puente de diodos rectificador

+

Capacitor

Figura 10. Diseño del circuito conectado a la bobina para encender el bombillo led.

Una vez que se tiene el circuito, se puede proceder a fabricarlo (figura 11). 18

Una vez implementado y soldado el circuito a la bobina, se procede a hacer el ensamble correspondiente para probar que, cada vez que le aplicamos una fuerza mecánica al sistema (ya sea una pisada o cualquier otra), se activa la iluminación de salida led. El sistema resultó satisfactorio y funcional. Se efectuaron pruebas con pisadas de niños y adultos que activaron inmediatamente la iluminación led, lo que constata la trasformación de la energía magnética en energía eléctrica. La figura 12 presenta la evidencia fotográfica del funcionamiento del sistema Energy Tread en tres simples pasos.

Bombillo led

Bobina generadora

−

Figura 11. Fabricación del circuito, puente de diodos rectificador, capacitor y bombillos led.

Figura 12. Posiciones de activación del sistema Energy Tread.

Como se puede apreciar, los bombillos led verde y rojo se encienden en el momento de aplicar la fuerza mecánica. El verde se activa en

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Pisada de Energía

el instante mismo en que se aplica la fuerza, pues está conectado directamente a la bobina. El rojo está conectado bajo un condensador y brilla luego de haber almacenado varios ciclos de carga. En la figura no se aprecia, pero la intensidad de la luz del bombillo led rojo tiende a bajar de manera más lenta que la del bombillo led verde, pues este cuenta con un poco de reserva de energía. Así pues, se comprueba que el sistema es útil y viable como almacenador de energía de manera gratuita. Fase 4. Después de comprobar que el prototipo funciona, se procede a hacer las respectivas mediciones de voltaje. Para hacer esto, se emplea un multímetro y se activa la opción “valor máximo”. Luego se procede a conectar sus puntas de medición a las puntas de la bobina, que es en donde se genera la mayor intensidad de voltaje. En escala de voltaje DC (corriente directa), arroja un valor máximo de 1,038 V y, en voltaje AC (corriente alterna), uno de 1,112 V. Estas mediciones se hicieron usando una fuerza mecánica simple (la de nuestras manos). Dado que la fuerza ejercida por una persona al pisar es más intensa y genera más energía, por lo cual el voltaje producido puede ser mucho mayor, se consideran los valores arrojados por estas mediciones como el mínimo voltaje generado por el sistema. Estos valores se pueden apreciar en la figura 13. Los impulsos electromagnéticos están dados por voltaje alterno, lo que se traduce en una gráfica senoidal, pues su magnitud y dirección varían respondiendo a un determinado ciclo. Esto se debe a los polos del imán, que generan un campo magnético que produce unas líneas de fuerza que parten desde el polo norte y se dirigen al polo sur (figura 14). Al acercar o al alejar un imán a una espira, se genera en esta una corriente eléctrica. En

lugar de una espira se puede usar un solenoide. Por ende, la gráfica del campo magnético es como la mostrada en la figura 15.

Figura 13. Multímetro y voltajes en AC y DC, respectivamente.

S

N Movimiento

Iinducida Binducida

Figura 14. Líneas de campo magnético generadas en un imán.

Figura 15. Función senosoidal.

Dado que, en la actualidad, todos los artefactos que usamos en nuestra vida diaria funcionan con una corriente alterna, el objetivo es convertir esta corriente alterna en corriente directa para almacenarla en pilas o baterías que pueden ser usadas en tareas domésticas cotidianas. Para lograr dicho objetivo, se utilizara un rectificador de onda completa, pues estos usan cuatro diodos para funcionar. Estos rectificadores hacen pasar la corriente alterna a través del sistema de cuatro diodos y la reemplaRevista Ingeciencia, n.o 1, 2016

19

Andrés Ramírez

zan toda por una corriente directa. Esto dará como resultado el correcto funcionamiento del proyecto. Puesto que el sistema origina impulsos negativos y positivos, el regulador cumplirá la función de convertir todos los pulsos negativos en pulsos positivos. De esa manera los estabilizará en un solo sentido (figura 16). U

D1

U R

D2

Figura 16. Cambio de sentido de los impulsos senoidales.

Como se aprecia, la polaridad se convierte en una sola positiva. De ese modo, si se unen los picos de las curvas, se obtiene una línea recta y, como resultado, una corriente directa, que se puede almacenar en una batería. Fase 5. Habida cuenta de que este es un prototipo, esta fase, que corresponde a mercadotecnia, promoción, lanzamiento y producción en masa del dispositivo, no se ha desarrollado. A partir del prototipo, se buscarán alternativas de materiales para que este sea reutilizable, resistente, durable y de fácil instalación. Se buscará así mejorar el sistema, para lograr más eficiencia energética, reducir costos y darle una apariencia agradable y llamativa. Como ya se mencionó, se desea usar materiales reciclables, tales como los neumáticos de los autos, pues estos podrían usarse para fabricar la “caja” en cuyo interior se instala el mecanismo de generación de corriente.

20

5. Conclusiones Se obtuvieron los resultados esperados para el primer prototipo: 2 V promedio por cada accionamiento del sistema sin tener en cuenta la variación de peso y velocidad, que influyen en el aumento de voltaje. Es un sistema novedoso. Para fabricarlo no se requiere hacer una gran inversión, pues su costo monetario no supera los 100 000 pesos, un precio muy bajo comparado con su gran beneficio energético y ambiental. El sistema tiene buena eficiencia. La hipótesis, para la cual no se han hecho aún suficientes pruebas, es que la energía suministrada por el sistema será directamente proporcional a la fuerza mecánica ejercida sobre este. La energía mecánica que un transeúnte transmite al dar una pisada es poca y, por ende, la energía que proporciona Energy Tread por pisada es baja. Por lo tanto, el sistema debe ser implementado en masa. Es decir, deben instalarse más de una caja o baldosa para que el sistema genere suficiente corriente como para alimentar artefactos que usemos en nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, este sistema podría implementarse en las entradas de una estación de Transmilenio, que diariamente usan 2 300 000 personas en Bogotá. Si se tiene en cuenta que, por cada persona, se generan miles de pisadas y que, por cada accionamiento, Energy Tread genera aproximadamente 2 V, resulta fácil hacerse una idea de cuanta energía podría generar una sola caja alrededor de un día, que podría almacenarse en una batería o usarse para abastecer la misma estación o recinto en donde se implemente.

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Pisada de Energía

Se propone hacer una conexión en paralelo entre varias baldosas, pues una conexión en paralelo arroja el mismo voltaje, pero aumenta la corriente.Y esto es lo que realmente importa a la hora de almacenar o cargar un dispositivo o batería. Inicialmente, Energy Tread se encuentra pensado para aprovechar fuerzas mecánicas pequeñas, como las que ejerce una persona. Pero el sistema podría desarrollarse para ser implementado en autopistas de carros, ciclovías o aeropuertos. El impulso energético generado es directamente proporcional a la fuerza ejercida. Por ende, si una persona genera energía con solo dar una simple pisada, entonces un automóvil o un avión, que pesan mucho más, van a generar más energía. Además, la velocidad con la que se accione el mecanismo genera más energía. El tiempo que se demora una bicicleta, automóvil o avión en contacto con un punto específico del suelo

es mucho menor que el de un peatón. Por lo tanto, se entra a un rango dinámico, lo que hace mucho más eficiente al sistema, que generará una enorme diferencia de corriente en comparación con la que produce un peatón.

Bibliografía Alexander, C. K. y Sadiku, M. N. O. (2006). Fundamentos de circuitos eléctricos. México: McGraw-Hill, Interamericana Editores. Ulrich, K. T. y Eppinger, S. D. (2013). Diseño y desarrollo de productos. México: McGraw-Hill, Interamericana Editores. Guru, B. S. y Hiziroglu, H. R. (2002). Máquinas eléctricas y transformadores. México: Oxford University Press.

Revista Ingeciencia, n.o 1, 2016

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Metodología para elaborar recursos educativos multimediales (Meterem) A methodology for developing multimedia educational resources (METDMER) Gonzalo Joya Santana1 y Orlando Cristancho C.2

Resumen Esta investigación tiene como propósito dar a conocer la metodología para elaborar recursos educativos multimediales (Meterem). Esta comprende cinco fases derivadas de conceptos sobre gestión de proyectos, modelos pedagógicos de enseñanza, diseño instruccional y metodologías para el desarrollo de software. A través de ella se propone la elaboración de recursos educativos virtuales (REV) de forma secuencial e incremental, a fin de fortalecer los procesos de enseñanza-aprendizaje mediante software. Palabras clave: diseño instruccional,

recursos educativos, virtuales, UML, LOM, multimedia, objetos de aprendizaje.

Abstract This research aims to publicize the Methodology for Developing Multimedia Educational Resources (METDMER) consists of five phases derived from concepts of project management, pedagogical models of teaching, instructional design and methodologies for software development. Through learning through educational software, it building Virtual Educational Resources (VER) sequentially and

incrementally in order to strengthen the teaching is proposed. Keywords: instructional design,virtual

educational resources, multimedia, objects learning.

1. Introducción Durante los últimos veinte años, la educación virtual se ha convertido en referente para diversos sectores que buscan desarrollar herramientas alternas para fortalecer los procesos que ligan a la enseñanza y el aprendizaje dentro de un solo concepto. Diferentes áreas del conocimiento han sumado esfuerzos para consolidar modelos, técnicas y métodos de diseño de herramientas basadas en informática que respalden, a través de la tecnología, ambientes diferentes a los utilizados por la educación presencial. 1

2

Ingeniero de sistemas, participa en el semillero de investigación SITICUC, [email protected]. Ingeniero de sistemas, especialista en Teleinformática de la Universidad Distrital y magíster en Comercio Electrónico de la Universidad de Barcelona, [email protected].

Gonzalo Joya Santana y Orlando Cristancho C.

Es importante destacar que los procesos de enseñanza-aprendizaje de la educación virtual son un medio para complementar el desarrollo académico en los estudiantes, así como para crear beneficios relacionados con uso de espacios físicos, desplazamientos, costos, acompañamiento, entre otros. El desarrollo multimedia se convierte en una herramienta para generar interactividad, lo que les permite a los estudiantes estar “inmersos en su aprendizaje, experimentando situaciones que agregan autenticidad y real impacto” (Rosenberg, 2001). Actualmente, existen diversos modelos de diseño que permiten crear contenido multimedia dentro del contexto académico. Estos modelos buscan crear ambientes enfocados en características de tipo pedagógico-didáctico que, en ocasiones, dejan de lado aspectos de diseño de software.

2. Marco teórico Los principales conceptos de este trabajo hacen referencia a la teoría general de sistemas (TGS), la educación virtual, la tecnología educativa, el diseño instruccional, los objetos de aprendizaje, la ingeniería de software educativo y el UML. 2.1 Teoría general de sistemas Hacia el año de 1930, el biólogo Ludwig von Bertalanffy planteó la teoría general de sistemas (TGS). En esta, se recogen conceptos tales como la computación, la simulación, teorías referentes a los comportamientos, los conjuntos, las gráficas, la cibernética, la información, entre otros (Bertalanffy, 1968). La TGS hace referencia a un proceso ordenado que permite llevar a cabo una aproximación y representación del mundo real a través de modelos que crean ambientes interdisci24

plinarios para el intercambio de información entre especialistas y especialidades. 2.2 Educación virtual La educación virtual se define como un proceso que permite acortar la distancia entre la enseñanza y el aprendizaje a través de una comunicación global entre profesores y estudiantes en tiempo real o de manera asincrónica. El desarrollo de la multimedia permite implementar nuevas estrategias metodológicas que complementan la educación presencial, semipresencial y a distancia, con lo cual se garantiza mayor cobertura y mejoramiento de los procesos académicos (Arboleda, 2005). 2.3 Tecnología educativa Robert Gagné (1990, p. 49) define la tecnología educativa como un cuerpo de conocimientos técnicos sobre el diseño sistemático y la conducción de la educación con base en la investigación científica. La tecnología educativa nace como un concepto que permite de manera sistemática desarrollar modelos pedagógicos desde un enfoque de la TGS. Los recursos de la tecnología educativa para uso dentro de un diseño didáctico son las personas (administradores, profesores, consejeros, monitores, tutores, etc.); las herramientas y equipos (proyectores, computadores, televisores, dispositivos móviles, etc.); los materiales (libros, diapositivas, videos, música, diagramas, mapas, etc.); los recursos ambientales (espacios físicos, bibliotecas, campos deportivos, auditorios, museos, etc.); y las actividades (técnicas como la simulación, los juegos, los trabajos de campo, etc.) (Correa, 1990). La figura 1 presenta el esquema de las áreas que intervienen en la tecnología educativa. En este esquema se resalta el diseño instruccional,

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Metodología para elaborar recursos educativos multimediales (Meterem)

pues, a partir de este y por medio de modelos sistémicos, se pretende establecer la manera de diseñar e implementar recursos multimedia educativos. Tecnología educativa

La figura 2 ilustra el esquema general propuesto para el diseño instruccional a partir del establecimiento de objetivos. Estos conducen a diseñar estrategias necesarias que permitan alcanzar las metas propuestas y verificar que el proceso de enseñanza-aprendizaje se completa a través de diferentes métodos de evaluación y retroalimentación.

Desarrollo curricular Objetivos

Estrategias

Evaluación

Diseño instruccional Retroalimentación Diseño y producción de medios

Manejo y entrega de medios Figura 1. Áreas derivadas de la tecnología educativa.

2.4 Diseño instruccional El diseño instruccional está asociado al concepto de tecnología educativa y hace referencia al planteamiento sistemático del proceso de enseñanza-aprendizaje (Correa, 1990). Está encaminado a optimizar de forma segura y ordenada este proceso a través de la instrucción. Diferentes autores, como Correa (1990) y Arboleda (1987), proponen las siguientes definiciones del diseño instruccional: • Es el nivel micro de la tecnología educativa. Se refiere expresamente a la forma como esta se aplica en el proceso específico y didáctico de enseñanza-aprendizaje (Ortiz, 1990, p. 112). • Es un sistema de enseñanza-aprendizaje cuya gestión inmediata está a cargo del grupo que lo desarrolla y en el cual todos sus componentes se interrelacionan e interactúan (Arboleda, 1987, p. 104).

Figura 2. Esquema básico del diseño instruccional.

2.5 Objetos de aprendizaje Los objetos de aprendizaje (OA) hacen referencia a un conjunto de recursos digitales que pueden ser utilizados en diversos contextos con un propósito educativo. Un OA está constituido por al menos tres componentes internos: contenidos, actividades de aprendizaje y elementos de contextualización. Además, el OA debe tener una estructura de información externa (metadatos) que facilite su almacenamiento, identificación y recuperación. 2.6 Ingeniería de software educativo La ingeniería de software educativo tiene como objetivo analizar necesidades educativas y diseñar aplicaciones con contenido educativo que faciliten y complementen el proceso de enseñanza-aprendizaje. 2.7 lenguaje unificado de modelado (UML) El UML nació por la necesidad de establecer un estándar que permita desarrollar software escalable y adaptable según las necesidades del usuario. El UML proporciona las herraRevista Ingeciencia, n.o 1, 2016

25

Gonzalo Joya Santana y Orlando Cristancho C.

mientas requeridas para diseñar sistemas con base en orientación a objetos.

3. Diseño de Meterem La metodología para elaborar recursos educativos multimediales (Meterem) ofrece, por medio de siete etapas, una solución para desarrollar contenido educativo multimedia de manera iterativa. La figura 3 muestra la estructura general de Meterem. De izquierda a derecha se ilustran cuatro bloques: análisis, diseño, implementación y distribución.

La etapa 1 hace parte del proceso de planeación de Meterem y de la forma como el grupo de trabajo hace el levantamiento de la información inicial para el diseño del material. Dicha información es extraída de diferentes medios (como textos, libros de autor, revistas, periódicos, internet, entre otros) y permite establecer cómo debe esquematizarse un paquete de instrucción. La etapa 2 hace referencia a cómo este material de base se logra estructurar como un contenido programático. Las siguientes etapas muestran las fases de implementación y las formas de distribución que serán desarrolladas más adelante.

Análisis

Diseño

Implementación

Distribución

1

2

5

7

Planeación, recursos y limitaciones

Tecnología educativa y diseño instruccional

Implementación

3

6

Formas de distribución

Pruebas

Adecuación tecnológica Documento de ingeniería de requerimientos del proyecto

Producto final en ejecución

4 Diseño de los REV orientados a objetos de aprendizaje y UML

Resultado 1

Prototipo

Resultado 4

Resultado 3

Modelo estructural y conceptual de los REV

Resultado 2 Figura 3. Esquema general de Meterem.

3.1 Análisis Este bloque comprende la planeación, los recursos y las limitaciones. Durante el desarrollo de este bloque, Meterem propone establecer las condiciones ini26

ciales necesarias para estructurar un proyecto que permita elaborar recursos multimedia educativos. A continuación, se define una estructura organizativa (un grupo de trabajo), se plantea el problema, se determinan los

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Metodología para elaborar recursos educativos multimediales (Meterem)

objetivos y se especifican las condiciones que debe tener la población objetivo, así como los recursos y limitaciones. 3.1.1 Estructura organizativa

Meterem propone los siguientes integrantes para la conformación del grupo de trabajo que diseñará el proyecto educativo multimedia: • • • •

Director del proyecto Conocedores del objeto de estudio Ingeniero de software Desarrolladores de software, gráficos multimedia

3.1.2 Planteamiento del problema

Sin importar su naturaleza, en el desarrollo de un proyecto se hace necesario identificar y plantear el problema que se pretende resolver. Esto permite al grupo de trabajo sentar las bases iniciales para adelantar el trabajo correspondiente a las siguientes etapas. 3.1.3 Objetivos y población objetivo

Meterem propone especificar el objetivo educativo y el detalle de la población objetivo (conocimiento de los estudiantes y de su entorno). 3.1.4 Recursos y limitaciones

El bloque de análisis de Meterem establece algunos recursos que pueden ser tenidos en cuenta para el desarrollo del proyecto educativo multimedia (recursos de tipo material, financiero y humano). A su vez, desarrollar un proyecto implica que se tomen en cuenta problemas tanto internos como externos. Estos se traducen en limitaciones de tiempo, espacio y territorio, así como económicas y sociales, entre otras, que deben ser identificadas y resueltas por el grupo de trabajo para evitar que se presenten contratiempos.

3.2 Diseño El bloque de diseño comprende tres fases: tecnología educativa y diseño instruccional; adecuación tecnológica; y diseño de recursos educativos virtuales (REV) orientados a objetos de aprendizaje y UML. 3.2.1 Tecnología educativa y diseño instruccional

La tecnología educativa y el diseño instruccional establecen un modelo sistémico para elaborar recursos educativos instruccionales con base en el proceso de enseñanza-aprendizaje. La elaboración de recursos multimedia didácticos permite aplicar los principales conceptos del diseño instruccional. Diferentes autores han representado con modelos la forma cómo se puede diseñar material de instrucción con base en el concepto de diseño instruccional. Meterem hace hincapié en como la teoría del diseño instruccional permite establecer la planeación y diseño del material de instrucción que será desarrollado en el bloque de implementación. La figura 4 muestra cómo se puede diseñar un proyecto de recursos multimedia con base en la teoría de diseño instruccional. Existen diferentes herramientas de software que facilitan el diseño de recursos educativos multimedia, no solo lenguajes de programación convencionales o tipo web, sino también otras herramientas que se catalogan como sistemas de autor y lenguajes de autor. Adicionalmente, a fin de establecer las condiciones iniciales de desarrollo, Meterem propone un formato que recoge algunos aspectos de la etapa de tecnología educativa y diseño instruccional, tales como los objetivos de aprendizaje, la elaboración de los paquetes de instrucción (módulos, unidades temáticas, actividades y evaluación), los componentes multimedia y las herramientas para el desarrollo de los REV. Revista Ingeciencia, n.o 1, 2016

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Gonzalo Joya Santana y Orlando Cristancho C.

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

Recolección y análisis de la información, establecer objetivos

Construcción del material de instrucción (paquetes de instrucción)

Implementación tecnológica (uso de software y hardware)

Producto final

Pruebas y retroalimentación

Etapa 5

Etapa 4

Figura 4. Etapas del diseño de recursos instruccionales.

Nombre del curso:

Curso de Radio Virtual de la Universidad Central

Nombre del módulo:

Historia de la radio

Objetivo del módulo:

Reconocer los principales hechos que llevaron a la creación y consolidación de la radio como medio de comunicación desde sus orígenes hasta nuestros días.

Detalle del módulo:

Número de unidades:

7

Actividades por unidad:

0

Detalle de la actividad: Componente/s multimedia:

Tipo de REV (recurso educativo virtual):

• Unidad 1: Orígenes • Unidad 2: Primeras transmisiones • Unidad 3: Radiodifusión • Unidad 4: Tecnologías de la radio • Unidad 5: Revolución de la radio • Unidad 6: La radio digital • Unidad 7: La radio virtual El módulo contiene una actividad que abarca las siete unidades desarrolladas. Imagen

Animación

Video

Audio

Simulación

Tutorial

Hipermedia

Modelo

Ejemplo

Práctica y ejercitación

Demostración

Resumen

Descripción

Herramienta de desarrollo propuesta:

Caso de estudio

EXE

Flash

Java

Camtasia

Dokeos

HTML5

.NET

Wink

Xerte

Impress

C#

Adobe InDesign

PHP

PowerPoint

Python

Adobe Captivate

JavaScript

Harvard Graphics

Visual Basic

Adobe Presenter

Otros. ¿Cuáles?: _________________________________________________________

Tipo de herramienta: Tipo/s de evaluación del módulo:

Sistema de autor

Lenguaje de autor

Lenguaje de programación

Lenguaje de programación web

Diagnóstica

Sumativa

Formativa

De retorno

Figura 5. Formato para diseño de módulos.

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Metodología para elaborar recursos educativos multimediales (Meterem)

3.2.2 Adecuación tecnológica

En el momento en que una institución educativa, una empresa o, en general, cualquier organización decide enfocar sus esfuerzos y presupuesto en la adecuación de espacios que permitan desarrollar actividades de educación virtual, estas deben tener en cuenta algunos aspectos para la transformación e integración efectiva de diferentes tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC). Es aconsejable que conformen un grupo experto para la adquisición y puesta en marcha de la infraestructura tecnológica necesaria. Dicho grupo debe estar en capacidad de responder preguntas básicas como ¿cuáles?, ¿cuántos? y ¿dónde? La primera pregunta hace referencia al tipo de equipos (escritorio, portátiles u otros); la segunda, al número de estos equipos. Y la tercera, a la ubicación física que tendrá la plataforma. Las tres preguntas dependen en gran medida del análisis de recursos y limitaciones ya descrito, siendo el factor económico la variable más importante para poder responderlas. A su vez, integrar procesos de TIC en diferentes lugares (colegios, universidades, empresas, entre otros) garantiza que los procesos de enseñanza-aprendizaje logren ser más efectivos, ya que se hace uso de herramientas tecnológicas. Ingeniería de software Ingeniería de requerimientos (IR) Diagramación UML Pruebas e implementación del sistema

Entre las soluciones tecnológicas, Meterem propone el uso de las siguientes: • Multiterminales • Pizarras digitales interactivas • Classmate • Dispositivos táctiles • Laboratorios virtuales Es importante resaltar que el avance tecnológico proveerá otros tipos de dispositivos que se pueden implementar según las necesidades de la comunidad en general. 3.2.3 Diseño de recursos educativos virtuales (REV) orientados a objetos de aprendizaje y UML

En esta etapa se establecen los parámetros que deben ser considerados por el grupo de trabajo para diseñar los REV, usando el estándar de la IEEE para metadatos de objetos educativos (IEEE P1484.12, Learning Object Metadata —LOM—) y los conceptos establecidos por la ingeniería de software para el diseño de aplicaciones con UML 2.0. A partir de estos elementos (LOM y UML), Meterem propone establecer un diseño conceptual de los REV usando los componentes del estándar LOM (categorías y tipos de datos) y algunos diagramas de UML (casos de uso, diagrama de clases, diagrama de actividad, diagrama de despliegue y diagrama de componentes).

Objetos de aprendizaje (OA)

+

Estándar IEEE para metadatos de objetos de aprendizaje (LOM)

=

Recurso educativo virtual (REV)

Figura 6. Fusión de UML y LOM.

La figura 6 muestra las bases conceptuales para diseñar un REV utilizando algunas técnicas de la ingeniería de software y de los objetos de aprendizaje. Esta combinación le permite al

grupo de trabajo diseñar los REV por medio de técnicas y herramientas informáticas. LOM hace referencia al estándar P1484.12.1-2002 de la IEEE, que permite a los Revista Ingeciencia, n.o 1, 2016

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objetos de aprendizaje operar entre sí para facilitar su uso, búsqueda, clasificación y evolución. Según la IEEE, un objeto educativo “hace referencia a cualquier entidad susceptible de ser usada en aprendizaje, educación o formación” (Estándar IEEE LOM, 2011). Esta definición permite que Meterem desarrolle un modelo a partir de los aspectos que definen a los objetos de aprendizaje (como su estructura y los tipos de datos que los componen). El estándar IEEE LOM permite definir algunos atributos (Estándar IEEE LOM, pp. 12-52) que facilitan estructurar los objetos de aprendizaje. Meterem hace referencia a los atributos más significativos que pueden ser usados como tipos de datos para el diseño de OA. De ese modo, los conceptos de UML y el estándar LOM dan paso a la formalización del modelo estructural y conceptual de los REV. 3.3 Implementación Este bloque de implementación contiene dos etapas: implementación de los REV y pruebas de estos. 3.3.1 Implementación de los REV

Esta etapa hace referencia a la elaboración de los REV aplicando, por medio de herramientas de software, las fases de planeación, análisis de requerimientos, tecnología educativa y diseño instruccional, adecuación tecnológica y diseño de los REV orientados a objetos de aprendizaje y UML. Con base en el modelo conceptual y estructural de los recursos, el grupo de trabajo está en capacidad de implementarlos haciendo uso de los recursos y herramientas descritas en la fase de diseño de esta metodología. El producto desarrollado con estas herramientas debe cumplir con las especificaciones hechas durante cada etapa, a fin de producir un REV según los parámetros establecidos. 30

3.3.2 Pruebas

En esta fase se propone ejecutar el plan de pruebas mediante el formato de diseño de pruebas. Este formato muestra en la primera columna, de izquierda a derecha, los tipos de pruebas y sus aspectos (referidos en la etapa de diseño de plan de pruebas). Para ponderar estos aspectos, el grupo de trabajo debe seguir las siguientes calificaciones de menor a mayor nivel: • • • • •

TD: total desacuerdo DA: desacuerdo AC: acuerdo TA: total acuerdo NA: no se aplica

Este formato le proporciona al grupo de trabajo una retroalimentación general del funcionamiento y ejecución de los REV, a fin de establecer planes de mejoramiento continuo dirigidos a la corrección de errores y actualización permanente. 3.4 Distribución Este bloque abarca la etapa de medios de distribución a través de sistemas LMS (learning management system, o sistema de gestión de aprendizaje) y computación en la nube. Un LMS es una aplicación residente en un servidor de páginas web en la que se desarrollan acciones de formación. A través de un LMS se pueden administrar usuarios, organizar cursos en un catálogo, redactar informes de gestión y de desarrollo de procesos de comunicación. Gracias al desarrollo de los LMS, las comunidades académicas pueden estar en contacto a través del uso de herramientas tales como foros, wikis, chats, entre otras, que permiten establecer sesiones de acompañamiento y retroalimentación de forma ubicua. Algunas características de un LMS son una base de datos para organizar, planificar y

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gestionar el aprendizaje, así como calendarios para organizar eventos y herramientas necesarias para evaluar a los estudiantes. Tabla 1. Algunos LMS que existen en el mercado

LMS propietario

LMS libre

Aulapp

LRN

Blackboard

ATutor

Class Live Pro (ECollege) Desire2Learn E-ducativa FigarOnline Fronter iLearning (ORACLE) Open Company (Catedra LTDA) SIDWeb Saba Learning Suite (Saba Software) SAP Online Learning Solution SUM Total KEDROS (SATEC) TRALCOM Web Campus WebCT

Chamilo

Claroline

Docebo

Dokeos

KeyWord

Proyecto Sakai

Videochat Virtual Moodle

El grupo de trabajo está en la libertad de escoger el LMS que más se ajuste a sus necesidades, bien sea software propietario o de uso libre. Además, la distribución del material de instrucción puede hacerse usando computación en la nube (cloud computting) u otros medios (CDROM, memorias USB, discos portables, etc.). El creciente auge de las tecnologías asociadas a internet ha permitido que se desarrollen nuevos paradigmas de gestión de los sistemas de información basados en TIC. La computación en la nube hace referencia a la idea de distribuir sistemas de hardware y software a través de internet.

Es así como esta provee recursos de las TIC tales como servicios de almacenamiento, de redes, de herramientas de colaboración, de comunicación, entre otros, de forma pública o privada (cloud public o cloud private). Los servicios de cloud public hacen referencia al uso de la nube para el público en general, de forma gratuita o prepagada. Ejemplos de estos son los servicios prestados por iCloud (Apple Inc.), Dropbox, Google Docs, entre otros. Los servicios de cloud private permiten el uso de la nube a corporaciones o empresas para el desarrollo de sistemas de cómputo con mayor protección de datos y seguridad. Estas nubes son administradas de manera privada por un solo cliente que tiene control sobre todos los sistemas de hardware y software dispuestos. Asimismo, el grupo de trabajo puede hacer uso de dispositivos de almacenamiento para distribuir el material de instrucción, tales como CD, memorias de almacenamiento USB, discos duros, entre otros. Para este tipo de distribución, deben tenerse en cuenta las condiciones de seguridad informática de la organización en donde se desarrolla el proyecto, para prevenir copias no autorizadas y garantizar un uso adecuado de los recursos.

4. Resultados Los resultados arrojados por cada uno de los bloques y etapas de Meterem fueron validados a través del diseño e implementación del Curso de Radio Virtual para la Universidad Central (CRVT-UC). El bloque de análisis genera como resultado 1 el documento “Ingeniería de requerimientos del proyecto”, que contiene la descripción de los requerimientos funcionales y no funcionales con los cuales se desarrollan los REV. Revista Ingeciencia, n.o 1, 2016

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El bloque de diseño genera como resultado 2 el modelo estructural y conceptual de los REV. Este modelo le permite al grupo de trabajo tener de manera esquemática el diseño instruccional y de software de los recursos que se van a implementar. El bloque de implementación genera como resultado 3 el prototipo de los REV. El bloque de distribución genera como resultado 4 el producto final en ejecución, que corresponde al montaje de un paquete de instrucción (curso) a través de diferentes medios descritos en este bloque.

5. Conclusiones Existen diferentes metodologías que permiten diseñar y crear contenido educativo multimedia según diferentes enfoques, tales como la gestión de proyectos, el UML, la ingeniería de software y el diseño instruccional. Usando la ingeniería de software educativo, la tecnología educativa y el diseño instruccional, se puede desarrollar un proyecto de diseño y creación de recursos educativos virtuales. Hay diferentes tipos de herramientas con las cuales se pueden elaborar los REV, tales como los sistemas de autor, los lenguajes de autor, los lenguajes de programación convencionales y la web. Se pueden usar diversos LMS, diferentes dispositivos de almacenamiento y la compu-

32

tación en la nube como medios para distribuir los REV. Meterem aporta dos conceptos para el diseño de proyectos educativos virtuales: UMLLOM y REV.

Reconocimientos Al ingeniero Diego Alexander Bueno Hernández, compañero durante el desarrollo de esta obra.

Bibliografía Bertalanffy, L. von (1868). Teoría general de los sistemas. México: Fondo de Cultura Económica. Correa, I. (1990). Elementos básicos de tecnología educativa y diseño instruccional. Medellín: Fundación Universitaria Luis Amigó. IEEE. Estándar LOM (s. f.). IEEE Xplore. Consultado el 2 de agosto de 2011 en http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_ all.jsp?arnumber=5445243. Rosenberg, M. (2001). E-learning: Estrategias para transmitir conocimiento en la era digital. Bogotá: McGraw-Hill.

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Dispensador de comida para perros recolectores de basura Food dispenser for waste collectors dogs Martín Alarcón Hernández, Luis Alfredo Cárdenas y Sara Estefanía Delgado1

Resumen En la actualidad, se encuentra una gran cantidad de desechos en espacios públicos (como parques, plazoletas, avenidas y calles). Para contribuir a solucionar esta problemática, es necesario contar con un dispositivo que ayude a reducir esta contaminación. Este, con un buen diseño e implementación, puede mejorar notablemente el entorno. Su diseño exhibirá una gran innovación que incentivará a los caninos a cooperar para solucionar el problema. Palabras clave: comida, dispensador,

basura, recolección

Abstract Now we have a lot of waste in public spaces such as parks, squares, avenues and streets. Which is necessary for a device to help us reduce this pollution which with good design and implementation significantly improve our environment, this design will have great innovation which will be to encourage the dogs to cooperate in solving the problem. Keywords: food, dispenser, waste,

collection.

1. Introducción Actualmente, en la ciudad de Bogotá se presentan innumerables problemas con el manejo de los residuos. Se puede observar que en nuestra ciudad faltan contenedores. Hay problemas en la clasificación de las basuras y existe poca cultura, pues algunas personas arrojan la basura en sitios públicos. Además, hay numerosos perros callejeros deambulando por las calles de Bogotá.Y estos son vistos como una plaga por muchas personas, pues son portadores de enfermedades, hacen estragos en los depósitos de basura, contaminan con restos de excrementos y pueden atacar a las personas. El descontento es tal que se han presentado varios casos de sacrificios de estos animales (envenenamiento, golpes). Según un reporte de la Secretaría de Salud del Distrito Capital, en Bogotá existen apro-

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Estudiantes de ingeniería electrónica, Universidad Central. Asesor: Gregory Johann Conde Méndez, ingeniero electrónico, magíster en Ingeniería Electrónica y de Computador, docente e investigador de la Universidad Central. [email protected].

Martín Alarcón Hernández, Luis Alfredo Cárdenas y Sara Estefanía Delgado

ximadamente 1 227 905 perros y gatos abandonados: 905 331 perros y 322 574 gatos que deambulan por las calles de la ciudad. Es necesario destacar que los perros son animales que siempre han acompañado al hombre en su proceso civilizatorio. Su presencia está probada en todas las culturas del mundo. Sienten frío y dolor y necesitan alimento y cuidado del ser humano. Por su naturaleza sociable, entienden la estructura social y las obligaciones, y a menudo aprenden rápidamente a cómo comportarse con otros miembros del grupo, ya sean perros o humanos. Ante esta problemática, se plantea el siguiente interrogante: ¿qué estrategia se podría utilizar para contribuir a la limpieza de la ciudad y, al mismo tiempo, ofrecerles una oportunidad a los perros para que no sean vistos como una plaga que debe ser eliminada y como causa de malestar social?

2. Dispositivo dispensador de comida Se plantea desarrollar un dispositivo dispensador de comida. Este requerirá los siguientes materiales: • Tolva de almacenamiento de comida (concentrado). • Caja de almacenamiento de basura. • Sensores para detectar la basura. • Plato para comida. • Reguladores de tensión de 5 V (DC) y de 12 V (DC), respectivamente. El dispositivo estará diseñado con un mecanismo de dosificación tipo tornillo. Para eso, se usará un tornillo sin fin que será impulsado por un motor que, a su vez, será activado por una señal generada por un sensor. Todo esto será alimentado por unos circuitos de con34

versión y rectificación que garantizarán el correcto funcionamiento del dispositivo.

3. Resultados Se diseñó un dispositivo dosificador automatizado provisto de un mecanismo de dosificación tipo tornillo que es activado por una señal generada por un sensor óptico. Cuando la mascota deposite basura en un contenedor, este le suministrará alimento. Para el depósito del alimento de las mascotas se utilizará un prototipo accionado por un motor acoplado con caja reductora para aumentar la fuerza del sistema. El alimento será desplazado por un rodillo sinfín que, dependiendo del tiempo que este dure en rotación, suministrará cierta cantidad de alimento. El adiestramiento de perros es algo que requiere tiempo y dedicación. En esta parte del proyecto solo se hicieron pruebas del prototipo con mascotas domesticadas.

4. Discusión Existen diferentes iniciativas que buscan contribuir a la solución de la problemática de los perros callejeros. En la ciudad de Santa Marta se han instalado dispensadores de comida para animales callejeros denominados Comedog. Estos aparecieron por primera vez en enero de 2015 cuando Juan Manuel Montoya, un veterinario residente en Barranquilla, decidió llevar alimentación a los caninos y felinos en estado de vulnerabilidad de Puerto Colombia (Atlántico). Desde entonces, la idea se ha extendido a más de cuarenta municipios del país (El Tiempo, 2015, junio 19). En Manizales, estudiantes

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Dispensador de comida para perros recolectores de basura

de ingeniería eléctrica de la Universidad Nacional de Colombia diseñaron y construyeron un dispensador automático de alimento para perros y gatos que funciona al hacer una llamada desde un teléfono móvil, a fin de que las mascotas contaran con una alimentación balanceada y sin alterar la vida y los compromisos de sus amos (Universidad Nacional de Colombia, 2015, junio 17). En Turquía, entre otros países, existe una campaña de reciclaje de botellas plásticas llamada “Ideas con corazón: Reciclaje de botellas y comederos para animales callejeros” (La Bioguía, 2014, agosto 3). Este ingenioso proyecto, creado por la compañía Pugedon, consiste en una máquina que, con cada botella de agua que alguien recicla, suministra bebida y comida a los animales callejeros. Ya se ha puesto en marcha en Estambul (Turquía). La máquina funciona porque los ingresos obtenidos por las botellas recicladas cubren los costos de la comida que la máquina deja caer, según aseguran los creadores de Pugedon. Estambul es conocido por su gran número de perros callejeros, tiene alrededor de 150 000.

5. Entrenamiento de perros Los perros de la calle se comportan de manera muy diferente a como lo hacen los domésticos. Pero pueden llegar a ser adiestrados con el fin de acabar con el peligro y el problema que provocan en la sociedad. Las capacidades cognitivas del perro son el resultado de un largo proceso de evolución durante el cual han experimentado un continuo desarrollo y modificación. Los perros disponen de una serie de pautas de comportamiento típicas de la especie destinadas a satisfacer sus necesidades, tanto

internas como externas y que han servido para la adaptación y perpetuación de la especie a los distintos ecosistemas en donde ha estado presente (Miranda, 2010). Los perros son animales muy inteligentes y pueden aprender diferentes actividades usando diferentes métodos.

6. Conclusiones Los comederos automáticos para perros callejeros ofrecen una oportunidad de mejora tanto para los perros como para la sociedad: por un lado, se mitiga el desprecio hacia los animales; por otro, este colabora con el aseo de la ciudad. La inteligencia e instinto de supervivencia de los perros les facilita el aprendizaje de una tarea repetitiva, más aún si esta tiene que ver con la consecución de su alimento.

Bibliografía El Tiempo (2015, junio 19). Primer dispensador de comida para perros y gatos llega a Santa Marta. Consultado en http://www. eltiempo.com/colombia/otras-ciudades/dispensadores-de-comida-para-perros-en-santa-marta/15970336. Universidad Nacional de Colombia. (2015, junio 17). Mascotas podrían ser alimentadas desde el celular. Consultado en http:// www.agenciadenoticias.unal.edu.co/ ndetalle/article/mascotas-podran-ser-alimentadas-desde-el-celular.html. La Bioguía. (2014, agosto 3). Ideas con corazón: Reciclaje de botellas y comederos para animales callejeros. Consultado en http:// Revista Ingeciencia, n.o 1, 2016

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Martín Alarcón Hernández, Luis Alfredo Cárdenas y Sara Estefanía Delgado

www.labioguia.com/notas/ideas-con-corazon-reciclaje-de-botellas-y-comederos-para-animales-callejeros.

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Miranda, A. P. (2010). Psicología del aprendizaje y adiestramiento del perro. España: Días de Santos.

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Máquina de precisión y celebración Precision and celebration machine Aliex Trujillo García1

Resumen El reloj atribuido a Christiaan Huygens es una de las máquinas más importantes en la historia de la ingeniería mecánica. Este reloj influyó en el desarrollo de la navegación y en el ascenso de la precisión. En la historia del reloj y la medición del tiempo podemos encontrar pistas para mejorar nuestros posibilidades del futuro. Por otro lado, la biblioteca es la institución de la cultura que preserva la historia. En ella encontramos las máquinas que enriquecen la formación de los futuros ingenieros. Palabras clave: historia de las máquinas, educación en ingeniería.

Abstract The clock attributed to Chistiaan Hyngens is one of the most important machines in the history of mechanical engineering. This clock influenced the development of navigation and advancement of precision. In the history of the watch and timekeeping we can find clues to improve our possibilities for the future. The library is the institution of culture that preserves the history.We find in the library machines that enrich the education of future engineers. Keywords: machine history, Engineering Education

1.

Preámbulo

Estuvimos en la biblioteca de la Universidad Central celebrando el Día del Ingeniero. Como ya saben, la biblioteca es el espacio en donde circula el acumulado de información de las tradiciones que hemos sabido resguardar como cultura humana. Nuestra biblioteca me invitó a celebrar este día con una conferencia y decidí hacer una pequeña revisión de una pequeñísima parte del acumulado que reposa en la Institución. Para hacer esa revisión me enfoco en una máquina, dado que la máquina es uno de los objetos de estudio preferido de los ingenieros. La máquina es el reloj en sus épocas y un reloj en particular: el reloj que se le atribuye al holandés Christiaan Huygens. Lo hago porque creo que es una máquina fundacional de la ingeniería.

2. Breve recorrido temporal En principio, un reloj es una máquina con la convención de una escala de duración asociada. Los relojes de sol, 1500 años antes de nuestra era, marcaban las horas aproximadas, 1

Ingeniero mecánico, Dr. (c) en Educación. Profesor de la Universidad Central, [email protected].

Aliex Trujillo García

por cuanto el sol tiene una variación angular anual que depende de la latitud. Han existido relojes de sol de geometría compleja que llegan a corregir estos comportamientos regulares y aparentes, como el antiquísimo Sechat egipcio o, en la actualidad, el reloj de precisión de Bütgenbach (Bélgica). Desde el siglo XIV a. C., el reloj de agua consistió en un orificio lateral y adyacente al fondo de una vasija de barro. Ahora sabemos que los intervalos se alargan porque, al vaciarse el recipiente, disminuye la presión hidrostática y, por lo tanto, disminuye la velocidad del chorro de agua por el agujero —el caudal o la “cantidad de agua”— y tiene mayor duración un mismo intervalo de división en una escala regular de vaciado. Si medimos con un reloj de áncora o de pulsos el tiempo de vaciado del recipiente del reloj de agua podemos darnos cuenta del error. Lo detectamos porque sabemos que, a intervalos iguales del reloj de referencia, el reloj de agua se demora más hacia el final. La precisión es un efecto de la teoría del instrumento, de un acumulado del pensar al erigir un mundo. Los griegos usaron los relojes de agua para medir la duración de la palabra en la asamblea de hombres libres, inventores de la democracia. Una de las reglas de aquellas asambleas, en la época de Pericles, siglo V a. C., era el balance en la duración del uso de la palabra en el ágora de la polis ateniense. Para ese uso no se necesitaba nada más. En cada intervención, el recipiente se llenaba.Y cuando se vaciaba y concluía el orador, se volvía a llenar. La precisión en la duración para estos usos del instrumento es irrelevante en un margen. Lo que ordena la diferencia de tiempos de vaciado es irrelevante para la temporalidad de los procesos en la asamblea de hombres libres de hace veinticinco siglos. La clepsidra, un reloj de agua usado ya por los egipcios y posterior38

mente por los griegos, era incapaz de medir todas las horas del día o de la noche porque no estaba sincronizada con la duración de los movimientos astronómicos, sino con la gravedad. En el siglo III a. C., el famoso Ctesibio inventó el horologium ex aqua, el primer reloj de agua calibrado y numerado (Mumford, 2006). El reloj de arena presentaba el mismo problema. Los líquidos se deforman con una cierta proporcionalidad y el agua se destaca por hacerlo con una proporcionalidad lineal. Las partículas sólidas abrasivas, como las de la arena, tienen características de más complejidad, como la irregularidad en el tamaño y la forma del grano y la humedad de adherencia (aunque ya podemos hacer un tamizado de orden milimétrico para el grano y deshidratarlos). En general, al disminuir la presión de la cantidad de arena, disminuye el tiempo de vaciado. Ahora sabemos eso porque tenemos disponible una teoría con una precisión de orden superior a una opinión desprevenida o interesada al respecto.

3. Otro reloj En el periodo histórico posterior al Imperio romano y anterior al Renacimiento del siglo XV, la artesanía se desarrolló más que la ciencia. Los fundamentos de la ciencia estaban circunscritos a parte de la filosofía griega, al misticismo y tuvo resistencia ideológica por parte de una poderosa institución, la Iglesia católica. Es común en los colegios divulgar la idea de que es un periodo oscuro en el que la Inquisición, que era un aparato de la Iglesia, condenaba el libre pensamiento necesario para hacer avanzar la ciencia. La baja Edad Media instauró la escolástica, que fue condición de posibilidad de las artes liberales, de la ciencia

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La máquina de precisión una celebración

moderna. Por entonces se separaban las artes liberales de las artes mecánicas. Grosso modo, en el siglo XVII, que es el más importante para la ingeniería, la artesanía de los maestros mecánicos se encontró con la ciencia y produjo la ingeniería (Mumford, 2010). Un hito interesante de ese encuentro es cuando, gracias a un encumbrado grupo multinacional de científicos, se consolidó la más moderna de las máquinas: el reloj. Hasta el siglo XVII, los relojes eran marca de posición social encumbrada. Los relojes eran objetos estéticos y del divertimento, monumentos a la exquisitez de los oficios. La ciencia demandaba, para sus algoritmos, de experimentación a escalas de duración más regulares, estables y pequeñas. La isocronía apareció como concepto de esa ciencia y echó mano de un lugar geométrico ya trabajado desde los griegos: la cicloide. Ya existían los relojes de péndulo. Sobre la importancia del péndulo en los relojes y la función que realizan le pueden preguntar a uno de nuestros bibliotecarios, Reinaldo (amigo e inventor), que es un aficionado a estos relojes y un restaurador consumado de estos. Los relojes de péndulo eran bella e ingeniosamente engalanados para la adquisición de reyes y campanarios de grandes burgos. Christiaan Huygens, que era uno de esos burgueses, se relacionaba con los principales científicos europeos del siglo XVII. Se unió a la investigación de la isocronía y encontró en la cicloide la manera de producirla (Koyré, 1994). En 1673, Huygens escribió el libro Horologium Oscillatorium: sive de motu pendulorum ad horologia aptato demostrationes geometricae (The pendulum clock: or geometrical demonstrations concerning the motion of pendula as applied to clocks), donde hace su propuesta de reloj. Allí dice:

El péndulo simple no puede ser considerado como una medida del tiempo segura y uniforme, porque las oscilaciones amplias tardan más tiempo que las de menor amplitud; con ayuda de la geometría he encontrado un método, hasta ahora desconocido, para suspender el péndulo; pues he investigado la curvatura de una determinada curva que se presta admirablemente para lograr la deseada uniformidad. Una vez que hube aplicado esta forma de suspensión a los relojes, su marcha se hizo tan pareja y segura que, después de numerosas experiencias sobre la tierra y sobre el agua, es indudable que estos relojes ofrecen la mayor seguridad a la astronomía y a la navegación. La línea mencionada es la misma que describe en el aire un clavo sujeto a una rueda cuando esta avanza girando; los matemáticos la denominan cicloide, y ha sido cuidadosamente estudiada porque posee muchas otras propiedades; pero yo la he estudiado por su aplicación a la medida del tiempo ya mencionada, que descubrí mientras la estudiaba con interés puramente científico, sin sospechar el resultado. Queda claro que el científico holandés tenía su corazón en la ciencia, a pesar de que su origen familiar y de ciudad estaba en el comercio.

4. El reloj cicloide De forma paralela había una necesidad de navegar para expandir a una Europa agotada de recursos. La discusión en la historia de la técnica es entre aquellos que defienden que una necesidad de recursos presionó a la ciencia para que produjera el reloj cicloide y, por lo tanto, una estabilidad cualitativamente su-

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Aliex Trujillo García

perior, por un lado, y aquellos que defienden que la precisión de los algoritmos de la ciencia produjo un instrumento que encontró, por estar disponible, aplicación en la navegación para la búsqueda de recursos. Me detendré en la primera posición de la discusión. Los largos viajes transatlánticos fueron motivados por la escasez que en Europa trajeron las guerras y por la extracción casi total de la biomasa arbórea, lo que demandó una precisión en la localización de las trayectorias (Rossi, 1966). Desde miles de años la latitud se media por la estrella polar en el hemisferio norte y por la cruz del sur en el hemisferio sur. Para esto, se llegó a contar con el astrolabio y, posteriormente, con el sextante (sexta parte de un círculo completo). Para la proyección de un sistema cartesiano, la localización se efectúa con dos datos; uno de esos es la latitud, qué tanto al norte o al sur se está, y el otro es la longitud, qué tanto al oeste o al este se está. Para esto, el método era calcular el desplazamiento, pues ya se sabía de qué manera dependía el desplazamiento de la velocidad y que la velocidad dependía del tiempo.Y el tiempo podía medirse con un reloj en el barco. Si el reloj que se usaba era de péndulo, había la dificultad de que, con los vaivenes de la embarcación, la oscilación del péndulo dejaba de ser regular. La isocronía en una oscilación circular es aproximada para muy pequeñas amplitudes, nunca para las amplias oscilaciones de altamar. El problema que resolvió la ciencia se tradujo, en la navegación, en una solución tecnológica tan importante que le dio inicio a una disciplina: la de la ingeniería. Resulta que Huygens encontró una oscilación del péndulo del reloj para que, independientemente de la amplitud de la oscilación, el tiempo de oscilación no cambiara. El científico burgués hizo oscilar el péndulo entre guías 40

(platinas) en forma de curvas cicloides. La curva cicloide tiene dos propiedades: la propiedad braquistócrona y la propiedad tautócrona. La primera se verifica porque es la forma de la curva por donde un punto recorre más rápido, bajo efecto gravitatorio, un descenso entre dos alturas cualesquiera. Esta propiedad la demostró Bernoulli, un científico con el que se trabaja muchas veces en la carrera y en la vida profesional de ingeniero. La segunda propiedad se verifica porque, independientemente de la altura desde donde un punto descienda, siempre pasará por una misma referencia al mismo tiempo. Esta última propiedad la demostró Huygens. La oscilación del péndulo entre la forma de la curva cicloide produce una oscilación que no depende de la amplitud. Es una oscilación isocrónica y, con ella, un salto de precisión a la que se acogió, a partir del siglo XVII, toda la medición en ingeniería. Siendo el tiempo más regular, independientemente del mar que se navegara, y midiendo la cantidad de nudos a los que se desplazaba el barco, nudos que se hacían a distancia regular en una cuerda que se iba soltando con lastre, se podía establecer la velocidad y la posición geográfica o la localización.

5. Posfacio En la actualidad, la precisión necesaria para la labor humana de la tecnociencia ha agotado las posibilidades planetarias como referencia de la duración. El reloj atómico convierte en patrón de tiempo la longitud de onda de la radiación de vapores de Cesio, patrón más independiente de las fluctuaciones del movimiento de la masa terrestre. El reloj de péndulo cicloide influyó poderosamente, como máquina, en la actitud cien-

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La máquina de precisión una celebración

tífica que dio paso a la disciplina de la ingeniería, la profesión que celebra Colombia el día el 17 de agosto de cada año.

Bibliografía Mumford, L. (2006). Técnica y civilización, Madrid: Alianza Editorial.

Mumford, L. (2010). El mito de la máquina: técnica y evolución humana. La Rioja: Pepitas de Calabaza. Koyré, A. (1994). Pensar la ciencia. Barcelona: Paidós. Rossi, P. (1966). Los filósofos y las máquinas, 1400-1700. Barcelona: Editorial Labor.

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Diseño de dispositivo háptico que simula cambios de temperatura según la posición de la mano con respecto a su entorno virtual Design of a haptic device that simulates temperature changes depending on the position of the hand relative to his virtual environmentx Vladimir Prada1, Andrés Acuña2, Hans Araque3 y Andrés Velandia4

por medio del sistema embebido Arduino, que genera una señal de PWM (modulación por ancho de pulso) y está encargado de realizar la comunicación con el entorno virtual en Unity, que es una plataforma que incorpora un lenguaje de programación gráfico y de código C.

Resumen La mayoría de simulaciones hechas hasta el momento en entornos virtuales involucran exclusivamente la vista y el oído. Pero la creciente necesidad de lograr mayor fidelidad en las representaciones obtenidas y de incrementar la sensación de inmersión del usuario dentro de un entorno virtual exige un componente de interactividad que solo puede alcanzarse mediante dispositivos de tipo háptico (para el tacto).

En la fabricación del dispositivo se logra que el usuario sienta, en la palma de su mano, los cambios de temperatura (frío y calor) con respecto a la variación de posición en su entorno virtual (nevado y volcán). Así se logran avances para futuros videojuegos al crear mayor conectividad entre el usuario y la máquina.

En este artículo se presenta el diseño de un dispositivo háptico que simula cambios de temperatura y crea la sensación de caliente o frío en la palma de la mano según la posición en la que se encuentre en el entorno virtual. Usando un sensor infrarrojo de proximidad se determina la distancia de la mano. El control de temperatura se hace 1

2

Ingeniero mecatrónico, magíster en Sistemas Automáticos de Producción, integrante del grupo de investigación GIAR de la Universidad Central, [email protected]. Estudiante de Ingeniería Electrónica, Universidad Central, [email protected].

Palabras claves: háptica, sensor, sistema embebido, entorno virtual (Unity).

2

4

Estudiante de Ingeniería Electrónica, Universidad Central, [email protected]. Estudiante de Ingeniería Electrónica, Universidad Central, [email protected].

Vladimir Prada, Andrés Acuña, Hans Araque y Andrés Velandia

Abstract Most simulations performed so far in virtual environments involving only the sight and hearing, but the growing need for greater fidelity representations obtained and to increase the sense of immersion of the user within a virtual environment requires a component of interactivity that can only be achieved through haptic devices type. This article describes the design of a haptic device that simulates temperature changes creating the sensation of hot or cold in the palm according to the position where it is in the virtual environment is presented. Using an infrared proximity sensor distance hand is determined; the temperature control is performed by means of Arduino embedded system, generating a PWM signal (pulsewidth modulation) that is also responsible for performing communication with the virtual environment Unity which is a platform that incorporates a programming language graphic and code C. In the embodiment of the device it is achieved that the user feel changes in temperature (hot and cold) in the palm of your hand with respect to the change in position in its (snowy and volcano) virtual environment and making progress for future games, creating greater connectivity between the user and the machine. Keywords: haptics, sensor, embedded

system, virtual environment (Unity).

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1. Introducción En la actualidad, los dispositivos hápticos han proporcionado grandes avances tecnológicos. Han logrado la interacción entre el mundo real y el mundo virtual con sensaciones básicas que se pueden tener por medio del sentido del tacto. El estudio de la háptica se basa en señales sensoriales que surgen de la interacción con entornos reales o virtuales que incluyen variables físicas como fuerza, momento, dureza, viscosidad, temperatura, etc., que provienen de las características propias de aquello que se toca, pero también de la persona que lo toca. En 1985, se llevó a cabo un sencillo experimento de importantes consecuencias teóricas. En esencia, no se trataba más que de presentar 100 objetos de uso común y evaluar la precisión y rapidez con la que era posible identificarlos. El nivel de reconocimiento fue muy alto, no solo en cuanto a la adecuación de las respuestas de identificación (95 %), sino también con respecto a la rapidez con la que estas se produjeron (el 68 % se dieron en menos de tres segundos y solo el 6 % de las respuestas requirió más de cinco segundos) (Jover, 1992). Según esto, el propósito de diseñar dispositivos hápticos es que el usuario pueda percibir múltiples sensaciones de tal forma que se cree un ambiente de inmersión entre usuario y máquina. Dispositivos como Cybergrasp, Phantom Omni y equipo quirúrgico Da Vinci son un claro ejemplo de la evolución que han tenido este tipo de dispositivos, que, además, son utilizados en diferentes áreas de la ciencia. El empleo de sistemas de realidad virtual como método de propiocepción en parálisis cerebral constituye un nuevo enfoque de tratamiento que refuerza el aprendizaje motor orientado a tareas (Pereira, 2014). Así mejora

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Diseño de dispositivo háptico que simula cambios de temperatura, según la posición

la calidad de vida de las personas en condición de discapacidad. El dispositivo háptico desarrollado logra crearles la sensación térmica a los usuarios, que experimentan cambios de temperatura según la distancia a la que se encuentre la mano referente del sensor infrarrojo de proximidad. Este movimiento se visualiza en un entorno virtual. Su objetivo es ayudar a la investigación de los problemas de somestesia (alteraciones de la sensibilidad) y a la creación de nuevos videojuegos basados en una interacción más real entre usuario y máquina.

2. Materiales y métodos Se diseñó el flujograma de la metodología desarrollada (figura 1) y que debe tener el dispositivo para que funciones de manera adecuada, a fin de que no les provoque lesiones a los usuarios. Los elementos que se utilizaron fueron los siguientes: sensor de distancia (GP2Y0A41SK0F), para determinar la posición; celda de Peltier, como actuador termoeléctrico; el sistema embebido Arduino, para hacer el control del dispositivo y la comunicación con la interfaz gráfica del computador; y el sensor de temperatura (LM35), que envía una señal

2.1 Entorno virtual en Unity El entorno virtual se desarrolló en la plataforma Unity, que permite programar las funciones de envío y recepción de datos en código C. De ese modo se garantiza que el usuario interactúe en tiempo real con el prototipo. En la figura 2, se observa un cubo blanco. Este objeto es el encargado de generar la interacción con el usuario. En el punto medio, en donde se encuentra el objeto, el usuario sentirá la temperatura ambiente. Pero, a medida que mueva la mano al nevado o al volcán, sentirá la respectiva sensación de calor o frío. 2.2 Sensor de proximidad GP2Y0A41SK0F Para determinar la posición del objeto se utilizó el sensor infrarrojo GP2Y0A41SK0F, que tiene una salida análoga. El rango de medición del sensor es de 4 a 40 cm y la salida del sensor es una señal análoga, en el rango de 0,3V a 2,8V. Esta señal analógica es leída mediante una de las entradas análogas del sistema embebido Arduino (Banzi, 2011) y es procesada para obtener el dato de distancia en centímetros.

Proceso

Entradas

Sensor de temperatura y proximidad

análoga al Arduino para que no sobrepase el rango de trabajo de la celda de Peltier, lo que asegura que el usuario no sufra ninguna lesión.

Salidas Registro de temperatura

Control del sensor de proximidad (Arduino)

Alimentación

Figura 1. Flujograma dispositivo háptico. Fuente: elaborado por el autor, 2015.

Control de temperatura (Arduino)

Control de la celda de Peltier (Arduino)

Actuador Visualización en interfaz de Unity

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microcontrolador, que tiene una resolución de 10 bits. De ese modo se obtiene la ecuación 1: 5V (1) 210 Resolución = 4,887 mV / bit Resolución =

Donde la conversión de bits a voltios está dada por la ecuación 2: 4,88mV ⎞ Voltios = Dato ⎛ (2) ⎝ bit ⎠ Figura 2. Entorno virtual en Unity. Fuente: elaborado por el autor, 2015.

2.3 Alimentación y etapa de regulación de voltaje La fuente de alimentación utilizada por este equipo es una fuente conmutada de 12V (DC) a 13 A. Esta provee de energía a todo el sistema y entrega así la potencia necesaria. La celda de Peltier es el dispositivo que más corriente necesita para entrar en operación. 2.4 Funciones del Arduino en el prototipo El sistema Arduino (figura 3) es un sistema embebido de código abierto utilizado para desarrollar y programar elementos electrónicos (Gibb, 2010). Puede recibir y enviar información a la mayoría de los dispositivos e, incluso, se puede comunicar a través de internet. Esta tarjeta incorpora un microcontrolador marca ATMEGA328, que se encarga de todos los procesos aritméticos y lógicos del dispositivo háptico (Atmel Corporation). El mando del dispositivo se ejecuta por medio del sistema embebido Arduino. El código permite controlar la celda de Peltier usando la señal de PWM y teniendo en cuenta la variación de tensión en la salida del sensor de proximidad con una relación de 0,1V/cm. Esta es capturada por el conversor análogo digital del 46

En donde Dato es el valor que se obtiene del valor registrado por el conversor análogo digital. Para poder tener la posición del objeto se hace la conversión de voltios a centímetros, que da la ecuación 3: 10cm ⎞ Distancia = Voltios ⎛ (3) ⎝ v ⎠ Por último, se varía el ancho del pulso para controlar la celda teniendo en cuenta la distancia en la que se encuentra la mano del sensor de proximidad. Esto da la ecuación 4: ⎛ Distancia − PM ⎞ (4) PWM = ⎜ ⎝ 13,5 × 255 ⎟⎠ Donde PM es la mitad del rango de distancia, que es el punto de referencia para aumentar o disminuir la temperatura de la celda.

Figura 3. Sistema embebido Arduino UNO. Fuente: www.arduino.cc.

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Diseño de dispositivo háptico que simula cambios de temperatura, según la posición

2.5 Función del módulo de Peltier en el prototipo El efecto Peltier se caracteriza por la aparición de una diferencia de temperaturas entre las dos caras de un semiconductor cuando por él circula una corriente. Por lo general, dichas celdas están fabricadas con bismuto (para la cara del semiconductor tipo P) y telurio (para la cara tipo N) (Sandoval, Espinosa y Barahona, 2007). En el prototipo, el módulo de Peltier es controlado con la señal PWM que genera el Arduino. Dicha celda es la que provoca el delta de temperatura en la mano. Para pasar de caliente a frío, o viceversa, se requiere cambiar la polaridad de la celda. Esto produce aspiración calórica en el lado de baja temperatura y se produce calor en el lado de alta temperatura. Es decir, cumple la función de bomba de calor (figura 4). Aspiración calórica

Temperatura baja

Metales

Semiconductores Semiconductores tipo P tipo N Temperatura alta Corriente eléctrica

Metales

Radiación calórica

Además, el uso del módulo de Peltier ofrece las siguientes ventajas: • No se utiliza el freón para la refrigeración y no tiene efectos negativos sobre el medioambiente. • Es de tamaño pequeño y liviano. • No solo se puede refrigerar. También se puede calentar con solo cambiar la dirección de la corriente eléctrica. • Tiene buena reacción a la temperatura, es decir, se calienta y enfría con rapidez. • Al no tener piezas móviles, no produce ruido ni vibración. • Es de fácil mantenimiento, pues no hay que preocuparse por pérdidas de líquido ni de gases refrigerantes. 2.6 Sensor de temperatura LM35 El sensor integrado LM35 tiene como función medir la temperatura para asegurar el nivel de operación adecuado. Este proceso consiste en medir la temperatura del módulo de Peltier y garantizar un nivel máximo de 40 ºC y un nivel mínimo de 5 ºC. La tensión de salida del sensor es linealmente proporcional a la temperatura en grados centígrados. Este no requiere calibración externa y tiene un rango de funcionamiento desde los –55 ºC hasta los 150 ºC (Liu et al., 2011, agosto). Por cada variación de un grado en la temperatura hay una variación de diez mV en la salida del sensor. Esta salida análoga está conectada al bit 0 del puerto A del sistema embebido Arduino. De esta manera, cuando la celda se sale del rango de operación, el microcontrolador desactiva la alimentación del módulo.

V Figura 4. Celda de peltier. Fuente: www.z-max.jp.

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Vladimir Prada, Andrés Acuña, Hans Araque y Andrés Velandia

3. Resultados y discusión de resultados Se diseñó un dispositivo háptico tipo mouse capaz de producir una estimulación térmica en la palma de la mano para percibir sensaciones de temperatura (figura 5) que pasan por diferentes niveles de calor y frío. Además, se diseñó una interfaz en Unity cuyo fin es que el usuario que manipule el dispositivo pueda interactuar con un entorno virtual. Este proyecto está enfocado en utilizar cuatro componentes de gran importancia para su correcto funcionamiento, a saber: la celda de Peltier, el sensor de temperatura, el sensor de proximidad y el sistema embebido Arduino.

Figura 5. Dispositivo háptico. Fuente: elaborado por el autor, 2015.

El dispositivo háptico está diseñado de tal forma que no les ocasiona lesiones a los usuarios, pues el sensor de temperatura (LM35) envía una señal análoga al Arduino para que no se salga del rango de operación que está contemplado (entre 5 ºC y 40 ºC). La plataforma Unity permite una interacción en tiempo real con el usuario: este pone la palma de su mano sobre la celda de Peltier y en el punto medio siente la temperatura ambiente; pero, a medida que desplace la mano, sentirá calor o frío según la dirección del movimiento (figura 6).

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Figura 6. Montaje final del dispositivo. Fuente: elaborado por el autor, 2015.

4. Conclusiones Con el conocimiento y tecnologías que tenemos hoy en día se pueden desarrollar diferentes dispositivos que son capaces de ayudar a personas en estado de discapacidad con problemas de asterognosia (dificultad de reconocimiento de objetos a través del tacto), apraxias (control del movimiento voluntario), hemineglicencia contralateral (ignora la parte izquierda del cuerpo y del espacio extrapersonal), etc. De ese modo se mejora la calidad de vida de las personas con este tipo de problemas. Para diseñar un prototipo háptico de temperatura es indispensable establecer los rangos de trabajo de la celda por medio del sensor de temperatura, pues, de lo contrario, el usuario podría sufrir lesiones en la piel debido a que la celda cambia de temperatura rápidamente. Una desventaja que se encontró en el prototipo es el alto consumo de corriente por parte de la celda de Peltier, pues esta trabaja a 12V (DC) y 6 A.Y esto podría ser un factor de riesgo eléctrico para el usuario.

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Diseño de dispositivo háptico que simula cambios de temperatura, según la posición

Bibliografía Jover, J. L. (1992).Tacto inteligente: el papel de las estrategias de exploración manual en el reconocimiento de objetos reales. Anales de Psicología, 8(1-2), 91-102. Pereira, E. M., Rueda, F. M., Diego, I. A., De la Cuerda, R. C., De Mauro, A. y Page, J. M. (2014). Use of virtual reality systems as proprioception method in cerebral palsy: clinical practice guideline. Neurología (english edition), 29(9), 550-559. Banzi, M. (2011). Getting started with Arduino. Sebastopol: O’Reilly Media, Inc. Gibb, A. M. (2010). New media art, design, and the Arduino microcontroller: A malleable tool (tesis doctoral, Pratt Institute, Nueva York). Consultado en http://aliciagibb. com/thesis/.

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Revista Ingeciencia, n.o 1, 2016

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Modelo matemático para determinar los cursos que se deben inscribir para minimizar el tiempo de terminación del pregrado Mathematical model to determine the courses to enroll to minimize undergraduate studies completion time José Sánchez1 y Jainet Bernal2

Resumen

Por último, se describe el desarrollo de una aplicación de escritorio que permite la rápida y sencilla manipulación del modelo por parte del estudiante.

En este artículo se presenta una aplicación de la investigación de operaciones en el sector universitario que busca dar respuesta a la necesidad que, cada semestre, tienen los estudiantes de pregrado de seleccionar las materias para inscribir. Para esto, se ha desarrollado y validado un modelo matemático basado en la programación lineal entera mixta que ayuda a los estudiantes de ingeniería industrial de la Universidad Central a identificar los cursos que tienen que inscribir para minimizar el tiempo de finalización de sus estudios de pregrado. El modelo contempla requisitos, presupuestos y un histograma con tasas de aprobación por materia que minimizan de manera indirecta el tiempo de duración del pregrado y, según las materias aprobadas por el estudiante, se determinan las que debe inscribir en el periodo inmediatamente siguiente.

Palabras clave: investigación de

operaciones, modelo matemático, programación lineal entera mixta.

Abstract This article shows an application of operations research in the university sector, which seeks to respond to the need of undergraduate college students in the selection of courses to enroll in the next semester. For this, it has been developed and

1

2

Estudiante de Ingeniería Industrial, Universidad Central, [email protected]. Ingeniero industrial, magíster en Ingeniería Industrial, docente de Ingeniería Industrial, [email protected].

José Sánchez y Jainet Bernal

validated a mathematical model that it helps to students from Industrial Engineering of the Central University to identify which courses enroll for the next academic year, it seeks to enroll those courses that minimize the time of completion of their career. The model is designed to facilitate this task to the student, in addition, they are utilized the requirements and restrictions of a histogram with approval and disapproval rates for each subject, which indirectly would minimize the time in college. The solution of this model is by Mixed Integer Linear Programming, where according to the subjects approved by the student and the courses that they must enroll in the next period. The final step of this article is the realization and implementation of a desktop application that allows the quickly and easy manipulation of the model. Keywords: operations research, mathematical model, mixed integer linear programming.

1. Introducción Con anterioridad al comienzo de cada periodo académico, los estudiantes universitarios de programas de pregrado de las instituciones universitarias en Colombia se enfrentan al proceso de inscripción de asignaturas. En dicho proceso, se deben tener en cuenta una serie de restricciones para escoger los cursos que se inscribirán, tales como su disponibilidad presupuestal y ciertos prerrequisitos (requisitos que se deben cumplir para poder inscribir ciertas asignaturas). Pero, asimismo, y más importante, se debe evitar que las restricciones de futuros semestres académicos com52

prometan el tiempo de terminación de todo el plan de estudios. Por esta razón, aunque la selección de cursos parece sencilla, debe corresponder a un proceso serio, de sumo cuidado y que asuma una planeación, para prever que la selección actual de asignaturas no comprometa la inscripción de materias en próximos semestres académicos. El estudiante conoce previamente toda la oferta de cursos y los requisitos para inscribirlos. Sin embargo, resulta útil contar con una herramienta que le ayude al estudiante a identificar, en cada periodo académico, las materias por inscribir a fin de que culmine sus estudios de pregrado en el menor tiempo posible, teniendo en cuenta las restricciones y evitando así que, cuando le resten pocas asignaturas por cursar, no pueda inscribir alguna teniendo la disponibilidad presupuestal para hacerlo. Para ayudar a los estudiantes en este proceso, el presente proyecto está orientado, en su primera fase, a desarrollar un modelo matemático que le recomiende al estudiante los cursos que debería inscribir para el periodo académico respectivo, de tal forma que se minimice el tiempo de terminación de todo el plan de estudios. Asimismo, se espera que el modelo incorpore información histórica del plan de estudios, como el conjunto de cursos que más prerrequisitos anidados tienen (“cursos que forman la ruta crítica del plan de estudios”) y los cursos que pueden incidir en el tiempo de culminación del plan de estudios (por ejemplo, una ponderación que prevalezca en la selección a aquellos cursos que históricamente han requerido un mayor tiempo promedio para ser aprobados). La inclusión de un modelo matemático se hace necesaria para resolver el problema. Es ahí donde la programación lineal entera mixta des-

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Modelo matemático para determinar los recursos que se deben inscribir para minimizar el tiempo

empeña un gran papel, dados sus fundamentos teóricos y las ampliaciones del modelo original, como la hecha en este documento. La programación entera mixta tiene aspectos de la programación lineal, pero ofrece posibilidades más reales en cuanto a la toma de decisiones, pues aparecen variables continuas y variables binarias en donde el grado de complejidad aumenta con respecto a la programación lineal. La investigación de operaciones es un área que ofrece un conjunto de técnicas y herramientas para sustentar la toma de decisiones. Dentro de ella, se halla la programación lineal y la programación lineal mixta. Estas, mediante un modelo matemático, se orientan a obtener soluciones que optimicen el objetivo o indicador trazado para comparar soluciones factibles, según lo definido por el tomador de la decisión.Y se entiende por soluciones factibles aquellas que cumplen con el conjunto de condiciones o restricciones que debe cumplir la solución propuesta. Por eso, en la programación matemática, se pueden encontrar diferentes aspectos en cuanto a su aplicación y desarrollo. Sin embargo, todos convergen en un ámbito netamente matemático, en donde la optimización prevalece (Castillo et al., 2002). En este ámbito, las primeras actividades formales de investigación de operaciones (IO) se adelantaron en Inglaterra, durante la Segunda Guerra Mundial, cuando un equipo de científicos empezó a tomar decisiones con respecto a la mejor utilización del material bélico y de los suministros. Al terminar la guerra, las ideas formuladas en operaciones militares se adaptaron para mejorar la eficiencia y productividad en el sector civil (Niebel y Freivalds, 2009). Para ello, se cuentan con diferentes ayudas matemáticas que facilitan las expresiones de un problema en particular: “la IO es una ciencia por las técnicas matemáticas que incorpora, y

un arte porque el éxito de las fases que conducen a la solución del modelo matemático depende en gran medida de la creatividad y experiencia del equipo de IO” (Bazaraa, Jarvis y Sherali, 1998). La programación lineal entera es un tema que se describe en De la Fuente y Moreno (1996, pp. 1-3). Allí se afirma que “se utiliza el termino de programación lineal entera cuando se obliga a que las soluciones de los problemas deben ser enteras”. En cambio, como concepto más específico, en Cornejo y Mejía (2006), se define como “aquel donde las variables son números enteros no negativos”, además de tener todas las restricciones y la función objetivo en forma lineal. Varios autores han abordado el problema. Sin embargo, tienden a tratarlo desde la perspectiva de las instituciones y universidades, y no desde la de los estudiantes, como se plantea en este proyecto. Un ejemplo claro de esto es el trabajo llevado a cabo en Chile por Saldaña, Oliva y Pradenas (2007). En este se elaboró un modelo de programación lineal: “En esta investigación se ha caracterizado, modelado y resuelto un problema de programación de horarios en universidades a través de programación lineal entera, obteniéndose modelos y métodos que permiten resolver problemas de gran tamaño en tiempos computacionales razonables y satisfaciendo niveles de calidad deseados”. Otro modelo de gran interés es el planteado por Alarcón (2009). En este, determinaron, por métodos de programación lineal mixta, los desplazamientos y la asignación de los árbitros para un campeonato de fútbol chileno, de manera que se minimizarán los costos de transporte, se tuvieran en cuenta restricciones como la de que un árbitro local no puede dirigir un partido de su misma localidad y se balanceara la carga de los árbitros por medio de una ponderación y Revista Ingeciencia, n.o 1, 2016

53

José Sánchez y Jainet Bernal

registros del puntaje obtenido de cada árbitro. Este modelo fue considerado como duro computacionalmente, con un tiempo de respuesta de aproximadamente tres horas. A partir de la revisión de antecedentes y literatura de artículos, se tiene que el problema de asignación de horarios tiene diferentes tipos, cuyas diferencias es necesario resaltar (Schaerf, 1999). En primer lugar, están los modelos de programación de horarios de evaluaciones y exámenes (examination timetabling, school course timetabling, university course timetabling) (Hernández, Miranda y Rey, 2008). Dos tipos de modelos timetabling son el modelo de transporte (transport timetabling) y el modelo de deportes (sports timetabling) (Guerra, Pardo, y Salas, 2013). Ambos modelos son catalogados como modelos NP (de problemas complicados que no son determinísticos y que muy a menudo son resueltos por máquina de Turing). Autores como Hernández, Miranda y Rey (2008) y Saldaña, Oliva y Pradenas (2007) abordan el tema tratando de relacionar la asignación de horarios con parámetros como los profesores, los salones y su disponibilidad; todo desde la perspectiva de la universidad, sin tener en cuenta las necesidades propias de los estudiantes. Sin embargo, un trabajo más detallado es el desarrollo de un modelo que contempla de manera poco detallada las características individuales de los estudiantes, pero sin complementar con los gustos de los estudiantes y su presupuesto (Cifuentes, 2012).

2. Aplicación que optimiza la inscripción El problema sigue siendo, entonces, la necesidad de los estudiantes de identificar los 54

cursos más adecuados para inscribir, pues se espera que la selección no sea aleatoria, sino lo más estratégica posible, de modo que se evite tener que prolongar el tiempo de terminación del plan de estudios. Esta situación suele deberse a que alguno de los cursos restantes por cursar es prerrequisito de otros que aún no se han cursado); lo que obliga a tener que aplazar la inscripción de por lo menos un curso para un periodo académico posterior y a tener que inscribir una menor cantidad de cursos en el periodo actual, pese a contar con la disponibilidad presupuestal para inscribir otros. Dado lo anterior, se propone desarrollar una aplicación de escritorio basada en un modelo matemático que determine, para un periodo académico dado, las materias más adecuadas para inscribir, a fin de minimizar el tiempo de terminación de todo el plan de estudios. Para eso, se toma un caso de estudio: el plan de estudios del pregrado en Ingeniería Industrial (plan 4035) de la Universidad Central. En ese sentido, se propone llevar a cabo las siguientes tareas: • Identificar las condiciones que deben tener en cuenta los estudiantes del plan de estudios de ingeniería industrial en el momento de inscribir las materias. • Definir una expresión que asigne una ponderación a cada uno de los cursos del plan de estudios 4035, con base en el número de cursos de los cuales es prerrequisito y de la distribución de probabilidad del tiempo que un estudiante invierte hasta aprobar el curso. • Diseñar un modelo matemático que identifique, para un estudiante dado, los cursos que debe inscribir, de tal manera que minimice el tiempo de terminación de todos los cursos. • Operar el modelo matemático diseñado. • Validar el modelo matemático diseñado.

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• Desarrollar la aplicación utilizando la herramienta Solver de Excel y código VBA (el lenguaje de macros de Microsoft Visual Basic; este se utiliza para programar aplicaciones Windows y de Microsoft).

3. Metodología En primer lugar, es necesario conocer la estructura del plan 4035 (figura 1). Según se

puede observar, este plan de estudios está definido por créditos y no depende de manera directa del semestre que se esté cursando. Es decir, si se cumplen los prerrequisitos de una determinada materia y se cuenta con el presupuesto, se puede ver la materia sin que importe el semestre que se esté cursando. Esta figura presenta, en la parte izquierda, el conjunto de cursos que el estudiante escogería para inscribir de la oferta mostrada en la parte derecha. Materias que puede inscribir

Materias vistas

Estudiante

Figura 1. Conocimientos previos para determinar las materias adecuadas para inscribir. Fuente: elaborado por los autores.

Luego se procedió a analizar el plan de estudio a fin de determinar cuáles son las condiciones o prerrequisitos necesarios para poder cursar cada asignatura, pues el modelo debe incorporar estas condiciones (figura 2).

Figura 2. Requisitos para inscribir materias. Fuente: Facultad de Ingeniería Industrial.

A partir de esta información, se procedió a definir una expresión matemática que define una ponderación que contempla dos elementos. Primero, el número de materias que se podrán ver al inscribir dicha materia. El segundo, estadísticas de aprobación, reprobación y repetición de cada una de las materias del plan 4035. Esta ponderación se hizo con el fin de darle mayor prevalencia a las materias que tienen un mayor grado de dificultad. Para hacer esta ponderación, que se asignó a cada materia, se asumió que un estudiante, por mucho, pierde la materia dos veces. Es decir, se hizo el supuesto de que, a la tercera vez de cursada, el estudiante la aprueba. Este supuesto se basa en que las probabilidades promedio de pérdida de una asignatura luego de cursarla por tercera vez toman valores poco significativos. Revista Ingeciencia, n.o 1, 2016

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José Sánchez y Jainet Bernal

Para comenzar, se procedió a determinar las materias que son requisito de otra materia y el número de materias que esta abre (tabla 1). A partir de la tabla 1, se definió para cada una de las materias el número de materias que se pueden inscribir si estas son aprobadas. El rango de datos esta entre cero y tres materias. La normalización del número de materias que

abre será la ponderación que resuma el comportamiento de la materia dentro del plan de estudios. Específicamente, se aprecia que hay tres materias fundamentales: Matemáticas 1, Matemáticas 3 y Estadística 1. Inmediatamente después, se determinó, según los datos históricos, las materias que presentan una mayor dificultad.

Tabla 1. Número de materias que abre cada una de las materias del plan.

Materia

N.º de materias que abre

Materia

Matemáticas 1

3

Práctica 3

1

Química 1

2

Constitución Nacional

0

Teoría de Sistemas

1

Investigación de Operaciones 1

1

Inglés 1

1

Estadística 2

1

Práctica de Ingeniería 1

1

Higiene y Seguridad

0

Contexto 1

0

Desarrollo de Producto

1

Física 1

1

Dinámica organizacional

1

Matemáticas 2

1

Costos y Análisis Financiero

1

Álgebra Lineal

1

Investigación de Operaciones 2

2

Algoritmos y Programación

0

Producción 1

1

Inglés 2

1

Calidad

1

Contexto 2

0

Gestión de Talento Humano

1

Física 2

0

Inteligencia de Mercados

0

Matemáticas 3

3

Práctica de Ingeniería 4

1

Fisicoquímica

1

Modelamiento

0

Ciencia de Materiales

1

Producción 2

1

Inglés 3

0

Gestión de Servicios

0

Practica de Ingeniería 2

1

Ingeniería Económica

0

Lógica

0

Contexto 3

0

Matemáticas 4

0

Logística

0

Probabilidad y Estadística

1

Electiva de Profundización 1

0

Procesos Industriales

1

Sistemas Integrados

0

Sistemas Naturales

0

Proyecto de Grado 1

1

Economía

1

Practica 5

0

Estadística 1

3

Electiva de Profundización 2

0

Ingeniería de Procesos

2

Electiva de Profundización 3

0

Gestión para la Innovación

1

Electiva de Profundización 4

0

Microeconomía

2

Proyecto de Grado 2

0

Fuente: elaborado por los autores.

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N.º de materias que abre

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Modelo matemático para determinar los recursos que se deben inscribir para minimizar el tiempo

Figura 3. Probabilidad de cursar la materia solo una vez. Fuente: elaborado por los autores.

La figura 3 muestra las probabilidades de aprobar la materia la primera vez que se cursa.

Figura 4. Probabilidad de tener que cursar la materia dos veces. Fuente: elaborado por los autores.

La figura 4 recoge las probabilidades de tener que cursar la materia por segunda vez.

Figura 5. Probabilidad de tener que cursar la materia por tercera vez. Fuente: elaborado por los autores.

Revista Ingeciencia, n.o 1, 2016

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José Sánchez y Jainet Bernal

La figura 5 da a conocer cuáles son las materias que tienen probabilidad de ser vistas por tercera vez, es decir, las más complicadas, históricamente, dentro del plan. A partir de esta tabla, se efectuó la ponderación, que resume la dificultad de cada una de ellas.

Dada la complejidad de todos estos datos, se procedió a realizar la normalización debida. Esta normalización, al ser arbitraria, correspondió a valores entre 0 y 1 de las dos variables incluidas (ruta crítica y dificultad), lo que explica los dados obtenidos (tabla 2).

Tabla 2. Ponderación de las variables por cada materia

Materia

Ruta

Difícil

Materia

Ruta

Difícil

Matemáticas 1

1,000

0,083

Práctica 3

0,250

0,083

Química 1

0,875

0,150

Constitución Nacional

0,000

0,350

Teoría de Sistemas

0,125

0,000

Investigación de Operaciones 1

0,250

0,533

Inglés 1

0,250

0,200

Estadística 2

0,375

0,533

Práctica de Ingeniería 1

0,500

0,533

Higiene y Seguridad

0,000

0,050

Contexto 1

0,000

0,750

Desarrollo de Producto

0,375

0,750

Física 1

0,125

0,533

Dinámica Organizacional

0,250

0,083

Matemáticas 2

0,875

0,200

Costos y Análisis Financiero

0,125

0,350

Álgebra Lineal

0,875

0,183

Investigación de Operaciones 2

0,125

0,000

Algoritmos y Programación

0,000

0,533

Producción 1

0,250

0,750

Inglés 2

0,125

0,200

Calidad

0,250

0,200

Contexto 2

0,000

0,083

Gestión de Talento Humano

0,125

0,750

Física 2

0,000

0,200

Inteligencia de Mercados

0,000

0,450

Matemáticas 3

0,750

0,350

Práctica de Ingeniería 4

0,125

0,533

Fisicoquímica

0,750

0,750

Modelamiento

0,000

0,750

Ciencia de Materiales

0,750

1,000

Producción 2

0,125

0,533

Inglés 3

0,000

0,750

Gestión de Servicios

0,000

0,650

Practica de Ingeniería 2

0,375

0,533

Ingeniería Económica

0,000

0,533

Lógica

0,000

0,533

Contexto 3

0,000

0,350

Matemáticas 4

0,000

0,533

Logística

0,000

0,200

Probabilidad y Estadística

0,625

0,750

Electiva de Profundización 1

0,000

0,350

Procesos Industriales

0,625

0,200

Sistemas Integrados

0,125

0,083

Sistemas Naturales

0,000

0,083

Proyecto de Grado 1

0,125

0,000

Economía

0,375

0,200

Practica 5

0,000

0,750

Estadística 1

0,500

0,750

Electiva de Profundización 2

0,000

0,550

Ingeniería de Procesos

0,500

0,533

Electiva de Profundización 3

0,000

0,083

Gestión para la Innovación

0,375

0,100

Electiva de Profundización 4

0,000

0,200

Microeconomía

0,250

0,200

Proyecto de Grado 2

0,000

0,533

Fuente: elaborado por los autores.

Según se infiere de la tabla 2, las materias cuya variable ruta se acercan a 1 son más importantes, pues son prerrequisitos de más materias; mientras que, con respecto a la variable 58

dificultad, es posible concluir que, cuanto más cerca están de 1, menos probabilidad de reprobación tienen.

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4. Desarrollo del modelo matemático y diseño de la interfaz Con los datos encontrados, que para el caso de estudio son los más importantes, se procedió a formular el modelo de la siguiente manera. Conjuntos Asignaturas: las materias del plan de estudios 4035, el del pregrado en Ingeniería Industrial de la Universidad Central.

Parámetros Credj = Créditos de materia [i] PondDifj = ponderación de dificultad de materia [i] PondAbj = ponderación de ruta crítica de la materia [i] Aj = Materia [i] ya vista por el estudiante CosCred = Costo de un crédito

- X17 ≤ A11 (el prerrequisito para Inglés III es Inglés II). - X18 ≤ A5 (el prerrequisito para Práctica II es Práctica I). - X20, X21 ≤ A14 (el prerrequisito para Matemáticas IV y Probabilidad es Matemáticas III). - X22, ≤ A15, A16 (el prerrequisito para Procesos Industriales es Ciencia de los Materiales y Fisicoquímica). - X23 ≤ A3 (el prerrequisito para Sistemas Naturales es Teoría de Sistemas). - X25 ≤ A21 (el prerrequisito para Estadística I es Probabilidad). - X26 ≤ A22 (el prerrequisito para Ing. de Procesos es Procesos Industriales). - X28 ≤ A24 (el prerrequisito para Microeconomía es Economía). - X29 ≤ A18 (el prerrequisito para Práctica III es Práctica II). - X31 ≤ A15 (el prerrequisito para Investigación I es Matemáticas III). - X32 ≤ A25 (el prerrequisito para Estadística II es Estadística I). - X32, X33 ≤ A26 (el prerrequisito para Higiene y Desarrollo de Producto es Ing. de Procesos). - X35 ≤ A27 (el prerrequisito para Dinámica Organizacional es Gestión para la Innovación).

Variable Xj = Materia [i] a inscribir el siguiente semestre

Función objetivo ⎡ ⎤ z = max ⎢ ∑ (PondDif j × X j + PondAb j × X j )⎥ j ⎣ ⎦

- X36 ≤ A28 (el prerrequisito para Costos y Análisis Financiero es Microeconomía). - X37 ≤ A31, A25 (el prerrequisito para Investigación de Operaciones II es Investigación de Operaciones I y Estadística I). - X38 ≤ A34 (el prerrequisito para Producción I es Desarrollo de Producto). - X39 ≤ A32 (el prerrequisito para Calidad es Estadística II).

Restricciones •

Restricción de no volver a cursar materias que ya han sido aprobadas: Xj ≤ 1 − Aj

•

Restricción del prerrequisito de cursar determinadas materias antes de cursar las demás: - X7, X8, X9 ≤ A1 (el prerrequisito para Física I, Matemáticas II y Álgebra es Matemáticas I). - X14 ≤ A8, A9 (el prerrequisito para Matemáticas III es Matemáticas II y Álgebra). - X11 ≤ A4 (el prerrequisito para Inglés II es Inglés I). - X13 ≤ A7 (el prerrequisito para Física II es Física I). - X15, X16 ≤ A2 (el prerrequisito para Fisicoquímica y Ciencia de los Materiales es Química).

- X40 ≤ A35 (el prerrequisito para Gestión de Talento Humano es Dinámica Organizacional). - X41 ≤ A25, A22 (el prerrequisito para Mercados es Estadística I y Microeconomía). - X42 ≤ A29 (el prerrequisito para Práctica IV es Práctica III). - X43, X42 ≤ A37 (el prerrequisito para Modelamiento y Logística es Investigación de Operaciones II). - X44 ≤ A38 (el prerrequisito para Producción II es Producción I). - X45 ≤ A40 (el prerrequisito para Gestión de Servicios es Gestión de Talento Humano). - X46 ≤ A36 (el prerrequisito para Ingeniería Económica es Costos). - X50 ≤ A39 (el prerrequisito para Sistemas Integrados es Calidad).

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José Sánchez y Jainet Bernal

•

Restricción de cursar mínimo dos materias por semestre: ∑ X j ≤ 2

- X56 ≤ X51 (el prerrequisito para Proyecto de Grado II es Proyecto de Grado I).

•

- X48 ≤ X44 (el prerrequisito para Logística es Producción II).

Restricción de cursar máximo seis materias por semestre: ∑ X j ≤ 6

•

Restricción de que la variable tome valores 0 binarios: X j = ⎢⎡1 ⎥⎤

- X52 ≤ X42 (El prerrequisito para Práctica V es Práctica IV).

•

Restricción de la disponibilidad de presupuesto: ∑ (CostCred × X j ) ≤ DispDin

j

j

⎣ ⎦

j

El operador de la formulación varía según los datos ingresados por el usuario. Luego de verificar el modelo en Solver de Excel y en Gams,

se procedió a desarrollar la interfaz en Excel para tener una mejor aplicación (figura 6).

Figura 6. Diseño de la interfaz en Excel. Fuente: elaborado por los autores.

Se puede apreciar que el usuario puede elegir, de todas las posibles opciones (parte izquierda), las materias aprobadas hasta el momento (puede hacerlo dando clic sobre el nombre de la materia). En ese mismo instante, el estudiante ingresará el presupuesto disponible para el semestre y, según el parámetro de ponderación, Solver de Microsoft Excel

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arrojará la mejor respuesta: sugerirá que determinadas materias son las que el estudiante debería inscribir. Luego de escoger las materias aprobadas y el tipo de ponderación y de ingresar el presupuesto, el estudiante obtendrá los resultados ilustrados en la figura 7.

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Figura 7. Respuesta de la interfaz en Excel. Fuente: elaborado por los autores.

Como se puede apreciar en la figura 7, el modelo de optimización lineal entera mixta le ofrece una respuesta al estudiante que, según los principios de optimización, corresponde a las materias que el estudiante debería inscribir. La interfaz y el modelo respetan todas las restricciones de prerrequisitos, repetición, presupuesto. Además, contempla el factor de variabilidad entre los estudiantes, relacionada con la posibilidad de escoger si matricular materias importantes o menos importantes.

5. Resultados y recomendaciones • Se encontraron materias que, por su ponderación de las materias que abren y por su nivel de dificultad, tienen una prevalencia significativa sobre las demás. Por lo tanto, hacen parte de la ruta crítica.

• Al maximizar la ponderación hecha, se puede indirectamente minimizar el tiempo de duración del pregrado. • Con el diseño del modelo y su operación en Solver de Excel, se pudo establecer que la materias que debe inscribir un estudiante que ingresa a primer semestre de Ingeniería Industrial con el plan de estudios 4035 deben ser Matemáticas I, Química, Gestión de la Innovación, Inglés, Práctica de Ingeniería I y Economía (asumiendo que el estudiante tiene el presupuesto para la carga completa). • La interfaz desarrollada sugiere, para un periodo académico dado, las posibles materias que debe ingresar el estudiante según la ponderación escogida. • El modelo sirve como herramienta que le sugiere al estudiante la inscripción de ciertos cursos, a fin de hacer más eficiente dicha selección.

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José Sánchez y Jainet Bernal

• Se recomienda socializar el trabajo desarrollado en otros programas de la Facultad de Ingeniería y de la Universidad, a fin de establecer la posibilidad de efectuarle adaptaciones que permitan que sea usado por los estudiantes de otros programas académicos. • Se espera que el modelo le sirva al programa y a la facultad para ayudar a planear los espacios académicos y a asignar los diferentes cursos para el periodo académico siguiente, dado que, si el modelo les sugiere inscribir los cursos a los estudiantes, esto podría alimentar la planeación de la asignación de recursos para el siguiente periodo académico. • Se encontraron materias que requieren unos conocimientos previos, pero para las cuales el sistema actual no contempla prerrequisitos. Por ejemplo, Economía no tiene ningún prerrequisito, pero en ella se estudian temas avanzados de cálculo diferencial e integral, lo que puede contribuir a una alta tasa de deserción de los estudiantes.

Bibliografía Schaerf,A. (1999).A survey of automated timetabling. Artificial Intelligence Review, 87-127. Hernández, R., Miranda, J. y Rey, P. (2008). Programación de horarios de clases y asignación de salas para la Facultad de Ingeniería de la Universidad Diego Portales mediante un enfoque de programación entera. Revista Ingeniería de Sistemas, 22, 121-141. Guerra, M. A., Pardo, E. H. y Salas, R. E. (2013). Problema del school timetabling y algoritmos genéticos: una revisión. Revista Vínculos, 10(2), 259-276.

62

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Mercadeo con causa social: factores que inciden en la decisión de compra de bolsos ecológicos fabricados con material reciclable por adolescentes embarazadas de bajos recursos Marketing with a social cause: Factors that have an influence on the buiying decision of ecological bags made with reusable materials made by pregnant teenager girls with low resources Viviana del Mar Aranda Guerrero, Maribel Carrillo López, Daniela Caterin Hernández Cetina y Daniela Alejandra Luz Moreno1

Resumen

Abstract

La presente investigación se desarrolló con el fin de determinar los factores que influyen en la decisión de comprar un bolso ecológico fabricado con envolturas de pasabocas y que es elaborado por adolescentes en estado de embarazo de bajos recursos, que son la mano de obra detrás de la elaboración del bolso. El enfoque investigativo que se utilizó es cuantitativo, se acudió a una muestra de mujeres entre 18 y 45 años de la localidad de Chapinero, de la ciudad de Bogotá. Como instrumento de recolección de datos se usó una encuesta estructurada a través de la cual se obtuvo la información necesaria para hacer inferencias acerca de las variables indagadas.

This research was conducted to determine the variables that influence the purchasing decision of an ecological purse made with wrappers snack, considering they are adolescents in gestation low income in Bogota, this womans makes labor behind product manufacture. The research approach used is quantitative, going to a sample of women aged 18-45 years in the town of Chapinero Bogota. It was applied as a tool for data collection a structured

Palabras clave: bolso ecológico, envoltura, población vulnerable, conglomerado, intervalo de confianza, Marketing con una causa social, promedio, varianza, proporción.

1

Estudiantes de Mercadología, Universidad Central, integrantes del Semillero de Investigación en Mercadología (SIMEC): [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Asesora: Martha Oliva Becerra Avella, magíster en Ciencias Estadísticas, investigadora del grupo Tecnimat de la Universidad Central. [email protected].

Viviana del Mar Aranda Guerrero, Maribel Carrillo López, Daniela Caterin Hernández Cetina y Daniela Alejandra Luz Moreno

survey with the necessary information to make inferences about the studied variables was obtained. Keywords: ecological bag, envelope,

vulnerable population, conglomerate, confindence interval, Marketing with a social cause, average, variance, proportion.

1. Introducción Actualmente, las cifras del embarazo adolescente en Colombia van en aumento. Según el Instituto Colombiano de Bienestar Familiar (ICBF), cada año nacen en promedio 159 656 niños y niñas cuyas madres tienen entre 10 y 19 años de edad (El Espectador, 2014). Estas cifras son bastante alarmantes, dado que anualmente nacen 5500 neonatos cuyas madres son adolescentes que no han superado los 14 años (Noticias RCN, 2014). Por otro lado, la contaminación atmosférica es una problemática ambiental que se ha vuelto un problema de salud pública, pues ha entrado a la lista de las causas de enfermedades respiratorias en los seres humanos. Esta contaminación es causada por aproximadamente 7535 toneladas de basuras que se producen diariamente como resultado de las actividades cotidianas de los seres humanos (entre dichos residuos sobresalen las envolturas de abrebocas, que están caracterizadas por ser altamente contaminantes y tener un bajo nivel de degradación). Ambas problemáticas plantean una oportunidad de negocio. Se trata de una propuesta de mercadeo con causa social que abarque tanto a adolescentes en estado de gestación de bajos recursos de Bogotá como el cuidado del medioambiente, involucrando de paso a las fundaciones que brindan apoyo a estas muje64

res, así como a las empresas comercializadoras de pasabocas. Así pues, con esta propuesta se busca obtener un beneficio múltiple: mitigar una problemática ambiental y social y, a la vez, ofrecerles beneficios legales y comerciales a las empresas por brindar apoyo a una fundación que trabaja por el bienestar de estas madres y sus hijos. Con la investigación se logró caracterizar a las consumidoras de bolsos ecológicos elaborados con envolturas de pasabocas que apoyan causas sociales, lo que posibilita segmentar el mercado y elaborar un perfil para dicha consumidora. Se consiguió conocer la disposición de compra de las mujeres y los atributos que debe tener el producto.

2. Mercado para los bolsos ecológicos ¿Cuáles son los factores que inciden en la decisión de compra de accesorios como bolsos, fabricados en material reciclado y elaborados por adolescentes de bajos recursos en estado de embarazo? Para responder a esta pregunta se emplearon varias herramientas estadísticas: el muestreo aleatorio por conglomerados, que consiste en seleccionar una muestra aleatoria simple de conglomerados (que son una colección de elementos); el muestreo aleatorio simple, en el cual cada unidad o conglomerado tiene igual probabilidad de ser seleccionado; la inferencia estadística, que se basa en métodos para hacer estimaciones o inferencias sobre las características de la población a partir de la información contenida en la muestra aleatoria; y una prueba piloto, por medio de la cual se verifica la pertinencia del tema, se prueba el instrumento de recolección de investigación y se lleva a cabo el diseño muestral.

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Mercadeo con causa social: factores que inciden en la decisión de compra de bolsos ecológicos

Ahora bien, el interés de responder a esta pregunta radica en la propuesta de crear una estrategia conjunta de mercadeo con causa social. Para eso, resulta necesario usar las anteriores herramientas estadísticas para llevar a cabo las siguientes actividades: 1. Determinar la aceptación que pueden tener los bolsos desde una perspectiva ecológica y social. 2. Establecer qué variables pueden ser determinantes en la decisión de comprar un bolso ecológico. 3. Determinar el precio más adecuado para el bolso ecológico. 4. Identificar qué tipo de distribución es la apropiada para que el usuario adquiera el producto. 5. Calcular estimadores puntuales de medias, varianzas, proporciones, diferencia de medias y de proporciones para lograr hacer inferencias acertadas acerca de la población escogida. 6. Calcular estimaciones tales como el costo promedio de un bolso y la variabilidad de la disposición a pagar por un bolso hecho a mano por adolescentes de bajos recursos embarazadas 7. Estudiar las características de las mujeres que conforman el mercado objetivo, como su edad, ocupación, estudio, ingreso, entre otras. 8. Calcular estimaciones por intervalo del costo promedio de un bolso y la variabilidad de la disposición a pagar por un bolso hecho a mano, así como características de las mujeres que conforman el mercado objetivo, como edad, ocupación, estudio ingreso, entre otros. 9. Elaborar modelos de regresión lineal múltiple en los cuales sus resultados y pronósticos sean implementados en estrategias de mercadeo para que estas sean eficientes.

3. Metodología La metodología que se empleó para desarrollar el proyecto fue la siguiente: 1. Se definieron el problema, los objetivos y el alcance de la investigación. 2. Se hizo una prueba piloto en la que se usó el instrumento de recolección de datos con 65 mujeres. 3. Los resultados de la prueba piloto fueron útiles para reformular las variables en estudio y, con eso, el instrumento de recolección de datos. 4. Se efectuaron búsquedas en diferentes fuentes de información para conocer el total de la población (M). Este se tomó de las estadísticas publicadas por la Secretaría Distrital de Planeación de Bogotá, que mostraban la población de mujeres en la capital por rangos de edad. Allí se encontró que este total corresponde al de las mujeres entre 18 y 40 años. 5. Se estableció el tamaño de la muestra (n), que dio igual a nueve manzanas, y se empleó muestreo por conglomerados. 6. Se procedió a desarrollar el trabajo de campo en los conglomerados seleccionados. 7. Se tabularon las encuestas y se obtuvo la base de datos para el estudio. Con ella se desarrollaron cálculos estadísticos a fin de hacer inferencias sobre la población (M). 3.1 Diseño muestral Se empleó el método de muestreo aleatorio por conglomerados. Con este método, el investigador puede elaborar el marco muestral de conglomerados cuando no se cuenta con la información. Una vez elaborado el marco muestral, se utilizó muestreo aleatorio simple.

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Viviana del Mar Aranda Guerrero, Maribel Carrillo López, Daniela Caterin Hernández Cetina y Daniela Alejandra Luz Moreno

3.2 Población objetivo Mujeres entre 18 y 40 años, conscientes de la necesidad de cuidar el medioambiente y de usar productos elaborados a mano, ubicadas en la localidad de Chapinero, en Bogotá. 3.3 Nomenclatura M: Número de elementos de la población N: Número de conglomerados de la población

n: Muestra de conglomerados mi: Número de elementos en el conglomerado y : Estimador de la media poblacional La tabla 1 presenta algunos aspectos matemáticos de los estimadores de muestreo por conglomerados.

Tabla 1. Estimadores de muestreo por conglomerados Sc2 : Varianza de los datos de una variable aleatoria. Muestra

2 c

S =

−

m : Tamaño promedio

del conglomerado en la muestra

−

m=

−

y : Estimador de la media

poblacional

−

y=

n

∑

i =1

(y − y m ) 1

i

n −1

∑

n i =1

mi

n

∑ ∑

n

y

i =1 i n

i =1

−

mi

2

∧

_

V ( y ) : Varianza estimada 

de la media muestral

(N − n)

_

V (y) = 

____

( Nn M 2 )

𝐵: Límite para el error de estimación, margen de error

B = 2 V (y)

Ƭ̅ : Estimador total poblacional

T =My

Con base en los anteriores aspectos y en el método de muestreo por conglomerados, se efectuaron los siguientes pasos: 1. Se hizo una prueba piloto, en la que se empleó el instrumento de recolección de datos con 65 mujeres. 2. Los resultados de la prueba piloto se usaron para el diseño muestral empleando muestreo aleatorio por conglomerados. 3. Se elaboró el marco muestral para este muestreo. 4. Se usó el muestreo aleatorio simple sobre los conglomerados a partir del marco muestral.

66

∧

∧

×

∑

n i =1

(y − y m ) 1

−

2

i

n −1

_



__

_

5. Se calcularon los estimadores de la media y total para la variable principal (disposición a pagar por un bolso ecológico elaborado a mano). Para la proporción, se utilizó la siguiente pregunta: “¿En el último año ha comprado accesorios artesanales?”. (Estos cálculos se presentan en la tabla 2). 6. Se obtuvo el tamaño de la muestra para cada estimador. Como se observa en la tabla 2, se calcularon nueve conglomerados para estimar la media y el total de las variables mencionadas y seis para la proporción. Por lo tanto, la investigación se desarrolla con una muestra de nueve conglomerados.

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Mercadeo con causa social: factores que inciden en la decisión de compra de bolsos ecológicos

Tabla 2. Estimadores de la media y total

Estimador

Valor

Varianza del estimador

Media y

46 661

15 432 090,83

7 857

6 500

9

89 208 706 554

4 550 136 549 962

4 266 210

33 000 000

9

0,6607

0,0000001

0,000692

0,0007

7

Total

τˆ

Proporción pˆ

4. Resultados Con esta investigación se obtuvieron conocimientos muy valiosos sobre el mercadeo con causa social: los factores que inciden en la decisión de compra de bolsos ecológicos fabricados con material reciclable por adolescentes embarazadas de bajos recursos. A continuación, se presenta el análisis univariado para obtener el perfil de las compradoras de bolsos ecológicos a través de sus principales características, algunas de la cuales son la edad, la ocupación, los ingresos mensuales, el nivel socioeconómico, la ocupación, el consumo y gasto per capita de bolsos. Asimismo, se halló el estimador del total poblacional de estas variables, para obtener un aproximado del tamaño del mercado en millones de pesos. Para contratar estos resultados, se elaboraron intervalos con el 95 % de confianza y se hicieron pruebas de hipótesis.

B calculado B propuesto

n

4.2 Intervalos de confianza Un intervalo de confianza es un rango de valores en el que se puede ubicar un valor que determina las características puntuales de la población. Edad _

y± B 26,75 ± 4,05 22,69 < µ < 30,80 Las mujeres que están dispuestas a comprar un bolso ecológico tienen una edad entre los 23 y los 31 años de edad.

Ocupación ∧

p± B 0,75 ± 0,13 0,61 < P < 0,88

La proporción de mujeres que se dedican a trabajar está entre el 61 % y el 89 %.

Estado civil ∧

4.1 Estimaciones Una estimación es el procedimiento en el que se utilizan los datos muestrales para hacer aproximaciones sobre los parámetros de la población y hacer pronósticos sobre esta en función de las variables estudiadas. Con ellos se elaboran intervalos de confianza y se formulan y prueban hipótesis.

p± B 0,41 ± 0,14 −0,27 < P < 0,56

La proporción de mujeres casadas o en unión libre con hijos está entre el 27 % y el 56 % de la población.

Estrato socioeconómico ∧

p± B 0,43 ± 0,12 0,30 < P < 0,55 La proporción de mujeres se encuentra en el estrato 3 está entre el 31 % y el 55 %.

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Viviana del Mar Aranda Guerrero, Maribel Carrillo López, Daniela Caterin Hernández Cetina y Daniela Alejandra Luz Moreno

Dinero máximo promedio invertido en un accesorio artesanal

Ingreso promedio mensual _

y± B $786.805,55 ± $183.420,57 $603.384,98 < µ < $970.226,12

Los ingresos mensuales están entre $ 603 384,98 y $ 970 226,13.

Inversión total mensual en accesorios

_

y± B 60.958,33 ± 12291,19389 $48.667,14 < µ < $73.249,53

La cantidad promedio que las mujeres gastan por un accesorio artesanal oscila entre $ 48 667,14 y $ 73 249,53.

_

T±B 243.062.786.624,35 ±98146804004 $144.915.982.620,50 < T < $341.209.590.628,20

El total de dinero gastado en accesorios mensualmente por las mujeres se encuentra entre $ 144 915 982 620,50 y $ 341 209 590 628,20.

Ingreso total mensual

Cantidad promedio de bolsos comprados en el último año _

y± B 2,55 ± 0,41 2,13 < µ < 2,95

Se estima que la cantidad promedio de bolsos que han comprado en el último año las mujeres oscila entre los 2,13 y los 2,958.

_

T ± B 1.504.261.282.638,89

Factor relevante para la compra de un bolso

±350.674.270.468,63 $1.153.587.012.170,26 < T < 1.854.935.553.107,51

El total de ingresos mensuales del público objetivo se encuentra entre $ 1 153 587 012,26 y $ 1 854 935 553 107,51.

∧

p± B G0,37 ± 0,74 0,30 < P < 0,44

El factor que se considera más relevante a la hora de decidir comprar un bolso es el diseño y la calidad, con el 30,02 % y el 44,98 %.

Reciclar ∧

p± B 0,58 ± 0,11 0,46 < P < 0,69

La proporción de mujeres que reciclan está entre el 46,98 % y el 69,68 %.

Inversión promedio mensual en accesorios _

y± B 127.13 ± 51.33 $75.79 < µ < $178.47

Dinero máximo total invertido en un accesorio artesanal _

T±B 116.543.738.208,33 ± 23.499.029.657 93.044.708.551,32 x 2p )

Valor − p = 0,45

No se rechaza la hipótesis, que la disposición a pagar por un bolso ecológico es mayor o igual en las mujeres que conocen la procedencia de la mano de obra porque, 0,45 > 0,05

2

v = ( 2 − 1)( 2 − 1) = 1

2 2

Z p = -0,1177592

)

v = (m − 1)( n − 1)

)

σ σ + n1 n2

− eij

4. Método del valor-p

y 1 − y 2 − Do 2 1

ij

x 2p = 0,668566

3. Cálculo de estadístico de prueba, con los datos de la muestra aleatoria _

(f

i =1 j =1

2. Nivel de significancia α = 5 %. Interpretación: Alta confianza en el proceso: 95 %

_

k

x 2p = ∑ ∑

Universidad Central • Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas

k

k

x 2p = ∑ ∑ i =1 j =1

(f

ij

− eij eij

x 2p = 0,063369125

)

2

Mercadeo con causa social: factores que inciden en la decisión de compra de bolsos ecológicos

4. Método del valor-p

Análisis de varianza

v = (m − 1)( n − 1) v = ( 2 − 1)( 2 − 1) = 1

Origen de las variaciones

Suma de cuadrados

GL

Promedio de los cuadrados

F

Valor-p

Valor − p = P ( x 2 > x 2p )

Entre grupos

13454517462267

3

4484839154089

1,38

0,25492

Valor − p = 0,801248028

Dentro de los grupos

226876597402597

70

3241094248609

Total

240331114864865

73

5. Regla de rechazo: rechace ho sii Valor-p ≤ α Disposición a pagar por el bolso ecológico

Todas las mujeres sin importar su ocupación invierten en promedio la misma cantidad de dinero en accesorios

Tiempo de duración del bolso

0 a $ 100 000

$ 100 000 en adelante

Total

0 meses a 16 meses

36

10

46

16 meses en adelante

21

5

26

Total

57

15

72

No se rechaza la hipótesis, que la disposición a pagar de un bolso ecológico es independiente de la expectativa de vida útil del mismo, porque 0,80 > 0,05 El que las mujeres tengan una disposición a pagar determinada por un bolso ecológico no depende de lo que ellas esperan que este dure

Análisis de varianza del dinero que invierten las mujeres en la compra de accesorios teniendo en cuenta su ocupación 1. Plantear la prueba Ho: μ1 = μ2 = μ3 = μ4 Ha: No todas las medias poblacionales son iguales 2. Nivel de significancia α = 5 %. Interpretación: Alta confianza en el proceso: 95 % 3. Cálculo del estadístico de prueba SMTR CME Fp = 1,38374228272275 Fp =

4. Método del valor-p

Valor − p = P (F > Fp ) Valor − p = 0,25492 5. Regla de rechazo: Rechace ho sii Valor-p ≤ α como 0,25492 > 0,05 No rechazo Ho μ1 = Inversión en la compra de accesorios de las mujeres trabajadoras μ2 = Inversión en la compra de accesorios de las estudiantes μ3 = Inversión en la compra de accesorios de las mujeres que estudian y trabajan μ3 = Inversión en la compra de accesorios de las mujeres que no estudian ni trabajan

Análisis de varianza de la expectativa de vida útil de un bolso ecológico teniendo en cuenta el factor que las mujeres consideran más relevante a la hora de comprar un bolso 1. Plantear la prueba Ho: μ1=μ2 = μ3=μ4 Ha: No todas las medias poblacionales son iguales 2. Nivel de significancia α = 5 %. Interpretación: Alta confianza en el proceso: 95 % 3. Cálculo del estadístico de prueba SMTR CME Fp = 0,93789597 Fp =

4. Método del valor-p

Valor − p = P (F > Fp ) Valor − p = 0,4273694 5. Regla de rechazo: Rechace ho sii Valor-p ≤ α como 0,4273694 > 0,05 No. rechazo Ho μ1 = Expectativa de vida útil de un bolso ecológico que consideran como factor más relevante diseño-calidad a la hora de comprar un bolso μ2 = Expectativa de vida útil de un bolso ecológico que consideran como factor más relevante precio-diseño a la hora de comprar un bolso μ3 = Expectativa de vida útil de un bolso ecológico que consideran como factor más relevante precio-calidad a la hora de comprar un bolso μ4 = Expectativa de vida útil de un bolso ecológico que consideran como factor más relevante tamaño-diseño a la hora de comprar un bolso Análisis de varianza Origen de las variaciones

Suma de cuadrados

GL

Promedio de los cuadrados

F

Valor-p

Entre grupos

191,22

3

63,74

0,93

0,42

Dentro de los grupos

4553,50

67

67,96

Total

4744,73

70

Revista Ingeciencia, n.o 1, 2016

73

Viviana del Mar Aranda Guerrero, Maribel Carrillo López, Daniela Caterin Hernández Cetina y Daniela Alejandra Luz Moreno

Hay suficiente evidencia para no rechazar que la expectativa de vida útil de un bolso ecológico es igual sin importar el factor que las mujeres consideran más relevante a la hora de comprar un bolso

Valor crítico de F Superior a 95 %

Fp

Inferior a 95 %

Probabilidad

Estadístico t

Error típico

Suma de cuadrados

Coeficientes

GL

74

Promedio de los cuadrados

Donde: X1 = Ingresos mensuales. X2 = Dinero invertido en la compra de accesorios. La expectativa de vida de un bolso es en promedio igual en todas las mujeres, independiente del factor más relevante X3 = Dinero máximo pagado por de compra para ellas un accesorio artesanal. X4 = Dinero invertido en la compra 4.5 Regresión lineal múltiple de cada bolso convencional. Modelo de regresión lineal múltiple para X5 = Tiempo que esperan las muel pronóstico de la disposición a pagar por un jeres que dure el bolso. bolso ecológico: X6 = Dinero máximo pagado por ∧ ∧ ∧ ∧ ∧ ∧ ∧ ∧ − con el que se brinda y = β 0 + β1 X 1 + β 2 X 2 + β 3 X 3 + β 4 X 4 + β 5 X 5 + β 6 X 6 un + βproducto 7 X7 apoyo a poblaciones vulnerables. − ∧ ∧ ∧∧ ∧ + 0,003 ∧X −∧ 0,04 X ∧ + 0,01X y− = 10453,74 + 0,12 X + 1294,10 X 5 + 0,85X 6 ∧ ∧ ∧ ∧ ∧ 2 3 4 β61 X β X1 2 + β 3 X 3 + β 4 X 4y + =ββ50X + 5β+1 X + 6β+ X 6 +cada β7 Xmil 2 X 72 + 7β 3 X 3 + β 4 X 4 + β 5 X 5 + β 6 Por 7 pesos que aumenten los in∧ ∧ ∧ ∧ ∧ −∧ 3X − 0,04 X + 0,01 X + 0,12 X + 1294,10 X + 0,85 X gresos de las mujeres, la X disposición a pagar β 21 X 2 + β 3 X β4= 10453,74 β5 X 5+4+0,003 β 6 XX β7 X 2 3 +y 34 5 7 X 2 + 0,01 6 X 3 + 0,12 X 4 + 1294,10 X 5 + 0,85 6 + 1 − 0,04 6 por un bolso ecológico cambiará en 0,003 0,003X 1 − 0,04 X 2 + 0,01X 3 + 0,12 X 4 + 1294,10 X 5 + 0,85X 6 miles de pesos, permaneciendo todo lo deInferencias sobre cada elemento del mo- más constante. Este cambio se encuentra endelo: tre –0,02 y 0,03 en miles de pesos con 0,95 de probabilidad. Análisis de varianza Por cada mil pesos más que las mujeres gasten en compra de accesorios, la disposición a pagar por el bolso ecológico cambiará en 0,04 miles de pesos, siempre y cuando las Regresión 6 153973091031,19 25662181838,53 7,67 0,000019 demás variables permanezcan constantes, esta Residuos 38 127074795332,45 3344073561,38 variación se encuentra entre –0,21 y 0,12 en Total 38 281047886363,64 miles de pesos, con un 95 % de confianza. También se puede inferir que, por un auPrueba del modelo: mento de mil pesos en lo máximo que han pagado las mujeres por un accesorio artesanal, se daría un cambio de 0,01 en la disposición a pagar por el bolso ecológico, siempre y cuando las demás variables permanezcan constantes. Con una probabilidad del 0,95 el Intercepción 10453,74 24680,07 0,42 0,67 –39508,45 60415,93 cambio en esta variable estaría entre –0,41 y X1 0,003 0,01 0,26 0,79 –0,02 0,03 0,43 miles de pesos. X2 –0,04 0,08 –0,54 0,59 –0,21 0,12 Por cada mil pesos más que la mujer inX3 0,01 0,21 0,06 0,95 –0,41 0,43 vierta en la compra de un bolso convencioX4 0,12 0,16 0,73 0,47 –0,20 0,43 nal, la disposición a pagar aumentará en 0,12 X5 1294,10 1112,54 1,16 0,25 –958,13 3546,32 miles de pesos, si permanece todo lo demás X6 0,85 0,15 5,71 0,00 0,55 1,15 constante. Con un 0,95 de probabilidad este Universidad Central • Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas

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cambio estará entre –0,20 y 0,43 miles de pesos Adicionalmente, por cada mes que aumente la expectativa de vida útil de un bolso, aumen-

tará su disposición de pago en 1294,10 para un bolso ecológico. Este cambio con un 95 % está entre –958,13 y 3546,32 miles de pesos.

Tabla 3. Pronósticos o estimaciones sobre la disposición a pagar por un bolso ecológico.

Ingresos

Inversión en Pago en Inversión Duración Inversión Pronóstico de compras accesorios en bolsos del bolso en apoyo la disposición

$ 1 000 000

$ 200 000

$ 50 000

$ 50 000

1

$ 50 000

$ 44 205,42

$ 600 000

$ 100 000

$ 50 000

$ 250 000

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$ 250 000

$ 261 791,82

Así pues, una mujer que devengue 1 000 000 de pesos mensuales, que gaste mensualmente en accesorios 200 000 pesos, que en el último año haya pagado por un accesorio artesanal máximo 50 000 pesos, que en la compra de cada bolso convencional gaste 50 000 pesos, que espere que la vida útil del bolso sea de un mes y que haya gastado máximo 50 000 pesos en la compra de un producto que brinde ayuda a una población vulnerable pagará por el bolso ecológico 44 205,42 pesos. Por otro lado, una mujer que devengue 600 000 pesos, que gaste mensualmente en accesorios 100 000 pesos, que en el último año haya pagado por un accesorio artesanal máximo 50 000 pesos, que en la compra de cada bolso convencional gaste 250 000 pesos, que espere que la vida útil del bolso sea de 18 meses y que haya gastado máximo 250 000 pesos en la compra de un producto que brinde ayuda a una población vulnerable pagará por el bolso ecológico 26 791,82 pesos.

5. Discusión A fin de tratar las problemáticas referidas a contaminación por envolturas de pasabocas

y al embarazo adolescente en Colombia, se propone evaluar la eficacia de comercializar un producto (bolso ecológico) cuya materia prima sean envolturas de pasabocas y que sea elaborado por madres adolescentes, a través de una estrategia de mercadeo con causa social que permita hacer frente a estas situaciones y que les ofrezca, además, beneficios a los actores contemplados por la propuesta (las empresas y las fundaciones). La población objetivo serán mujeres entre 18 y 45 años de edad interesadas en comprar accesorios como bolsos y que, además, llevan a cabo sus actividades cotidianas en la localidad de Chapinero. Ellas conformarán inicialmente el mercado meta para este producto. Dado que las personas en estudio se encuentran en la localidad de Chapinero, pueden presentarse limitaciones con respecto a la generalización de los resultados obtenidos, pues el contexto social, económico y cultural tanto del país como de la misma ciudad varía de un lugar a otro. Después debe evaluarse la expectativa del público objetivo frente a la capacidad real de producción en términos de atributos físicos, costos y tiempos de producción, pues esto determina si el producto puede responder a las Revista Ingeciencia, n.o 1, 2016

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Viviana del Mar Aranda Guerrero, Maribel Carrillo López, Daniela Caterin Hernández Cetina y Daniela Alejandra Luz Moreno

necesidades de su mercado, además de generar rentabilidad para las adolescentes que constituyen la mano de obra. Adicionalmente, debe evaluarse si el desempeño proyectado del producto en el mercado (según lo hallado en el estudio) cumple con su objetivo de solucionar las problemáticas sociales y ambientales a la vez que se convierte en un modelo de negocio. Los resultados de esta investigación pueden convertirse en un punto de partida para nuevas investigaciones que den cuenta de la viabilidad de este tipo de proyectos de elaboración de productos con envolturas de pasabocas cuya mano de obra sean diferentes poblaciones vulnerables; así como para impulsar otros proyectos con un enfoque de mercadeo con causa social que beneficien a dichas poblaciones y aborden otras problemáticas de contaminación ambiental. Existen también la posibilidad de hacer presencia en desfiles de moda en Colombia como estrategia de comunicaciones integradas de mercadeo, a fin de aumentar sus ingresos y, de esta manera, sus ganancias.

6. Conclusiones El proceso de investigación requiere una labor constante y conocimientos amplios en estadística. El trabajo de campo que se realiza en la investigación es un desafío al que diariamente los mercadólogos se deben enfrentar. Las herramientas obtenidas son necesarias para elaborar un plan de mercadeo efectivo que tenga en cuenta el mix propio del mercadeo (plaza, precio, producto y promoción). De este modo se puede crear una oferta de valor que cumpla con las expectativas de las mujeres y produzca suficiente rentabilidad para la empresa. El proyecto tiene viabilidad de convertirse en un plan de negocio, debido a que el 79 % de las mujeres están interesadas en adquirir un 76

bolso ecológico elaborado con envolturas de pasabocas. El 21 % restante, que manifestó no estar interesado en comprar el bolso, cambió de opinión al conocer que estos iban a ser fabricados por personas en condiciones de vulnerabilidad. Esto lleva a pensar que el 100 % de las mujeres compraría el bolso siempre y cuando este contribuya al bienestar de personas en circunstancias difíciles. Existe una diferencia de más de 150 000 pesos entre los precios que están dispuestas a pagar las mujeres por el bolso cuando no conocen la procedencia de su mano de obra y cuando la conocen. Esto quiere decir que la población tiene un sentimiento social altruista bastante arraigado. Debido a que la disposición a pagar de las mujeres es en promedio 69 000 pesos y que el costo de fabricación de cada bolso es de aproximadamente 45 000 pesos, la elaboración del producto es rentable (se obtendría un margen de utilidad del 53,33 % por la venta de cada bolso). La inversión de las mujeres en la compra de accesorios mensualmente es igual sin importar su ocupación. Esto indica que una estudiante estará dispuesta a invertir la misma cantidad de dinero en accesorios que una trabajadora. La intención de comprar este bolso ecológico es independiente de si las mujeres han comprado productos que brinden apoyo a poblaciones vulnerables. Las mujeres esperan que la vida útil del bolso ecológico sea de un poco más de un año (13 meses). Por tal motivo, el producto se someterá a prueba a fin de optimizar su vida útil. Además, en su fabricación se usarán materiales de alta calidad que, a su vez, sean orgánicos (diferentes a las envolturas) para mantener la línea amigable con el medioambiente (como “cáñamo”, fibra orgánica de alta resistencia al peso, la humedad y el calor).

Universidad Central • Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas

Mercadeo con causa social: factores que inciden en la decisión de compra de bolsos ecológicos

Aproximadamente, un 61 % de las mujeres acude a centros comerciales a la hora de comprar un bolso. Por eso, se diseñará un canal de distribución de nivel 0 para que las mujeres adquieran su bolso en puntos de venta propios ubicados en los centros comerciales de la localidad de Chapinero. Dado el intervalo de confianza de la disposición a pagar por un bolso ecológico (entre $ 56 687 y $ 78 382), el precio debe ajustarse dentro de esos rangos, para lograr captar toda la venta potencial. Se creará una oferta de valor contundente: una que satisface la necesidad de transportar los artículos personales de las mujeres mediante un producto amigable con el medioambiente. Por otra parte, el producto debe tener un diseño único que haga lucir a la mujer sofisticada y vanguardista, la mejor calidad posible y un precio asequible, ya que estos son los factores más relevantes para el público objetivo. El bolso debe tener un tiempo de vida de entre 10 y 16 meses, según las expectativas de las mujeres. Mediante los atributos que se han identificado que debe tener el producto y la oferta de valor propuesta, se espera llevar el bolso a una fase de madurez y obtener un posicionamiento en la mente de las consumidoras, aprovechando el hecho que no hay competencia directa con una marca previamente posicionada en la ciudad. Una vez identificado y establecido el perfil de las compradoras potenciales, es posible empezar una estrategia que incluya la mezcla promocional más adecuada para dar a conocer el producto entre las mujeres, haciendo uso de algunos de los siguientes elementos de la mezcla promocional: publicidad, relaciones públicas, ventas personales, promoción de ventas y merchandising. De igual modo, a través del perfil de nuestras consumidoras y del carác-

ter de marca, se puede establecer el lenguaje adecuado para transmitir las bondades del producto (sin menospreciar su materia prima), con el estilo y tono preciso para llegar a las consumidoras. Por cada mil pesos que aumenten los ingresos de las mujeres, la disposición a pagar por un bolso ecológico cambiará en 0,003 miles de pesos, con todo lo demás constante. Por cada mil pesos más que la mujer invierta en la compra de un bolso convencional, la disposición a pagar aumentará en 0,12 miles de pesos, con todo lo demás constante. Con un 0,95 de probabilidad, este cambio estará entre –0,20 y 0,43 miles de pesos. Adicionalmente, por cada mes que aumente la expectativa de vida útil de un bolso, aumentará su disposición de pago en 1294,10 pesos para un bolso ecológico. Este cambio, con un 95 % de probabilidad, está entre –958,13 y 3546,32 miles de pesos.

Bibliografía El Tiempo (2014). Al año nacen cerca de 159 000 bebés de madres adolescentes. Consultado en http://www.eltiempo.com/estilo-de-vida/salud/ icbf-alerto-sobre-embarazo-adolescente-en-colombia/14573315. Noticias RCN (2014). En Colombia 17 menores quedan embarazadas a diario. Consultado en http://www.noticiasrcn.com/nacional-pais/colombia-17-menores-quedan-embarazadas-diario.

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La preparación editorial de este número de Ingeciencia estuvo a cargo de la Coordinación Editorial de la Universidad Central. En la composición del texto se utilizaron fuentes Bembo Std, Memphis LT Std y Centaur. En las páginas interiores se utilizó papel Propalmate de 115 g y en la cubierta, Propalcote de 240 g. La revista se terminó de imprimir en Editorial Kimpres, en mayo de 2016, en la ciudad de Bogotá.