APORTES HISTÓRICOS DE LA L A INGENIERÍA MECÁNICA EN EL AVANCE DE LA L A CIVILIZACIÓN
RESÚMEN HISTÓRICO La Ingeniería apareció con el ser humano. Se puede hablar de Ingeniería desde el primer momento en que se dio forma a una piedra para convertirla en una herramienta, o cuando los primeros humanos usaron la energía de forma consciente al encender una hoguera. Desde entonces, el desarrollo de la Ingeniería ha ido parejo con el de la Humanidad. Los orígenes de muchas de las técnicas y herramientas de uso común en nuestros días se pierden en la antigüedad. Quizás el ejemplo más evidente sea el hecho de que casi todos los métodos modernos de generación de energía estén basados en el fuego, del que nadie sabe cuándo se consiguió por vez primera, pero es evidente que requirió una capacidad intelectual importante. Se pueden citar otros ejemplos de elementos esenciales para el desarrollo actual de la tecnología, tales como la rueda, la palanca, la polea y los métodos para la fundición de metales, que se han venido usando durante miles de años y a los que no es posible poner fecha. El trabajo con la piedra conoció un alto grado de desarrollo en la Antigüedad, como lo demuestran las gigantescas estructuras de Mesopotamia, Egipto y América Central que todavía existen hoy. Así, por ejemplo, la más grande de las pirámides, la Gran Pirámide de Keops tenía originalmente una altura similar a la de un edificio de 48 pisos y su construcción se puede fijar entre 4.235 y 2.450 a.C. Se trata de un monumento a las capacidades del hombre que ha resistido el paso de 6.000 años. Desde que el hombre empezó a razonar, fue descubriendo problemas, por ende nuevas necesidades para satisfacer su evolución, fue “construyendo” las
soluciones para sus problemas en forma de aparatos, utilizaba su ingenio, ahí es donde nació la INGENIERÍA. Hubo otros logros en la Antigüedad, quizás no tan espectaculares como las pirámides pero con un mayor impacto en el desarrollo de la Humanidad, como, la construcción de canales y acueductos, que hicieron posible la aparición de ciudades y la expansión de la agricultura. Mucho antes del 3.000 a.C., los Sumerios habían drenado las marismas del Golfo Pérsico y construido canales para irrigación. Del mismo modo, la sustitución de la energía humana por otros tipos de energía, o el desarrollo de estas nuevas fuentes han supuesto igualmente hitos fundamentales en el desarrollo de la técnica. El uso de bueyes y
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posteriormente con la aparición del arado, de caballos (más rápidos y eficientes que los bueyes), permitió al hombre disponer de nuevas fuentes motrices. En este sentido, el salto más importante se dio al reemplazar la energía animal por la mecánica, dando inicio al periodo que se conoce como Revolución Industrial.
Mención especial merecen los desarrollos alcanzados en la Antigua China. Uno de ellos ya ha sido citado, el arado, pero fueron muchos y de gran importancia los desarrollos importados por Occidente, como por ejemplo, el papel (piénsese que el grado de desarrollo de una sociedad se mide por la cantidad de papel consumido), el cigüeñal, que permite convertir movimientos lineales en rotatorios y viceversa, o la pólvora. También en Occidente se realizaron aportaciones de vital interés. Los romanos inventaron la argamasa y extendieron un elemento cuya capacidad proporcionaba desconocidas posibilidades: el arco. Sin embargo, sus inventores, los etruscos, hicieron poco uso de él. El arco permitió construir las espectaculares catedrales góticas europeas, mucho antes del desarrollo de cualquier teoría de las estructuras. Normalmente se piensa en la Edad Media como un periodo de estancamiento caracterizado por la falta de progreso social. Sin embargo, algunas de las más grandes creaciones arquitectónicas de la Humanidad, las catedrales, datan de esa época. Además, dos máquinas inventadas en ese periodo han tenido un enorme impacto en el progreso subsiguiente: el reloj de contrapeso y la imprenta, inventada por Gutemberg en 1450. Georgius Agrícola (1494-1555) y Galileo Galilei (1564-1642) establecieron las bases científicas de la ingeniería. El primero, en su obra póstuma De Re Metallica (1556) recopiló y organizó de forma sistemática todo el conocimiento existente sobre minería y metalurgia, siendo la principal autoridad en la materia durante cerca de 200 años. Galileo es conocido por sus observaciones ~2~
astronómicas y por su declaración de que objetos de diferentes masas se ven sometidos a la misma “tasa” de caída. Galileo también intentó desarrollar teorías
tensionales para estructuras. Aunque sus predicciones fueron erróneas al no considerar la elasticidad de los materiales, poco tiempo después Robert Hooke publicó el primer artículo sobre elasticidad (1678) que sentó las bases de la actual teoría de la elasticidad. Como se ve, en la Historia aparecen genios cuya influencia en el desarrollo posterior de la técnica es enorme. Galileo fue uno de ellos, como también lo fue Newton cuyos principales legados fueron las tres famosas leyes del movimiento, la solución al problema del movimiento de los planetas, y el desarrollo del cálculo matemático.
El siglo XVII fue, como se ve, excepcional para el desarrollo posterior de la ingeniería. Hacia su final, ocurrió un hecho crucial, puesto que el hombre aprendió a convertir energía calorífica en trabajo mecánico, algo inconcebible hasta entonces. Para llegar a este descubrimiento, tuvieron que realizarse antes otros muchos: hubo que “descubrir” la atmósfera (Galileo, Torricelli y Viviani) y la
presión atmosférica (Pascal). En 1672, Otto Von Guericke inventó la primera bomba de aire: el desarrollo de un cilindro con un pistón móvil sería crucial para el posterior desarrollo del “motor de fuego”, como entonces se le dio en llamar. Sólo
faltaba mover el pistón con energía calorífica. Esto lo consiguió Denis Papin en 1691, sentando las bases del motor de vapor que, en 1705, Thomas Newcomen puso en práctica. Su motor era útil y práctico, pero lento e ineficiente. Tuvieron que pasar casi 70 años hasta que James Watt (1736-1819) presentara su máquina de vapor (1774), base de la Revolución Industrial. Aunque se suele fechar la Revolución Industrial entre 1750 y 1850, fue en la parte central de este periodo cuando se vivieron los mayores cambios. Los motores de Watt empezaron a usarse de modo general hacia 1750 y para 1825 aparecieron las primeras locomotoras dotadas de motores más evolucionados, ligeros y potentes, que usaban vapor a alta presión en vez de vapor a presión atmosférica. El motor de vapor cambió radicalmente las factorías existentes hasta entonces, basadas en molinos de agua o de viento. A partir de ese momento, las fábricas podían situarse prácticamente en cualquier lugar. El desarrollo de fábricas trajo consigo la necesidad de combustible en grandes cantidades que, además, proporcionara suficiente poder calorífico para fundir hierro. La solución la proporcionó el carbón.
La nueva situación llevó parejo el desarrollo de ciudades sucias e impersonales y la explotación de la mano de obra durante los siglos XIX y buena parte del XX. Pero también es cierto que la evolución en los sistemas de ~3~
fabricación llevó a mejoras en la productividad que, a cambio, han revertido en una espectacular mejoría del nivel de vida en los países industrializados. Inglaterra fue, sin duda, el país donde con más fuerza comenzó y se desarrolló la Revolución Industrial. Sin embargo, y ya en su etapa final, el liderazgo comenzó a pasar a los Estados Unidos, una potencia emergente. Gran parte de los esfuerzos ingenieriles de esa época estaban dirigidos hacia la industria del ferrocarril. Así, uno de los grandes logros de ese periodo fue la construcción del ferrocarril de costa a costa de los Estados Unidos (1862-1869).
Debe m enc ion ars e un d esar ro llo m ás d e enor m e valo r, de la ingen iería del siglo XIX: el mo tor de com bus tión interna. Durante la segunda mitad del
siglo se llevaron a cabo experimentos en esta línea (Lenoir, Beau de Rochas), y fue en 1876 cuando Nikolas Otto introdujo su eficiente motor de cuatro tiempos que se usa en la mayor parte de los automóviles actuales. No sería justo abandonar el siglo XIX sin hacer mención a dos investigadores cuyos trabajos han sentado las bases para un gran número de desarrollos posteriores: S. Carnot y J.C. Maxwell. Carnot describió los principios de la termodinámica y la eficiencia energética en su obra “Reflections on the Motive Power of Fire” (1824), principios aún vigentes. Maxwell estableció los
fundamentos de la teoría de campos electromagnéticos (1865) que, entre otras cosas, fijó los cimientos para el posterior desarrollo de las radiocomunicaciones y el radar. En este punto, es decir, al comienzo del siglo XX, se entra en una dinámica de desarrollos no conocida hasta entonces y en la que nos hallamos inmersos de pleno, por lo que es difícil aún evaluar su importancia en toda su magnitud . Hay que decir qu e, en justicia, muc hos de los log ros d el siglo XX se basan en desarrollos anteriores .
La ingeniería es una de las profesiones que más impacto ha generado en la sociedad así sea para bien o para mal, la mayoría de los electrodomésticos y transportes que usamos todos los días se deben en gran parte a un modelo pensado por ingenieros con el objetivo de satisfacer distintos tipos de necesidades en la mejor forma posible. T o d o s e s t o s c a m b i o s t e c n o l óg i c o s h a n p r o d u c i d o u n a r e v o l u c i ón e n la forma de vivir y pensar del hombre m oderno : la vida hoy en día es más
acelerada, la extremada rapidez del avance tecnológico hace que lo que se compra hoy mañana ya sea obsoleto, lo que lleva a un consumismo constante en algunas personas.
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PRIMEROS APORTES REVOLUCIONARIOS DE LA MECÁNICA
Todo lo dicho anteriormente es un resumen válido de la evolución de la ingeniería a través de los años, y que significaron grandes cambios en la forma de vivir de las diversas culturas del mundo, en total, de la civilización. Desde una perspectiva histórica, las máquinas y sistemas mecánicos constituyen la primera tecnología triunfante, la que ha permitido a la humanidad tomar el control y manejar la energía. La mecánica ha sido, asimismo, el núcleo de las ciencias físicas hasta bien entrado el siglo XIX: la astronomía no era otra cosa que mecánica celeste y la filosofía natural abarcaba la estática, la dinámica y la cinemática newtonianas que aún se enseñan en las escuelas. La Ingeniería Mecánica, es quizás la más revolucionaria de éstas, pues es la que mayores cambios hizo en la forma de interactuar de los seres humanos a lo largo de la historia, con sus aportes significativos ayudó al desarrollo de las culturas alrededor del mundo para ser lo que somos hoy, en otras palabras, cada avance tecnológico mecánico daba un giro total a la forma de vida de las sociedades, pues debieron adaptarse a los nuevos hechos y de este modo evolucionar con los nuevos conocimientos. Tanto, la mayoría de las personas como la mayoría de los medios informativos, asocian hoy por hoy la palabra “tecnología” exclusivamente con
artefactos y dispositivos de última generación. Con este trabajo no pretendemos negar la importancia de los avances, sino dar una visión crítica y razonable sobre el hecho de cómo éstos han influido en nuestra manera de pensar de modo que vemos como “pérdida de tiempo” e incluso de “inútil” el pretender tener un
conocimiento detallado sobre los aportes que heredamos de otras épocas. Por lo irónico que parezca, esta manera de pensar no la comparte solamente la gente que ignora los conocimientos que brinda la ingeniería y que no siente a la ingeniería como suya, sino también, no escapa siquiera a quienes viven de ella, o en términos menos apasionados, a quienes se dedican a la producción y divulgación de conocimiento ingenieril. Siendo esto así, se pierde (aunque se ahorren horas de trabajo y se gane en practicidad) una visión más integral de lo que en realidad significa la “tecnología”, que no sólo implica “modernidad” sino también “evolución”, “cambio constante” y básicamente un “punto de partida” el cual es satisfacer una
necesidad, resolver un problema, de la civ ilización . Cientos de años antes que los británicos James Watt, Robert Willis o el alemán Franz Reuleaux revolucionaran el mundo con sus aportes teórico-prácticos ~5~
a la teoría de los mecanismos industriales, como sabemos, ya existían elementos de máquinas importantes.
La rueda, base de numerosos mecanismos, se remonta al menos al año 4000 antes de Cristo y era conocida entre los asirios para el transporte. El torno del alfarero, una de las primeras aplicaciones artesanales de la rueda, se conoce desde el año 3500 a.C. Poco después surgirían los primeros molinos de muelas giratorias, que sustituirían a los primitivos sistemas de molienda por rodillos, más incómodos. Es decir, ya desde las primeras civilizaciones, la rueda fue utilizada como mecanismo para facilitar el desarrollo de las tareas humanas. Pero también otros principios mecánicos fueron rápidamente utilizados, como la palanca, usada como elevador de pesos y de agua en el 1500 a. C. por los egipcios. Pronto las civilizaciones más antiguas del Oriente Medio utilizaron la energía del agua en norias para riegos.
Taladro usado en la Edad de Piedra
Sin embargo, no todos los pueblos primitivos conocieron el uso de la rueda, y, por ejemplo, los indios americanos, incluso los más avanzados culturalmente, no utilizaron la rueda hasta la llegada de los españoles, que la introdujeron en América. Quiere esto decir que, a pesar de que el principio del movimiento giratorio pueda resultarnos ahora sencillo, no fue evidente para todos los pueblos, ya que tal movimiento no es observable en los seres vivos, que utilizan para su desplazamiento otro tipo de principios mecánicos. La sistematización de los elementos de las máquinas, se debió a la antigua civilización griega. Arquímedes de Siracusa (287-212 a. C.), perfeccionó, inventó y estudió numerosos mecanismos. A él se debe el primer enunciado de la ley de la palanca, con la que, si contaba con un punto de apoyo, podría "mover el mundo", ~6~
según una frase que se le atribuye. Arquímedes aplicó los conocimientos de la geometría al estudio del plano inclinado, de las poleas y de otros mecanismos y a él se debe el tornillo que lleva su nombre, utilizada todavía en Egipto para elevar el agua.
Los discípulos y seguidores de Arquímedes perfeccionaron numerosas máquinas, que se utilizaron por los antiguos griegos y romanos, uno de estos discípulos fue Herón de Alejandría (10 - 70 d.C.), considerado por muchos historiadores como el primer ingeniero que fueron descritos en su obra “Autómata ”, donde se recopiló todos los “milagros” empleados por sacerdotes
egipcios en la apertura y cerrado de puertas, así como del encendido y apagado del fuego en los altares “sin emplear la mano humana” conocidos ya centenares
de años antes de la era cristiana.
INVENTOS DE HERÓN
Herón dedicó 3 obras más al diseño de máquinas:
PNEUMATICA (SPIRITALIA) en dos libros, que describe el funcionamiento de aproximadamente 80 dispositivos que funcionaban con vapor, aire o líquidos a presión. Herón realizó numerosos inventos mecánicos, como la primera bomba contra incendios, un dispositivo que suministra agua con sólo insertarle una moneda, el sifón e incluso se adelantó a James Watt con una máquina de vapor rudimentaria: la eolípila, una esfera situada sobre una caldera, a la que el vapor hace girar al salir proyectado por dos tubos excéntricos.
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Eolípilo de Herón
BELOPOEICA, que describe el funcionamiento de aparatos para uso exclusivamente militar. Aunque se dice que los manuscritos originales se “extraviaron”, sobrevivieron versiones manuscritas de la edad media tanto en
oriente como en occidente.
MECANICA, en 3 libros, que es la obra más conocida y utilizada hasta el presente por todos nosotros, ya que describe el funcionamiento de las llamadas “máquinas simples” y técnicas para mover objetos pesados, la primera parte está dedicada a
los fundamentos hasta entonces conocidos de la estática y la dinámica. Por ahora se tiene apenas una pequeña idea de lo trascendentes que han sido las ideas primigenias en el mundo que nos ha tocado vivir, al cabo se describan más dispositivos de la antigüedad el interés irá en aumento progresivo y proporcional si relacionamos a los mecanismos modernos con los descritos en este trabajo. Uno de los más interesantes, sin lugar a dudas es el odómetro , que es el antepasado del taxímetro. El odómetro es un instrumento con el cual se puede medir y contar los pasos que uno anda a pie, o las vueltas que da la rueda de un carruaje, es un instrumento dedicado a medir la distancia recorrida por un vehículo. El sistema utilizado era muy ingenioso y consistía en una transmisión que cada vez que daba una vuelta la rueda final caía una bola en un contenedor. Solo había que contar el número de bolas para conocer la distancia recorrida.
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LA MECÁNICA NACE EN LA CULTURA CHINA
Por otra parte, en Asia Oriental, en China y en la India, se habían creado unas poderosas civilizaciones que habían inventado instrumentos, mecanismos y máquinas, algunos de los cuales acabarían llegando a occidente. Dos buenos ejemplos de estos avances te cnológicos son tanto el “carro que apunta al sur” que data del 2600-1100 a.C., así como el reloj astronómico de Su Song construido en el 1089 y que, con sus más de cuatrocientas piezas, es sin duda una maravilla tecnológica.
El “Carro que apunta al sur”. ~9~
Reloj astronómico de Su Song
LA HERENCIA MECÁNICA DE LOS ÁRABES
El Islam se extiende hasta los confines del mundo conocido durante la Edad Media y el árabe sirve de vehículo de la cultura en su área de influencia. Los trabajos de sus autores parten del estudio de las obras griegas y romanas, buscando mayor profundidad y creatividad. De la “Casa de la Sabiduría” creada en Bagdad (s. IX), surge el primer libro “Kitab al-Hiyal” (El libro de los Mecanismos Ingeniosos) debido a los tres hermanos Banu Musa en cuyas páginas se encuentran esquematizadas 100 máquinas y mecanismos. Algunas de ellas son copias de las creadas por Herón o Filón pero muchas otras son evoluciones de las mismas o nuevos modelos. Tras sus pasos se encuentra el nombre más relevante en cuanto a tecnología islámica: Al-Jazari (1136- 1206). Su “Tratado del conocimiento sobre mecanismos” muestra fuentes, relojes, norias o autómatas con una precisión tanto
en el dibujo como en las explicaciones no conocidas hasta entonces. Sus máquinas muestran una complejidad creciente y un resultado no sólo útil sino
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también vistoso como en el caso del reloj elefante que une INGENIERÍA
MECÁNICA y diseño a partes iguales.
Fuente de Al-Jazari
Reloj elefante de Al-Jazari
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El Renacimiento de la Europa Occidental, durante los siglos XIV, XV y XVI, marca una etapa de reactivación y revitalización tanto a nivel de las artes como de las ciencias y las letras, buscando dejar atrás el estancamiento de la Edad Media. A diferencia de lo que sucede en el Medievo, la apertura de la sociedad del Renacimiento favorece la difusión de las máquinas. El momento de más éxito en el desarrollo de las máquinas puede considerarse el siglo XV, con el resaltante, sobre todas las demás, de Leonardo da Vinci.
INVENTOS DE LEONARDO DA VINCI
La profunda imaginación de Leonardo lo llevó a diseñar un gran número de máquinas ingeniosas, desde bélicas hasta instrumentos científicos y máquinas voladoras. Fue el primero en estudiar científicamente la resistencia de los materiales utilizados en las construcciones mecánicas, y de tales investigaciones se sirvió para establecer las secciones de las estructuras de sus máquinas.
LA BICICLETA DE DA VINCI En un apartado de la obra "Codez Atlanticus" de Leonardo da Vinci ya aparecía un dibujo de una bicicleta. Leonardo ya pensó en una transmisión de cadena como en las que se utilizan en la actualidad. Estos dibujos fueron dispersados por el tiempo y quedaron recopilados sin orden ni concierto en la biblioteca Ambrosiana de Milán.
EL TORNILLO AEREO DE DA VINCI Más o menos de la misma época, es el tornillo aéreo, conocido como el primer prototipo de helicóptero, llevado a la práctica a través del estudio que afirmaba si en un cuerpo sólido, hay un objeto atornillándose en su interior, este deberá elevarse hacia arriba (de la misma forma que un tornillo). El aparato consta de un tornillo de unos 10 metros de diámetro, realizado con una estructura de cañas revestida de
tela de lino almidonado, y
reforzada
con un borde metálico.
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MAQUINAS VOLADORAS DE DA VINCI La imaginación de Da Vinci era impresionante en ideas relacionadas con máquinas voladoras, incluyendo varios planeadores equipados con alas abatibles. Este modelo de carcasa abierta, equipado con asientos y mandos para el piloto estableció las bases de la tecnología aérea, manivelas, poleas, cuerdas y ruedas dentadas conformaron una fiel réplica de las alas y las articulaciones de los murciélagos. No vuelan por la desproporción entre el peso y la potencia del piloto. Usadas para planear, preceden al ala delta.
PUENTE GIRATORIO DE LEONARDO DA VINCI Da Vinci pensó que su puente giratorio podría emplearse en tiempo de guerra facilitando el juego estratégico. Los ligeros, pero robustos materiales, unidos a un sistema de enrollado a base de cuerdas y poleas, permitían a un ejército recogerlo fácilmente. Modelo de puente de gran alcance
y de rápida instalación. Los
órganos de maniobra permiten su rotación. Presenta la particularidad de que se construye sobre una orilla, sin la necesidad de acceder a la otra, y luego al rotarlo se la alcanza.
EL CAÑON DE DA VINCI DE 3 TRONERAS Con sus tres troneras y elevable mediante un gato, habría sido un arma temible en el campo de batalla, rápido y ligero y con una potencia de fuego extra, constaba de un sistema de cañones dispuestos en forma triangular, pudiendo rotar ese "triángulo de cañones" sobre un eje rotatorio. Da Vinci hizo este diseño en el cual un arma de fuego bastante portátil seguía disparando mientras recibía recarga de munición; es decir el diseño de Da Vinci anticipó a las primeras ametralladoras (en efecto las primeras ametralladoras fabricadas a mediados del siglo XIX en algunos casos se parecían mucho a este cañón de Da Vinci), de modo que fue un anticipo de las armas de repetición.
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EL ODÓMETRO ANTECESOR DEL CUENTAKILOMETROS Da Vinci, mejoró el invento hecho por Herón e inventó una carretilla de medir distancias. Cada 1,5 metros, un eje da una vuelta y la rueda vertical avanza uno de sus treinta dientes. Cada 45 metros, ésta mueve la rueda horizontal y cae una canica a la caja. Mejora el de Herón de Alejandría y precede a los actuales medidores digitales.
LOS ENGRANAJES DE LEONARDO DA CINCI Aunque el inventor de la rueda dentada fue Arquímedes, el inventor de los engranajes en todas sus formas fue Leonardo da Vinci, quien a su muerte en la Francia de 1519, dejó para nosotros sus valiosos dibujos y esquemas de muchas de los mecanismos que hoy utilizamos diariamente.
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EL AUTOMÓVIL DE LEONARDO DE VINCI El vehículo está formado por un carro de madera con varios muelles ballesta para regular el movimiento, al tiempo que la propulsión proviene de dos muelles de espiral colocados en la parte baja del prototipo y que le permiten recorrer varios metros de forma autónoma. La máquina está dotada de un rudimentario diferencial, que permite controlar la dirección. Los científicos de un museo de Florencia construyeron una réplica en 2004 y descubrieron que funcionaba tal y como Da Vinci pretendía.
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BIBLIOGRAFIA
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de
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