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Índice
Introducción Los adelantos en la ciencia han provocado muchos cambios en el mundo. Por ejemplo, desde Aristóteles en el 350 AC y hasta hace 500 años se creía que la Tierra era plana y que estaba en el centro del universo. La ciencia no es nueva, data de la prehistoria. El ser humano ha estado sobre la Tierra desde hace 100 mil años y desde entonces ha empezado a hacer ciencia. Por ejemplo, en el
comienzo se descubrieron las primeras regularidades y relaciones en la naturaleza. Una de las regularidades era la forma de los patrones de las estrellas que aparecían en el cielo nocturno. Otra evidente era el ciclo del clima a lo largo del año, distinguiéndose claramente el comienzo de la temporada de lluvias o de calor. La gente aprendió a usar estos ciclos para hacer predicciones y surgieron los primeros pronósticos del tiempo. De este modo fueron aprendiendo más y más acerca del comportamiento de la naturaleza. Todos estos conocimientos forman parte de la ciencia, pero la parte principal está formada por los métodos que se usan para adquirir esos conocimientos. La física es más que una rama de las ciencias físicas: es la más fundamental de las ciencias. Estudia la naturaleza de realidades básicas como el
movimiento, las fuerzas, energía, materia, calor, sonido, luz y el interior de los átomos. La química estudia la manera en que está integrada la materia, la manera en que los átomos se combinan para formar moléculas y la manera en que las moléculas se combinan para formar los diversos tipos de materia que nos rodea. La biología es aún más compleja, pues trata de la materia viva. Así, tras la biología esta la química y tras la química esta la física. Las ideas de la física se extienden a estas ciencias más complicadas, por eso la física es la más fundamental de las ciencias. En la actualidad tenemos: la astronomía, geología como ciencias en relación con la física asimismo podemos encontrar temas fundamentales como la
nanotecnología, la física molecular, la aplicación de frecuencias en la agronomía. La Agrofísica trata el estudio y la descripción de los ecosistemas agrícolas y los objetos biológicos que son afectados por la actividad humana utilizando métodos característicos de la física.
Agrofísica La física se puede aplicar en el estudio del manejo de agua asi como la aplicación de químicos y labores mecánicos sobre suelos
La Agrofísica se encarga de estudiar los procesos físicos y físico-quimicos vinculados a los intercambios de masa y energía en el sistema de:
Suelo Agua Planta Atmosfera
La Agrofísica está implicada en el estudio de los factores que influyen en la producción y procesado de cultivos agrícolas.
Principios físicos La Agrofísica se relaciona con algunas ciencias básicas como la biología; en su metodología y conocimientos (especialmente en el campo de la ecología del medio ambiente y la fisiología vegetal), y la física, de la que adquiere los métodos de investigación, especialmente los modelos físicos y de experimentación.
La Agrofísica no se limita a resolver sólo los problemas técnicos de la agronomía y no es sólo una aplicación práctica de la ciencia. Lo que la hace diferente a la ingeniería agrícola y le proporciona una base para clasificarla como una ciencia fundamental. Los modelos físicos, estrechamente relacionada con la biofísica, están dispuestos a resolver, ya sea global o localmente los aspectos del comportamiento de los ecosistemas complejos que deben estudiarse, como el consumo de energía, seguridad alimenticia, etc.
Principios históricos Las necesidades de la agricultura, en torno al estudio de complejos suelos y de sistemas atmosféricos constituyen la base de la Agrofísica que busca aplicar la física experimental en estas áreas. Originalmente la Agrofísica se limitaba al
estudio del medio ambiente característicos de los suelos, ampliándose con el tiempo a otras áreas, tales como el estudio de las propiedades que influyen en el cultivo de productos agrícolas tales como alimentos y materias primas post-cosecha, y en el control de calidad y seguridad en el envasado y etiquetado, considerando distintas áreas que intervienen en la ciencia de la alimentación y nutrición. Uno de los centros de desarrollo e investigación enfocado al desarrollo de esta ciencia es el Instituto de Agrofísica de la Academia Polaca de Ciencias en Lublin, que cita: "La Agrofísica utiliza los logros de las ciencias exactas para resolver los
principales problemas de la agricultura, implicándose en el estudio de los materiales y procesos que intervienen en la producción y procesado de cultivos agrícolas, poniendo especial énfasis en las condiciones medio ambientales, y en la calidad de los materiales involucrados en la producción de los alimentos".
Aplicaciones de la hidráulica la utilización de la hidráulica en la agricultura es importante para la distribución
y aplicación del agua correctamente en los terrenos de cultivo, utilizando conductos como tuberías, canales y otros dispositivos que permiten que los sistemas de riego mejoren la siembra. La moderna agricultura de riego implica el almacenamiento, conducción, distribución y aplicación del agua en los terrenos agrícolas, utilizando para ello diferentes estructuras, como presas para el almacenamiento, represas y compuertas para el control y medición, canales para la conducción y distribución, así como tuberías y otros dispositivos presurizados que permiten la distribución y aplicación del agua de riego. Para ello, debe conocer los principios generales que rigen el movimiento de agua en los conductos, las fuerzas que actúan sobre los fluidos y estructuras que los almacenan y conducen, así como, cuantificar los volúmenes de agua que circulan por los conductos. Radica en su relación y conocimiento básico para proyectos de irrigación y drenaje. La Hidráulica es necesaria para el diseño,
evaluación y operación de conductos tanto en tubería como canales. Sistemas de riego Se denomina Sistema de riego o perímetro de riego, al conjunto de
estructuras, que hace posible que una determinada área pueda ser cultivada con la aplicación del agua necesaria a las plantas. El sistema de riego consta de una serie de componentes, aunque no necesariamente el sistema de riego debe constar de todas ellas, ya que el conjunto de componentes dependerá de si se trata de riego superficial (principalmente en su variante de riego por inundación), por aspersión, o por goteo. Por ejemplo, un embalse no será necesario si el río o arroyo del cual se capta el agua tiene un caudal suficiente, incluso en el período de aguas bajas o verano.
Componentes hidráulicos Aspersores; Bocatoma; Canales de riego con todos sus componentes; Canales de drenaje; Dispositivos móviles de riego por aspersión; Embalse; Estación de bombeo; Pozos; Tuberías;
Perímetros de riegos en zonas desérticas
Proyecto Especial Chira Piura Proyecto Especial Chavimochic Proyecto Especial Majes Siguas
Técnicas novedosas Airdrop es un sistema de riego muy novedoso basado en la condensación del agua, canalizando el aire a través de una turbina hacia un depósito de agua que se encuentra en el subsuelo. En el trayecto, el aire se enfría y se condensa antes de llegar al depósito. Una vez esté el agua, se bombea al sistema de riego por goteo proporcionándole agua a la planta. Este proyecto fue presentado en 2011, el evento James Dyson Awart, logrando el primer premio; dicho proyecto se llama Airdrop Irrigation System. Se suelen incorporar tanto materiales naturales, como hechos por el hombre. Universalmente, se basa, además de las plantas, en las pérgolas, que son espacios entre jardines; pueden enlazar pabellones y hacer marquesinas en las puertas de los edificios, en terrazas o piscinas.
Aplicaciones de frecuencias Hoy en día vemos una gran variedad de nuevas áreas de conocimiento que se han reinventado a sí mismas buscando la interacción de distintas disciplinas como la mecatrónica, la nanotecnología entre otras. Es curioso que a pesar de esto se considera que la agricultura y la f ísica difícilmente pueden tener un punto de convergencia, más bien, siempre se le asocia con la química, pero nada es más alejado de la realidad. Existe un sinfín de elementos físicos en el
crecimiento de una planta, que curiosamente se ven como efectos de añadidura como la capilaridad, permeabilidad, viscosidad, temperatura o presión. La química utiliza una serie de elementos que aparte de ser nutrientes y pesticidas, también ayudan a que estos procesos físicos puedan ser más fácilmente realizados, como por ejemplo la permeabilidad a través de suavizantes. Aquí es donde se puede vincular a la física con la agricultura, generando nuevas áreas de oportunidad para el agricultor.
La aplicación de frecuencias en el agua, tiene la característica de generar una modificación sobre la alineación de la molécula misma, generando una ionización o en casos de algunas nuevas tecnologías, un alongamiento de la órbita, lo que genera una alineación más estable y por lo tanto conservando mayor tiempo las características obtenidas. ¿Bueno, y todo esto que tiene que ver con la agricultura? Sencillo, todas las plantas necesitan agua y la escasez de agua se ha convertido en un problema; al modificar el puente de hidrogeno, se puede hacer que el agua aumente su permeabilidad, desperdiciando menos del vital líquido, aunado a esto, esta que el agua es el transporte de los nutrientes, por lo que las plantas podrían mejorar su hidratación y su nutrición, traducido en mejores cosechas, con más producto, con más
cortes, más resistentes al estrés por altas o bajas temperaturas, mayor vida de anaquel, e incluso, al ser más fuerte, más resistente a enfermedades y pestes; es como con un niño, si está bien nutrido y bien hidratado, el niño crecerá de forma óptima y sufrirá de pocas o ninguna enfermedad. Estos sistemas también cuentan con otras ventajas aparte de las producidas directamente en la planta, que benefician los gastos de los agricultores, como la reducción en mantenimiento en cintillas y líneas de irrigación, en 2 o 3 ciclos se puede observar que la tierra empieza a reducir dureza y se vuelve esponjosa, lo que ayuda a reducir el gasto en arado, y definitivamente una de las más importantes, es la reducción en el gasto de agua.
Aplicaciones de nanotecnología La nanotecnología o “el arte de lo pequeño” utiliza y diseña materiales a escala atómica (normalmente entre 1 y 100 nm, o lo equivalente en metros: entre 0,000000001 y 0,0000001 metros) que en la actualidad tiene enorme repercusión en campos tan variados como la electrónica, la medicina, la farmacia, la ingeniería e incluso la agricultura. De hecho, se ha acuñado el término “nanobiotecnología”, que combina numerosas disciplinas científicas tan variadas como la biotecnología, la nanotecnología, el procesamiento químico, la ciencia de los materiales y la ingeniería de sistemas. Para el caso de la agricultura, la nanotecnología puede aplicarse (y ya se está haciendo) para el tratamiento de algunas enfermedades de las plantas, para la detección precoz de los patógenos que las producen, para la mejora de la asimilación de nutrientes esenciales por las plantas e incluso la construcción de nanobiosensores importantes en determinados procesos biológicos. Su uso puede incrementar la eficacia de los pesticidas e insecticidas comerciales reduciendo su cantidad de aplicación al suelo a unas dosis significativamente menores requeridas para los cultivos con la mejora medioambiental que eso implica. Como sabemos, la agricultura tiene una gran importancia ya que es la base del sustento de los más de 7000 millones de habitantes de nuestro planeta (el 50% viven en Asia). Los insectos, las plagas y las malas hierbas producen una gran cantidad de pérdidas anuales que algunos estudios estiman entre el 13 y el 14% de la producción total agrícola. Las estrategias tradicionales para reducir estas pérdidas se basan en estrategias como la rotación de los cultivos, el uso de variedades de plantas sanas y resistentes, cambios en los periodos de siembra y el manejo integrado de las plagas, que implica un control biológico de las mismas. Si bien son efectivas a escala pequeña, con la industrialización de la agricultura estas técnicas han sido desechadas con el tiempo por otras más efectivas y al mismo tiempo, más agresivas con el medio ambiente. Se han utilizado compuestos químicos sintéticos para controlar y reducir estas pérdidas. De hecho, la gran revolución vino con el descubrimiento durante la II Guerra Mundial del DDT, un compuesto químico que en pequeñas dosis se mostraba altamente efectivo contra los insectos. Desde entonces se extendió su uso (y abuso), sobre todo en la época de “la revolución verde” y esto desarrolló la
investigación y síntesis de una gran cantidad de compuestos químicos (algunos orgánicos como los órganofosforados y otros con metales pesados como mercurio, plomo, arsénico y cobre) con igual o incluso mayor potencial insecticida que el DDT. Uno de los problemas del empleo masivo de estas sustancias es que también eliminaron junto a los insectos y plagas, a sus enemigos naturales. Además, su abuso durante muchos años ha generado una presión selectiva que en la actualidad han generado muchas especies resistentes a los mismos. Algunos estudios hablan de 270 especies de malas hierbas resistentes a herbicidas, 150 patógenos de plantas resistentes a los fungicidas y entorno 500 especies de insectos resistentes a los pesticidas. Finalmente, a todo esto hay que sumarle que este tipo de sustancias producen graves problemas para la salud humana y para el medio ambiente… El control biológico es otra de las estrategias utilizadas para el control de plagas. Los enemigos naturales son la mejor baza para reducir y controlar a los insectos sin eliminarlos del todo. Se han ensayado muchos agentes biológicos siendo los más efectivos para el biocontrol las bacterias y los hongos. Un ejemplo de estos microorganismos son el Bacillus thurigensis que afecta al tracto digestivo de los insectos y de los hongos podemos citar a los del género Trichoderma. Los métodos comentados anteriormente presentan algunas limitaciones debido a sus efectos medioambientales (los primeros) y a la baja eficacia (los segundos). De ahí que en los últimos años unido a su gran desarrollo, la nanotecnología empiece a ser un campo muy prometedor en la agricultura que ya está generando muy buenos resultados. Ya existen estudios que confirman que las nanopartículas metálicas son efectivas contra los patógenos de plantas, insectos y plagas. De hecho, las nanopartículas se pueden usar como nuevas formulaciones de pesticidas, insecticidas y de repelentes de insectos mediante técnicas de nanoemulsión o nanoencapsulación. Se han ensayado nanopartículas de sílice, de polientilen glicol, de plata, de aluminio, de óxido de cinc y de dióxido de titanio con resultados prometedores. El futuro de la industria agrícola puede pasar por usar estos materiales como nanopesticidas, nanofungicidas y nanoherbicidas y algunas empresas ya los estás desarrollando. En definitiva, la aplicación de la nanotecnología a la agricultura es una alternativa más respetuosa con el medio ambiente para el caso concreto del control de insectos y plagas que los métodos químicos que tantos problemas medioambientales han generando. De hecho, cada vez salen más estudios que detectan este tipo de sustancias en lugares y organismos que nunca han estado expuestos como es el caso de los hielos de la Antártida. A pesar de todo esto, la nanotecnología también tiene sus detractores que apelan a nuestro espíritu crítico ya que argumentan que la nanotecnología no es una panacea como aparenta ser. Habrá que seguir investigando para poder responder a todas estas cuestiones… http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2012/11/22/la-nanotecnologiaaplicada-a-la-agricultura/
Transferencia de calor Diseño de invernaderos Conducción Convección Radiación
Invernadero Un invernadero (o invernáculo) es un lugar cerrado, estático y accesible a pie, que se destina a la horticultura, dotado habitualmente de una cubierta exterior translúcida de vidrio o plástico, que permite el control de la temperatura, la humedad y otros factores ambientales para favorecer el desarrollo de las plantas. En la jardinería antigua española el invernadero se llamaba estufa fría.
Carcteristica El invernadero aprovecha el efecto producido por la radiación solar que, al atravesar un vidrio o un plástico traslúcido, calienta el ambiente y los objetos que hay dentro; estos, a su vez, emiten radiación infrarroja, con una longitud de onda mayor que la solar, por lo cual no pueden atravesar los vidrios a su regreso quedando atrapados y produciendo el calentamiento. Las emisiones del sol hacia la tierra son de onda corta mientras que de l a tierra al exterior son de onda larga. La radiación visible puede traspasar el vidrio mientras que una parte de la infrarroja no lo puede hacer. El cristal o plástico usados para un invernadero trabaja como medio selectivo de la transmisión para diversas frecuencias espectrales, y su efecto es atrapar energía dentro del invernadero, que calienta el ambiente interior. También sirve para evitar la pérdida de calor por convección. Esto puede ser demostrado abriendo una ventana pequeña cerca de la azotea de un invernadero: la temperatura cae considerablemente. Este principio es la base del sistema de enfriamiento automático autoventilación. En ausencia de un recubrimiento, el calor absorbido se eliminaría por corrientes convectivas y por la emisión de radiación infrarroja (longitud de onda inferior a la visible). La presencia de los cristales o plásticos impide el transporte del calor acumulado hacia el exterior por convección y obstruye la salida de una parte d e la radiación infrarroja. El efecto neto es la acumulación de calor y el aumento de la temperatura del recinto. Ver invernadero solar (técnica) para una discusión más detallada sobre trabajos técnica de invernadero solar. Los vidrios tienen muy poca resistencia al paso del calor por transmisión (de hecho, para el acristalamiento sencillo, el coeficiente de transmisión térmica se considera nulo y solo se tiene en cuenta la suma de las resistencias superficiales), de modo que, contra lo que algunos creen, al tener dos temperaturas distintas a cada lado, hay notables pérdidas por transmisión (el vidrio tiene una transmitancia U = 6,4 W/m²·K, aun mayor si está en posición inclinada respecto a la vertical). El resultado es que, a mayor temperatura, menor
será el efecto de retención del calor, es decir que al aumentar la temperatura aumentarán las pérdidas disminuyendo el rendimiento del sistema. Un ejemplo de este efecto es el aumento de temperatura que toma el interior de los coches cuando están al sol. Basta una chapa metálica (los sombrajos habituales de los estacionamientos, sin ningún tipo de aislamiento térmico) que dé sombra, impidiendo el paso del sol por el vidrio, para que no se caliente tanto. Desde la antigüedad se ha aprovechado este efecto en la construcción, no sólo en jardinería. Las ventanas de las casas en países fríos son más grandes que las de los cálidos, y están situadas en los haces exteriores, para que el espesor del muro no produzca sombra. Los miradores acristalados son otro medio de ayudar al calentamiento de los locales. Actualmente se desarrolla esta práctica para el cultivo de hortalizas tanto de hojas verdes, como ser acelga; apio; espinaca; lechuga; perejil como brasicáceas como brócoli; coliflor; nabo y rábano. De esta manera, al pro tegerlos de ciertas variaciones del clima permite una mejor cosecha. En estos casos se incluyen sistemas de control automático de humedad y temperatura, para proporcionar sistemas automáticos de riegos y ventilación.
Parte experimental Irradiación de alimentos
La irradiación de alimentos es un método físico de conservación, comparable a otros que utilizan el calor o el frío. Consiste en exponer el producto a la acción de las radiaciones ionizantes durante un cierto lapso, que es proporcional a la cantidad de energía que deseemos que el alimento absorba. Esta cantidad de energía por unidad de masa de producto se define como dosis, y su unidad es el Gray (Gy), que es la absorción de un Joule de energía por kilo de masa irradiada. Aplicaciones
De acuerdo con la cantidad de energía entregada, se pueden lograr distintos efectos. En un rango creciente de dosis, es posible:
Inhibir la brotación de bulbos, tubérculos y raíces( papas sin brote durante 9 meses a temperatura ambiente).
Esterilizar insectos como la “mosca del Mediterráneo” (Ceratitis capitata) para evitar su propagación a áreas libres, cumpliendo así con los fines cuarentenarios, en productos frutihortícolas y granos. Esterilizar parásitos, como Trichinella spiralis en carne de cerdo,interrumpiendo su ciclo vital en el hombre e impidiendo la enfermedad (triquinosis). Retardar la maduración de frutas tropicales como banana, papaya y mango(en general tanto en este caso como en los siguientes, la vida
útil se duplica o triplica), y demorar la senescencia de champiñones y
espárragos. Prolongar el tiempo de comercialización de , por ejemplo, carnes frescas y “frutas finas”, por reducción de la contaminación microbiana total, banal, en un proceso similar al de la pasteurización por calor, lo cual se denomina “radurizacion” (frutillas de 21 días, filete de merluza de 30 días, ambos conservados en refrigeración). Eliminar microorganismos patógenos no esporulados (excepto virus), causantes de enfermedades al hombre, tales como Salmonella en pollo y huevos, en un proceso que se conoce como “radicidación” Esterilizar alimentos, es decir, aplicar un tratamiento capaz de conservarlos sin desarrollo microbiano, a temperatura ambiente durante años, lo cual se asemeja a la esterilización comercial, y se indica como “radapertización”.
Para que un alimento resulte exitosamente conservado por irradiación, es necesario seleccionar ciertos parámetros: dosis de radiación, temperaturas de irradiación y conservación, tipo de envase, presencia o no de oxígeno en él. Así se logran evitar daños nutricionales y organolépticos. Además, es posible combinar el tratamiento de irradiación con otros, por ejemplo un leve calentamiento previo, con lo cual se consigue un efecto sinérgico entre ambos, y es posible disminuír las dosis de radiación a aplicar Las enfermedades transmitidas por los alimentos (ETA) representan una amenaza general para la salud humana y son fuente de pérdidas económicas por los gastos de salud y la falta de capacidad laboral. En Estados Unidos las ETA causadas por Campylobacter y Salmonella, entre otras bacterias patógenas, y por Trichinae y otros parásitos, ocasionan anualmente unas 5000 muertes, 320.000 hospitalizados, y 76 millones de casos de enfermedades, siendo los gastos asociados de entre 5 y 86 mil millones de dólares anuales. Otros microorganismos patógenos controlables por este método son: Vibrio cholerae, Listeria, Escherichia coli (En 1993 la cepa 0157:H7 causó 700 enfermos y 4 muertes en USA por ingestión de hamburguesas). La irradiación puede también ser alternativa al uso de sustancias químicas de toxicidad sospechada, tales como fumigantes, algunos conservadores( nitrito de sodio en carnes), e inhibidores de brotación (hidrazida maleica). Tanto el bromuro de metilo como la fosfina se emplean para fumigar productos frutihortícolas y granos destruyendo insectos con fines cuarentenarios; el empleo de ambos está en vías de ser prohibido debido a los crecientes indicios
sobre su toxicidad al hombre, tanto el consumidor como el operador. Además, el bromuro de metilo es un depresor de la capa de ozono, y según el protocolo de Montreal (Nov. 1995), está sujeto a restricciones crecientes hasta su prohibición para uso en suelos, estimada en el 2010. La irradiación tiene además otras ventajas sobre el uso de los fumigantes: mayor penetración; tratamiento más rápido; no requiere aireación posterior, no deja residuos. Los métodos de tratamiento de alimentos tales como el calentamiento, la congelación, el agregado de productos químicos, y la irradiación no están destinados a sustituír las buenas prácticas de manufactura e higiene. Ni la irradiación ni ningún otro método pueden invertir el proceso de descomposición y hacer que un alimento dañado sea comestible. (http://caebis.cnea.gov.ar/aplicaciones/alim/Irra1.html)
