GDL en problemas de ingeniería (2)
Una reflexión sobre habilidades verbales y visuales para sacar provecho de los "grados de libertad (GDL)" presentes en los enunciados de los problemas de ingeniería.
A tal efecto se aprovechan algunos resultados del desafío planteado como excusa para abordar estas ideas:
https://grabcad.com/groups/weekly-challenge-group/discussions/a-mechanism-to-move-the-green-orange-rectangle
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Step 1: Mejorar y sistematizar
La parte 1 de este tutorial estuvo dedicada a reflexionar sobre ciertas prácticas de diseño que podrían mejorarse, algunas de las cuales pudieron observarse en el desafío del rectángulo naranja-verde.
Los eventuales errores que se citan no son atribuibles a la falta de experiencia ni de conocimiento técnico. Por el contrario, son más frecuentes entre quienes conocen bien ciertos temas y actúan impulsados por la tradición, apresurándose a utilizar, una y otra vez, las mismas recetas sin siquiera atinar a ponerlas en crisis.
Inclusive, más que errores, conviene considerarlos "oportunidades de mejora" logrables con algo de sistematización en el proceso creativo, que suele estar teñido de misticismo y sus actores destacados parecen depender de capacidades innatas que no pueden comprenderse ni enseñarse.
Parece innegable la existencia de "talentos naturales" para diferentes actividades, entre ellas para el diseño y resolución de problemas, que conviene detectar, cultivar y aprovechar. Pero lo que está al alcance de cualquiera no son esas capacidades innatas, sino las que se pueden adquirir por entrenamiento (aprender y enseñar, al margen de los talentos naturales).
Dedicaremos esta parte 2 del tutorial a mencionar y ejemplificar algunas prácticas de sistematización del proceso creativo con la esperanza de mejorar nuestros procesos de pensamiento y diseño.
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Step 2: Quitar restricciones y ampliar el espectro
Para que el ejemplo del rectángulo, que es muy simple, nos sirva para observar algunas características de los problemas grandes y complejos, tendremos que estar dispuestos a extrapolar algunas situaciones e imaginarlas a mayor escala.
Una de las técnicas habituales en tales problemas consiste en relajar o quitar algunas restricciones del enunciado del problema, en forma transitoria, para facilitar la fluidez de las ideas y elaborar un espectro soluciones más amplio.
De este modo, las soluciones al problema original se convierten en un subconjunto de tal espectro, pero el resto de ellas aporta un mayor grado de comprensión y de recursos imaginativos para alcanzar soluciones útiles.
¿Cómo se aplicaría esta técnica al ejemplo del rectángulo?
Primero deberíamos tomar el enunciado original del problema:
- Enunciado original: sea un rectángulo con un lado verde (frente) y el otro lado naranja (dorso). Su posición inicial deja visible la cara naranja, con sus bordes largos en posición horizontal. Su posición final deja visible la cara verde, con sus bordes largos en posición vertical. Se solicita diseñar un mecanismo capaz de moverlo entre ambas posiciones.
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Gráfico: en la siguiente figura los colores naranja y verde están asociados a dos caras distintas del rectángulo:
Luego analizarlo y crear una nueva versión en la cual relajemos o quitemos alguna restricción que, a priori, resulte compleja de satisfacer y pueda estar limitando la fluidez de nuestras ideas. Esto es arbitrario y no hay una sola forma de hacerlo, pero a continuación se ejemplifica una alternativa:
- Simplificación: olvidemos (por un momento) el requisito de diferenciar ambas caras del rectángulo (naranja y verde) y simplemente pidamos ir de la posición inicial a una posición final con los bordes largos en posición vertical.
- Nuevo enunciado: sea un rectángulo ubicado con sus bordes largos en posición horizontal que requiere moverse hasta una posición final donde sus bordes largos queden verticales. Se solicita diseñar un mecanismo capaz de moverlo entre ambas posiciones.
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Gráfico: aunque el siguiente gráfico es igual al original, su significado es diferente, más general, menos restrictivo. Los colores ahora, simplemente, representan la posición inicial (apaisada) en naranja y la posición final (vertical) en verde:
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Step 3: Usar el enunciado simplificado
El enunciado simplificado se usa como cualquier otro, con la ventaja de que representa un problema algo más sencillo que el original.
Conviene hacer buenos dibujos para poner en claro las consignas antes de proponer soluciones. Esto nos llevará a darnos cuenta de que el rectángulo tiene dos caras (frente y dorso) aunque sin la obligación de condicionar el movimiento a ellas:
Identificar las caras (frente y dorso) del rectángulo nos facilitará la tarea de reconocer todas las “orientaciones con bordes largos verticales”:
¿Cuántos casos diferentes existirán?
En este ejemplo, un sencillo análisis nos permite reconocer cuatro casos o formas distintas en las que el rectángulo puede situarse en su posición final partiendo de una cierta posición inicial:
CASO 1: dando el FRENTE con giro anti-horario
CASO 2: dando el FRENTE con giro horario
CASO 3: dando el DORSO con giro anti-horario
CASO 4: dando el DORSO con giro horario
A modo de resumen y estímulo visual, graficamos en conjunto estos casos para anticipar la estructura del futuro ECS (Espectro de Conceptos de Solución):
Nota:
En este punto alguien podría preguntarse... ¿por qué no se analizaron los otros cuatro casos en los que el rectángulo en posición inicial deja visible su "dorso"?
Tales casos existen y son válidos pero totalmente simétricos a los ya planteados. Es decir, se volverán a encontrar dos situaciones en las cuales una misma cara (el dorso en la figura anterior) aparece en dos posibles posiciones finales (con giro anti-horario y con giro horario) y otras dos situaciones donde es la otra cara (el frente en la figura anterior) la que aparece en la posición final en dos posibles orientaciones.
De este modo, los mismos mecanismos que resuelven los casos 1, 2, 3 y 4 son los que podrían resolver los otros cuatro casos adicionales.
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Step 4: Profundizar la comprensión
En un caso más complejo sería imprescindible profundizar el análisis para asegurar el completo entendimiento del enunciado simplificado.
En el paso anterior ilustramos los distintos casos que muestran las posiciones, inicial y final, del movimiento.
Ahora, es posible "vislumbrar los movimientos" a través de vectores con inicio y fin en distintos puntos del objeto a mover. Por supuesto que estos vectores no pueden considerarse "trayectorias del movimiento de los puntos" ya que son segmentos rectos que difícilmente puedan ser recorridos simultáneamente por dichos puntos.
No obstante, estos segmentos rectos ya nos dan una buena idea de al menos una alternativa de movimiento entre las posiciones, inicial y final, consideradas:
Ubicar un plano (como el rectángulo) en el espacio requiere solo 3 puntos no colineales, pero agregar otros puntos ayuda a pensar porque, como se verá luego, cada objeto tiene puntos con movimiento es complejo y otros (que conviene encontrar) que se mueven en forma lineal o circular, y suelen ser los más convenientes para implementar los futuros mecanismos (todavía no hemos hablado nada de ellos, ni intentamos definirlos: estamos hablando del "movimiento").
Todo lo anterior suele sistematizarse en lo que denominamos "gráficos de apoyo para el análisis de la movilidad" que se resumen para este paso.
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Step 5: Hacer gráficos de apoyo
La tarea previa (unir posiciones iniciales y finales de diversos puntos del objeto) es algo que conviene hacer sistemáticamente ya que constituye un fuerte estímulo visual para el diseño del movimiento y, posteriormente, del mecanismo.
GRÁFICOS DE APOYO PARA EL ANÁLISIS DE MOVILIDAD
CASO 1:
CASO 2:
CASO 3:
CASO 4:
Podemos perfeccionar ahora el Espectro de Conceptos de Solución que logramos en el paso 3, que solo citaba las posiciones de inicio y fin del movimiento, agregándole la información sobre movilidad de ciertos puntos:
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Step 6: Analizar la movilidad
Con los gráficos de apoyo para el análisis de la movilidad como "estímulo visual" es recomendable "dar tiempo a la maduración de ideas" observándolos repetidas veces para "imaginar distintas formas de lograr cada caso de movilidad".
Como cada caso de movilidad tiene infinitas formas de implementarse, conviene tener algunas estrategias para su análisis. Es este tutorial mencionaremos dos de ellas: Detección de puntos estacionarios y Definición de componentes.
DETECCIÓN DE PUNTOS ESTACIONARIOS
Un punto estacionario en un gráfico de apoyo es uno cuyas coordenadas no cambian mientras que el objeto en movimiento solamente gira alrededor de él. Corresponde a un vector de módulo cero que representamos como una flecha curva que sale y vuelve al mismo punto. Puede inspirar soluciones interesantes y relativamente sencillas de generar, como se ejemplifica a continuación para el punto estacionario que aparece en un vértice del rectángulo para el CASO 4 de movilidad:
Es un punto fijo muy determinante para el movimiento, pero el resto de puntos todavía tienen infinitas formas de llegar desde sus posiciones iniciales a las finales. En pocos casos estas formas incluirán algún segmento de recta (vectores) como los ya graficados, pero en la mayoría de los casos tal cosa no resultará posible porque "implicaría deformar el objeto"... ¡y deformar el objeto (o convertirlo en un mecanismo capaz de pegarse) es una muy interesante propuesta creativa!
DEFINICIÓN DE COMPONENTES DEL MOVIMIENTO
Otra estrategia muy útil para el análisis de la movilidad es la definición arbitraria de "componentes del movimiento" compatibles con cada caso de movilidad planteado.
Como cualquier sistema de "componentes" su definición es arbitraria y existen infinitas posibilidades. Como en el caso de un vector de cierto módulo, dirección, sentido y punto inicial en el espacio: es posible representarlo en infinitos sistemas de coordenadas, para los cuales "tendrá diferentes componentes" que reflejan la misma realidad física. Es decir, si a partir de dichas componentes se calcula algún invariante (tal como el módulo del vector) obviamente el resultado deberá ser el mismo desde cualquier sistema de coordenadas y sus respectivas componentes.
Un ejemplo de movilidad por componentes para el CASO 1
Notar que el orden de estos tres movimientos componentes puede intercambiarse, lo cual provee libertades creativas adicionales. Pero aún más si consideramos que, para cada definición de componentes es posible definir distintos "movimientos combinados". Es decir, los movimientos componentes pueden ejecutarse en forma individual y sucesiva (en cualquier orden) o bien en forma combinada y simultánea... creando infinitas soluciones de movimiento, sin haber hablado aún del artefacto (mecanismo) capaz de proveerlo.
Por ejemplo, al combinar (por ejecución simultánea) las dos primeras componentes de movimiento lineal definidas antes, se genera un movimiento de traslación con giro que puede resolverse físicamente de forma incluso más simple que las componentes individuales y, además, reduciendo la cantidad de grados de libertad. Esto es: para mover individualmente esas dos componentes, habría que usar dos motores, pero para el movimiento combinado sería suficiente solo uno y, por ejemplo, un sencillo sistema de guías lineales.
Otro ejemplo de definición de componentes:
Nota: esta opción colisiona contra el contexto de la cochera, pero hay que recordar que el mismo es ficticio y en las consignas no hay restricciones de espacio.
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Step 7: Tolerar la divergencia
Quizás una de las cuestiones menos intuitivas para los ingenieros que nos hemos formado de manera clásica, con contenidos analíticos, mentalidad racional y pensamiento vertical (convergente) es la conveniencia de tolerar la divergencia y sus múltiples alternativas de solución explorándolas antes de intentar desarrollarlas completamente.
Sucede que la formación fuertemente racional nos induce a la convergencia rápida y eso, en el proceso de diseño se refleja en nuestra ansiedad por "encontrar algo que funcione y perfeccionarlo" sin permanecer demasiado tiempo en "estado divergente, administrando múltiples alternativas".
Nos puede parecer incluso una pérdida de tiempo, además de resultar tedioso porque necesitamos entrenar nuestro pensamiento lateral (divergente/ creativo) y aprender a posponer la ingeniería de detalle en favor de la generación y evaluación de más cantidad y diversidad de ideas.
Entrenar el pensamiento lateral (divergente/creativo) no tiene por objetivo desplazar al vertical (convergente/racional) sino "usarlo en el momento que resulta más útil" ya que se trata de capacidades complementarias que no entran en conflicto si uno se acostumbra a desarrollar el diseño en sus tres etapas consecutivas:
1. Conceptual (en la que predomina el pensamiento divergente),
2. Básica (donde se combinan ambos tipos de pensamiento, aunque con preponderancia del pensamiento convergente) y
3. Detallada (donde predomina el pensamiento convergente/vertical/racional).
Tolerar la divergencia que hemos propuesto hasta ahora, quitando restricciones al problema y haciendo que el conjunto de soluciones resulte más amplio, implica tener paciencia a pesar de saber que estamos mirando un conjunto de soluciones donde claramente algunas no resuelven el problema original:
Pero entonces ¿para qué perdemos tiempo mirándolas?
¡Para obtener inspiración y vislumbrar nuevos recursos creativos aplicables a soluciones realmente válidas!
Por ejemplo, de no haber hecho este esfuerzo, probablemente nunca habríamos descubierto movimientos tan especiales como el del CASO 4 debido a su punto estacionario. Sencillamente: esta NO SOLUCION terminó por enseñarnos algo muy valioso sobre el modo de movilizar un objeto y eso podemos aplicarlo a la resolución de este mismo problema o de cualquier otro a futuro.
Por supuesto que no me refiero a algo obvio y propio de este ejemplo (como el punto estacionario y los giros a su alrededor) sino cualquier otro conocimiento especial y propio del problema real/complejo que uno esté abordando.
Pero si se desea una justificación más contundente, basta con pensar que:
Cualquier diseño de movimiento de "los casos supuestamente inútiles 3 y 4" puede convertirse en exitoso simplemente "sumándole una o más componentes de movimiento (de entre muchas posibles)":
Básicamente, el "premio por tolerar la divergencia" es el aprendizaje. Por tal motivo sostengo que el proceso de diseño es un proceso de aprendizaje cuando uno está dispuesto a replicar las técnicas que utiliza para el mismo: observar, analizar, reflexionar, madurar para que los conceptos pasen de la memoria de trabajo a la de corto plazo, y de ésta (tiempo y repeticiones mediante) logre pasar a la de largo plazo convirtiéndose en un recurso de fácil recuperación y aplicación a otros problemas.
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Step 8: Diseñar el mecanismo
Hasta el momento hemos hablado de "diseñar movimientos" con abstracción del artefacto (mecanismo) capaz de proveerlo.
Dado que este tutorial se extendería demasiado, dejaremos para el siguiente el tratamiento de este asunto de modo tal que tenga sentido la frase que hemos venido utilizando: ¡diseñar primero el movimiento y luego el mecanismo!
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Step 9: Enlaces
Este tutorial proviene de:
GDL en problemas de ingeniería (1)
y continúa en:
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