La ciencia en la ingeniería estructural

Cuando hablamos de ciencia pocas veces lo relacionamos con la ingeniería, y menos aún cuando estamos en el mundo de la construcción y de la ingeniería civil. Mi punto de vista es contrario a esta visión habitual, si nos centramos en la construcción de estructuras y la ciencia que hay detrás, es decir la resistencia de materiales, vemos que es una rama científica que no tiene nada que envidiar a otras disciplinas de la ciencia y la técnica.

Es fascinante ver como desde el nacimento hasta la posterior evolución y maduración de la resistencia de materiales ha seguido los mismos pasos que el resto de ramas clásicas de la ciencia. Y más aún si seguimos los nombres propios de los quien han contribuido.

Muchos consideran a Galileo (s. XVII) como el primer gran científico, sus aportaciones en la astronomía, la física y la mecánica son conocidas, pero menos conocidos son sus estudios en el campo de la resistencia de materiales. En su libro ‘Dos nuevas ciencias’ se recoge su trabajo en el campo de la mecánica, Galileo observó que la resistencia de un elemento sometido a tracción es proporcional a su sección e independiente de su longitud. También explicó el mecanismo resistente de una viga en voladizo sometida a flexión. Ahora sabemos que su teoría era errónea pero esta primera publicación sirvió de punto de partida y su testigo pasó a tantos otros.

IIlustración de Galileo de un ensayo a flexión (fuente)

Posteriormente Robert Hooke, coetáneo y rival de Newton, evaluó que el alargamiento de cables y resortes es proporcional al peso que aguantan. La ley de Hooke, que lleva su propio nombre, es la base cuando hablamos de sólidos elásticos.

La resistencia de materiales evolucionó como el resto de ramas de la ciencia, avanzó a medida que el pensamiento científico y las herramientas teoricas y técnicas evolucionaban. Actualmente todo el mundo tiene acceso al conocimiento pero a finales del siglo XVII el cálculo (sí la asignatura de derivadas e integrales) era la herramienta más potente de la época, y solo cuatro hombres estaban familiarizados con esta rama de las matemáticas. Estos eran Leibnitz, Newton y los dos hermanos Jacob y Johann Bernoulli. Estos dos últimos son conocidos en el mundo de las matemáticas pero también trabajaron en el campo de las estructuras estudiando la deformación de vigas. El hijo de Johann, Daniel Bernoulli siguió los pasos de su padre, su publicación más importante fue ‘Hidrodinámica’ donde postuló el principio de Bernoulli pero de sus conversaciones con Euler surgieron grandes contribuciones a la resistencia de materiales.

Jacob, Johann y Daniel Bernoulli y Leonhard Euler (de izquierda a derecha)

Leonhard Euler (s. XVIII) uno de los matemáticos y físicos más conocidos y prolíficos compartió piso con Daniel Bernoulli que lo animó a resolver de forma analítica la ecuación diferencial de la viga. También obtuvo la carga crítica de pando para pilares comprimidos, que es la base para el cálculo de inestabilidad de una estructura.

Durante el siglo XVIII todo estaba por hacer en el mundo de la ciencia y prácticamente aún no había división entre disciplinas. Un mismo pensador tocaba diferentes ramas de la física y de las matemáticas, es habitual encontrar que grandes científicos en ciertas disciplinas también trabajaron en la resistencia de materiales.

Coulomb (1736 – 1806) contribuyó como nadie a la mecánica de sólidos elásticos durante el siglo XVIII pero sus aportaciones más conocidas fueron en los campos de la electricidad y magnetismo. Thomas Young (1773 – 1829) es conocido por su experimento de interferencia de la luz (1801), desde mi punto de vista uno de los experimentos más influyentes de la historia de la ciencia, años más tarde introducía el módulo de elasticidad (o módulo de Young) como propiedad intrínseca del material e independiente de la sección. Lord Kelvin (1824 – 1907) y James Clerk Maxwell (1831 – 1879) grandes personalidades en los campos de la termodinámica y del electromagnetismo respectivamente también trabajaron en la elasticidad y la resistencia de materiales.

Coulomb, Young, Kelvin y Maxwell (de izquierda a derecha)

Estos son algunos de los nombre propios de la resistencia de materiales pero hay muchos más i sino los he citado no es porqué sea secundarios, podría haber hablado también de Navier, Cauchy, Poisson, Stokes, Lamé, Saint-Venant, Mohr o de Stephen Timoshenko, considerado el padre de la resistencia de materiales moderna y autor del libro ‘History of strength materials’. Libro del cual he sacado la mayor parte de la información del artículo y que recomiendo al quien quera ampliar la información de como se ha conformado la ciencia de las estructuras.

History of strength materials. Autor: Stephen P. Timoshenko

¿Qué es un kilogramo?

Prototipo internacional del kilogramo guardado a la BIPM)

El Sistema Internacional de Unidades (SI) garantiza que en cualquier parte del mundo se pueda hablar de distancias, pesos o velocidades sabiendo con total seguridad que un kilogramo (kg) en Botsuana mide lo mismo que un kilogramo en España. Para poderlo hacer cada pais tiene una oficina, instituto o organización que se dedica a definir y compara las unidades del SI para estar siempre de acuerdo con el estándar. Por razones históricas la Oficina Internacional de Pesos y Medidas ((Bureau international des poids et mesures)) se ha dedicado a definir las unidades básicas del SI.

Inicialmente se utilizaban Prototipos, por ejemplo, un kilogramo (kg) es la unidad de masa igual a la masa prototipo internacional del kilogramo custodiado en la BIPM. Esto significaría que si un fabricante de básculas de mucha precisión necesitaría ir a la BIPM, en Francia, para calibrar sus básculas. Poco práctico, verdad?, en realidad existen Patrones Nacionales repartidos por diferentes países, en España está el Centro Español de Metrologia (CEM), que tienen cópias con ‘suficiente’ precisión. Igualmente, es un rollo, cada ciertos años los patrones se tienen que calibrar con el original, que se guarda totalmente aislado para que no se altere, los otros patrones cuando se van manipulando va perdiendo o ganando massa y dejan de pesar 1,00000… kg.

Actualmente, los científicos están buscando otra forma de definir qué es un kilo que deje obsoleto el Patrón, la intención es encontrar una definición de kilogramo genérica y que se pueda reproducir por cualquier equipo con la instrumentación adecuada. Esto ya se hizo con otras unidades, un metro (m) originalmente se definia con una barra que también hacia de referencia base, actualmente un metro es la distancia que recorre la luz en vacío durante un intervalo de 1/299.792.458 de segundos. Esta definición nos lleva a preguntar qué és un segundo. Según el SI un segundo es la duración de 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo 133 del átomo de cesio, a una temperatura de 0 K.

¿Para que sirve esta definición tan infernal? Con estas definiciones, dos equipos con los instrumentos adecuados pueden medir una distancia de forma independiente con los mismos resultados, lo cual es básico para que el mundo funcione tal como hoy lo entendemos.

Desgraciadamente, los pobres científicos que se dedican a la Metrologia no han encontrado una forma satisfactoria, durable e inequívoca de redefinir el actual kilogramo para dejar de lado el antiguo Patron. Así que las medidas masa seguirán dependiendo de un pequeño cilindro de platino e iridio guardado en una caja fuerte en la afueras de Paris.

Fuentes:
La Cuchara Menguante de Sam Kean. Editorial Ariel
Centro Español de Metrología
Bureau international des poids et mesures
Brief history of the SI

El personaje de Nikola Tesla

Nikola Tesla fue un personaje controvertido dentro del mundo científico i para muchos un genio como ha habido pocos, a pesar que la historia no le ha dado el valor que merecía. Recientemente, volví a ver la película The Prestige (Cristopher Nolan, 2006) donde Nikola Tesla tiene un papel secundario pero destacado, [*** ATENCIÓ SPOILER ALERT ***] en la película éste crea una máquina capaz de duplicar (¡duplicar!) objetos y hasta personas [*** FINAL SPOILER ALERT ***]. La película está más cerca de la ciencia-ficción y no se basa en ninguna investigación real que llevara a cabo el inventor, pero sí que es indicativo del aura casi mística que rodea al personaje.

Empezamos por el principio, descripción del sujeto: Nacido el año 1856 y de origen croata, casi 2 metros de altura, cabello negro y repeinado hacia atrás, aspecto noble y arreglado, y vestía con levita negra y sombrero de hongo. Tenía manías dignas de estudio aparte: obsesión por los números divisibles entre 3, acostumbraba a calcular mentalmente el volumen de los platos que comía, no soportaba las perlas y detestaba la gente obesa. De joven, para pagarse los primeros inventos empezó a jugar al billar y casi se vuelve ludópata con el juego.

Nikola Tesla a los 34 años (font)

Tenía memoria fotográfica y una mente prodigiosa, se hace difícil saber hasta que punto, pero él mismo describía su método científico particular, afirmaba construir sus propios diseños y hacer los ajustes necesarios todo mentalmente, solo cuando funcionaba en su cabeza lo construía y lo hacía funcionar tal y como había pensado. Pero sus habilidades no acababan aquí, aseguraba que podía oír truenos a 800 km y ‘sentir’ la presencia de objetos que lo rodeaban, hasta tuvo una visión que predijo la muerte de su madre.

Con 26 años, mientras recitaba Goethe ideo el motor de inducción y el campo magnético rotatorio, que supusieron la revolución del sistema de corriente alterna (AC), hasta entonces se funcionaba con corriente continua (DC) y se necesitaban generadores cada 3 km. Con éste curriculum viajó a los EEUU para buscar trabajo con Thomas Edison, que en esa época ya era considerado una celebridad. Tesla acaba trabajando para él con la condición de recibir un pago de 50000$ para mejorar el sistema de corriente continua de Edison. ¡Y ojo, porqué después de trabajar durante un año hasta tener éxito, Edison le niega la paga bonus y alude que era una broma americana! Tesla que tenía poco sentido del humor se fue de la empresa para buscarse la vida por su cuenta.

Laboratorio de Tesla en Colorado Springs (font)

Pero la cagada monumental de Edison fue no ver el potencial del sistema de corriente alterna, Tesla con su propia empresa encuentra inversores que la instalan y aquí empieza Guerra de Corrientes entre Tesla (AC) y Edison (DC). Como se puede ver en todos los enchufes de la casa, Tesla acabó ganando, pero la lucha fue dura y sucia. Edison puso en marcha una campaña de difamación de la corriente alterna, se dedicaba a electrocutar animales mediante la AC, los siempre pragmáticos americanos vieron la utilidad como nuevo método para ejecutar presos, y así de esta Guerra de Corrientes también surgió por casualidad la silla eléctrica.

El éxitos de la corriente alterna fue total y Tesla de tenía que haber convertido en un hombre riquísimo, ya que cobraba de las múltiples patentes a su nombre. Pero el propi éxito ahogaba financieramente la implantación de la AC. Finalmente, malvendió sus derechos a la empresa Westinghouse para que pudiera extender su sistema, renunció a millones que ya se le debían más todos los futuros ingresos que le pudieran generar.

Pero Tesla era un inventor total, ya había revolucionado el mundo pero él seguía investigando en aquello que creía. Un día haciendo pruebas con un oscilador que había fabricado hizo temblar un edificio de 10 plantas en Wall Street, causando el pánico entre la gente y la policía que pensaban que había un terremoto. Él mismo afirmó que podría hacer caer el puente de Brooklyn si se lo proponía.

Una de sus obsesiones fue la transmisión de energía sin hilos, a finales del siglo XIX ya estaba seguro que se podría establecer comunicación con Marte. Ideó un sistema de transmisión de energía mundial en la Wardenclyffe Tower. Una torre de 30 m de altura, octogonal y coronada por una esfera metálica qua tenía que propagar energía por la ionosfera sin la necesidad de hilos. EL proyecto nunca se terminó, sufrió muchos problemas de financiación y falta de confianza de los inversores. Al final no pudo afrontar las deudas y se paralizo el proyecto.

Wardenclyffe Tower (font)

Tesla acabó marginado de la comunidad científica, claro que su carácter tampoco le ayudo, al final de su vida estaba arruinado. Una de las últimas obsesiones tenía que ver con las aves, despojado de su laboratorio se dedicaba a dar alpiste a las palomas, recogía las que estaban heridas y las cuidaba. Hablado de una tórtola especial que había encontrado, decía que la quería igual que un hombre ama a una mujer, y ella le correspondía. Cuando murió el animal también murió su afán científico.

Solo me queda pedir perdón por el tono de la entrada, puede que demasiado informal i hasta cómico. Nikola Tesla fue un científico-inventor-ingeniero que marcó una época, pionero en muchos campos inexistentes en su época. Se pueda afirmar sin ninguna duda que sin sus aportaciones en la corriente alterna o en la radiotelecomunicación aún iríamos en máquinas de vapor.

La fuente principal de esta entrada ha sido el libro Nikola Tesla. El genio al que le robaron la luz, de Margaret Cheney, ed. Turner Noema.

The Magic Roundabout o la Rotonda de la Mort