breve historia de la ingeniería mecánica

Ingenierías, Abril-Junio 2003, Vol. VI, No. 19. 47

Breve historia de laIngeniería MecánicaParte IOscar Mauricio Barajas PinzónCalle 155 No 28A-10 Interior 1 Apto 404. Bogotá D.C. - Colombia.E-mail: [email protected]://www.oscarbarajas.com/

INTRODUCCIÓNAntes de mediados del siglo XVIII los trabajos de construcción a gran escala

se ponían en manos de los ingenieros militares. La ingeniería militar englobabatareas tales como la preparación de mapas topográficos, la ubicación, diseño yconstrucción de carreteras y puentes, y la construcción de fuertes y muelles. Sinembargo, en el siglo XVIII se empezó a utilizar el término ingeniería civil o decaminos para designar a los trabajos de ingeniería efectuados con propósitos nomilitares. Debido al aumento de la utilización de maquinaria en el siglo XIX comoconsecuencia de la Revolución Industrial, la ingeniería mecánica se consolidócomo rama independiente de la ingeniería; posteriormente ocurrió lo mismo conla ingeniería de minas.

Los avances técnicos del siglo XIX ampliaron en gran medida el campo de laingeniería e introdujeron un gran número de especializaciones. Las incesantesdemandas del entorno socioeconómico del siglo XX han incrementado aún mássu campo de acción; y se ha producido una gran diferenciación de disciplinas, condistinción de múltiples ramas en ámbitos tales como la aeronáutica, la química, laconstrucción naval, de caminos, canales y puertos, las telecomunicaciones, laelectrónica, la ingeniería industrial, naval, militar, de minas y geología e informática.Además, en los últimos tiempos se han incorporado campos del conocimiento queantes eran ajenos a la ingeniería como la investigación genética y nuclear.

El ingeniero que desarrolla su actividad en una de las ramas o especializaciónde la ingeniería ha de tener conocimientos básicos de otras áreas afines, ya quemuchos problemas que se presentan en ingeniería son complejos y estáninterrelacionados. Por ejemplo, un ingeniero químico que tiene que diseñar unaplanta para el refinamiento electrolítico de minerales metálicos debe enfrentarseal diseño de estructuras, maquinaria, dispositivos eléctricos, además de losproblemas estrictamente químicos

La Ingeniería Mecánica propiamente dicha reúne todos los conocimientoscientíficos y técnicos para la dirección de la producción, la conservación y lareparación de maquinaria e instalaciones, equipos y sistemas de producciónindustrial, así como el estudio tecnológico especializado de diferentes materiales,productos o procesos; la proyección de máquinas herramientas para la industriamanufacturera, minera y construcción y otras con fines no industriales como laagricultura. Estudia la proyección de máquinas de vapor, motores de combustióninterna y otras máquinas y motores no eléctricos, utilizados para propulsarlocomotoras de ferrocarriles, vehículos de transporte por carretera o aeronaves o

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para hacer funcionar instalaciones industriales, lossistemas de propulsión para buques, centralesgeneradoras de energía, sistemas de calefacción yventilación, bombas, cascos y superestructuras debuques, fuselajes y trenes de aterrizaje y otrosequipos para aeronaves, carrocerías, sistemas desuspensión y frenos para vehículos automotores.Estudia el diseño y montaje de sistemas y equipos decalefacción, ventilación y refrigeración; instalacionesy equipos mecánicos para la producción, control yutilización de energía nuclear. Implementa y estudiael diseño de partes o elementos (salvo los eléctricoso electrónicos) de aparatos o productos comoprocesadores de texto, ordenadores, instrumentos deprecisión, cámaras y proyectores; especifica y verificamétodos de producción o instalación y elfuncionamiento de maquinaria agrícola y de otrasmáquinas, mecanismos, herramientas, motores,instalaciones o equipos industriales; el establecimientode normas y procedimientos de control paragarantizar la seguridad y el funcionamiento eficaz.

LA EDAD DE PIEDRA

El hombre paleolítico, compañero del mamut y elreno, vivió siempre asediado por el hielo, que consólo algunas intermitencias dejó de cubrir el norte ycentro de Europa y Asia. Fue pues de diez mileniosel periodo durante el cual el hombre facilitó lasatisfacción de sus necesidades con el sílex,desconchándolo y retocando sus bordes hastaafilarlo. Emociona pensar que por tanto tiempo empleóla piedra de sílex como su herramienta principal. Secambió la forma de los sílex, se vio el predominio o lamoda de ciertas tallas, hubo épocas en que los sílex

fueron grandes como cuchillos y martillos, otras enque se prefirieron hojas como navajas transparentes,pero siempre el sílex, el sílex duro, impenetrableaunque frágil, tuvo que atender a todos los servicios.

Desde mediados del siglo pasado empleamostantos nuevos materiales para la industria, tantosartefactos movidos por vapor y electricidad, queacongoja pensar que nuestros antepasados tuvieronque valerse de la piedra pedernal, por miles y milesde años. Con la época siguiente de la piedrapulimentada, ya pudo el hombre escoger basaltos yotras rocas volcánicas para hacer hachas de piedrapulimentada, pero en la época paleolítica sólo el sílexamarillento, de color cerúleo, lechoso, fue utilizadocomo empleamos ahora los metales y el vidrio.

PRIMEROS ARTILUGIOS MECÁNICOSEgipto, Grecia.

El antiguo Dios de Egipto, Tot, era recordado yvenerado como inventor de las matemáticas, laastronomía y la ingeniería. A través de su voluntad ypoder, mantenía las fuerzas del Cielo y la Tierra enequilibrio. Sus grandes dotes para las matemáticascelestiales le permitieron aplicar correctamente lasleyes sobre las cuales descansaban los fundamentosy el mantenimiento del universo. Así mismo, se diceque TOT enseñó a los primeros egipcios los principiosde la geometría y la agrimensura, la medicina y labotánica. Según afirma la leyenda, fue el inventor delos números, de las letras del alfabeto y de las artesde leer y escribir. Era el gran Señor de la Magia,capaz de mover objetos con el poder de la voz, elautor de todas las obras sobre cada rama de la ciencia,tanto humana como divina.

Arquímedes (287-212 AC), notable matemáticoe inventor griego, que escribió importantes obras sobregeometría plana y del espacio, aritmética y mecánica.Nació en Siracusa, Sicilia, y se educó en Alejandría,Egipto. En el campo de las matemáticas puras, seanticipó a muchos de los descubrimientos de la cienciamoderna, como el cálculo integral, con sus estudiosde áreas y volúmenes de figuras sólidas curvadas yde áreas de figuras planas. Demostró también que elvolumen de una esfera es dos tercios del volumendel cilindro que la circunscribe.

En mecánica, Arquímedes definió la ley de lapalanca y se le reconoce como el inventor de la polea

Breve historia de la ingeniería mecánica. Parte I / Oscar Mauricio Barajas Pinzón

De piedra a herramienta: el sílex fue de gran ayuda alhombre primitivo.


compuesta. Durante su estancia en Egipto inventó el“tornillo sinfin” para elevar el agua de nivel.Arquímedes es conocido sobre todo por eldescubrimiento de la ley de la hidrostática, el llamadoprincipio de Arquímedes, que establece que todocuerpo sumergido en un fluido experimenta unapérdida de peso igual al peso del volumen del fluidoque desaloja. Se dice que este descubrimiento lo hizomientras se bañaba, al comprobar cómo el agua sedesplazaba y se desbordaba.

Arquímedes pasó la mayor parte de su vida enSicilia, en Siracusa y sus alrededores, dedicado a lainvestigación y los experimentos. Aunque no tuvoningún cargo público, durante la conquista de Siciliapor los romanos se puso a disposición de lasautoridades de la ciudad y muchos de susinstrumentos mecánicos se utilizaron en la defensade Siracusa. Entre la maquinaria de guerra cuyainvención se le atribuye está la catapulta y un sistemade espejos —quizá legendario— que incendiaba lasembarcaciones enemigas al enfocarlas con los rayosdel sol.

Al ser conquistada Siracusa, durante la segundaGuerra Púnica, fue asesinado por un soldado romanoque le encontró dibujando un diagrama matemáticoen la arena. Se cuenta que Arquímedes estaba tanabsorto en las operaciones que ofendió al intruso aldecirle: “No desordenes mis diagramas”. Todavía

subsisten muchas de sus obras sobre matemáticas ymecánica, como el Tratado de los cuerpos flotantes,El arenario y Sobre la esfera y el cilindro. Todasellas muestran el rigor y la imaginación de supensamiento matemático.

Herón de Alejandría (c. 20-62 D.C.), matemáticoy científico griego. Su nombre también podría serHero (aproximadamente 18 escritores griegos sellamaron Hero o Herón, creándose cierta dificultada la hora de su identificación). Herón de Alejandríanació probablemente en Egipto y realizó su trabajoen Alejandría (Egipto).

Escribió al menos 13 obras sobre mecánica,matemáticas y física. Inventó varios instrumentosmecánicos, gran parte de ellos para uso práctico: laaelípila, una máquina a vapor giratoria; la fuente deHerón, un aparato neumático que produce un chorrovertical de agua por la presión del aire y la dioptra,un primitivo instrumento geodésico.

Sin embargo, es conocido sobre todo comomatemático tanto en el campo de la geometría comoen el de la geodesia (una rama de las matemáticasque se encarga de la determinación del tamaño yconfiguración de la Tierra, y de la ubicación de áreasconcretas de la misma). Herón trató los problemasde las mediciones terrestres con mucho más éxitoque cualquier otro de su generación. También inventóun método de aproximación a las raíces cuadradas ycúbicas de números que no las tienen exactas. AHerón se le ha atribuido en algunas ocasiones el haberdesarrollado la fórmula para hallar el área de untriángulo en función de sus lados, pero esta fórmula,probablemente, había sido desarrollada antes de suépoca.


Tornillo de Arquímides. Primitiva bomba hidráulica, queen la actualidad ha encontrado aplicaciones en plantasindustriales.

Herón de Alejandría y su Aelípila, primitiva turbina devapor.


LA INGENIERIA MECÁNICA EN LA EDADMEDIAEl renacimiento: Leonardo Da Vinci.

El humanismo del sigo XIV trajo consigo un deseode renacimiento de la mentalidad clásica comoreconocimiento a los grandes logros de los griegos yromanos en tiempos de antaño. Sin embargo, elespíritu humano hace a veces sus mayores progresospor los más extraviados caminos. Para conocer aaquellos griegos y romanos, admirables capitanes,estadistas y poetas, hacía falta desenterrar mármolesy descifrar manuscritos, aprender lenguas muertas yotras lenguas (en Florencia se estudiaba el griegocomo el verdadero camino de la salvación, como elprincipio de una nueva y esplendorosa Era, como laúnica manera de conseguir una vida civilizada),estudiar, investigar y comparar. Y he aquí elverdadero renacimiento: no de lo que renació (queno renació nada), sino de las facultades puestas enjuego para hacer renacer, que se avivaron con aquelesfuerzo de la mente.

Leonardo Da Vinci nació en 1452 en Vinci (EntreFlorencia y Pisa). Arquitecto, pintor, escultor,Ingeniero y sabio italiano. Heredero de todas lasaspiraciones artísticas del quattrocento florentino,aporta conclusiones geniales a la investigación de susiglo. A partir del siglo XVI, fue considerado comouna especie de “mago”. A pesar de que muchas desus obras se han perdido o no están acabadas, lasignificación de su obra es inmensa. Muere cerca deAmboise en el castillo de Cloux (propiedad de lamadre de Francisco I) en 1519. Artista y hombre deciencia, hijo natural de un notario, desde niño sintióambición de querer abarcar toda disciplina humana;su padre presentó dibujos de Leonardo a Verrocchio,quien pasmado de las aptitudes que aquellosrevelaban, aceptó en su taller al joven artista, que sintregua llenaba cuadernos con croquis directos delnatural y caricaturescos esbozos imaginativos defiguras y caras. Buscaba lo bello y lo feo, pretendiendoen todos los casos que perdurara la expresión fugitivade los afectos anímicos y de las ideas. Colaboró enla pintura “ Bautismo de Cristo “ de Verrocchio yuna de sus obras de la mocedad parece haber sidomodelo de una tapicería, destinada al Rey de Portugal:“ Adán y Eva cogiendo la manzana”. Por los mismostiempos hizo la “La Anunciación y La adoración delos Magos” de los Uffizi y el “San Jerónimo” del

Vaticano. Poco favorecido por los Médicis, dejaFlorencia en 1482; invitado por Ludovico Esforza,llamado el Moro, se traslada a Milán como tañedorde lira, con rara lira en forma de cabeza de caballo,construida en plata y basándose en principiosacústicos ignorados hasta entonces. En el certamenen que como tal se presenta, da respuestas muyagudas a diversas preguntas, causando la admiraciónde la Corte. Al poco tiempo es en Milán el ordenadorde las fiestas de Ludovico y de aquellas que losmagnates de la ciudad organizan en honor alSoberano; es también el ingeniero de los servicioshidráulicos, evidenciando con ello las aptitudes queexpusiera en el memorial que al llegar a Milánpresentó a su protector. Decía saber dirigir laconstrucción de puentes ligerísimos, fácil de poner yquitar, así como tener fácil manera de incendiar, entiempo de guerra, los puentes del enemigo. Y añadía:“En tiempo de paz creo satisfacer perfectamente,tanto como el mejor, en arquitectura y composiciónde edificios públicos y privados, y en conducción deaguas de un lugar a otro; también puedo dedicarmea la escultura en mármol, en bronce o en barro, y a lapintura”. Para todo fue aprovechado en los diecisieteaños que estuvo en Milán, con lo cual, si de una parte


Imagen clásica de los apuntes de Leonardo da Vinci.


permitiéronle dar a conocer sus omnímodascualidades, de otra le dificultaron concentrarse entrascendentales pinturas. Con todo, la etapa milanesaes un periodo de apogeo del arte de Leonardo, y ni ladirección de grandes trabajos hidráulicos, o losproyectos que hizo para el palacio de los Sforza y eltambor de la cúpula de la catedral, o los croquis deinnumerables dispositivos militares, no le impidieronrealizar dos de sus grandes creaciones pictóricas:“La Virgen de las Rocas, entregado hacia 1490, y elfresco del Cenáculo, terminado en 1497, en SantaMaría de las Gracias”. Al propio tiempo que en estaúltima obra, Leonardo trabaja en una gran esculturaque en el memorial presentado a Ludovico el Morose había ofrecido a realizar: la estatua ecuestre delfundador de la dinastía, Francisco Sforza. Con la caídade Ludovico empieza lo que se ha llamado la épocaerrante de Leonardo, que comprende de 1500 a 1516.Así en marzo de 1500 está en Venecia, de dondepasa a Mantua para hacer el retrato de Isabel deEste; en Florencia al año siguiente, compone el cartónde Santa Ana para los servitas, esbozo para el cuadroque posee el Louvre; en 1502, entrado al servicio deCésar Borgia como ingeniero militar, inspecciona lasfortalezas de Rimini, Pésaro, Cesena, Piombino ySiena; en 1503, con la caída del Borgia, vuelve a

Florencia, donde retrata bellas damas: Ginebra deVencí y Monna Lisa, tercera mujer del comercianteGiocondo, llamada por ello la Gioconda, en cuya efigiede medio cuerpo trabajó el pintor a lo largo de cuatroaños. En 1507 viaja por la Lombardía; en 1510 estánuevamente en Florencia; dos años más tarde se hallaen Milán y de allí parte a Roma, de donde vuelve aMilán y conoce a Francisco I, quien apreciando sualto valor, se lo lleva consigo a Francia, donde resideel resto de su vida.

Leonardo destacó por encima de suscontemporáneos como científico. Sus teorías en estesentido, de igual modo que sus innovaciones artísticas,se basan en una precisa observación ydocumentación. Comprendió, mejor que nadie en susiglo y aún en el siguiente, la importancia de laobservación científica rigurosa. Desgraciadamente,del mismo modo que frecuentemente podía fracasara la hora de rematar un proyecto artístico, nuncaconcluyó sus planificados tratados sobre diversasmaterias científicas, cuyas teorías nos han llegado através de anotaciones manuscritas. Losdescubrimientos de Leonardo no se difundieron ensu época debido a que suponían un avance tan grandeque los hacía indescifrables, hasta tal punto que, dehaberse publicado, hubieran revolucionado la cienciadel siglo XVI. De hecho, Leonardo anticipa muchosdescubrimientos de los tiempos modernos. En elcampo de la anatomía estudió la circulación sanguíneay el funcionamiento del ojo. Realizó descubrimientosen meteorología y geología, conoció el efecto de laLuna sobre las mareas, anticipó las concepcionesmodernas sobre la formación de los continentes yconjeturó sobre el origen de las conchas fosilizadas.Por otro lado, es uno de los inventores de la hidráulicay probablemente descubrió el hidrómetro; suprograma para la canalización de los ríos todavíaposee valor práctico. Inventó un gran número demáquinas ingeniosas, entre ellas un traje de buzo, yespecialmente sus máquinas voladoras, que, aunquesin aplicación práctica inmediata, establecieronalgunos principios de la aerodinámica.

Un creador en todas las ramas del arte, un descubridoren la mayoría de los campos de la ciencia, uninnovador en el terreno tecnológico, Leonardo merecepor ello, quizá más que ningún otro, el título de Homouniversalis.


Autorretrato de Leonardo da Vinci.


INICIOS DE LA MECANICA CELESTEKepler y Copérnico.

El desarrollo de la mecánica celeste contribuiríaposteriormente al desarrollo de la ingeniería mecánica,en cuanto al entendimiento del movimiento de loscuerpos en el espacio.

Las “Tablas de Tolomeo”, síntesis de la cienciaantigua en astronomía, fueron aumentadas por losárabes y reeditadas por Alfonso el Sabio. Eran listasde posiciones de estrellas que servían para ubicarlugares donde se encontraban los viajeros. En cuantoa estrellas fijas, poco había que añadir a la compilaciónde Tolomeo; pero los planetas, con sus movimientoserráticos en la inmensidad del espacio, fueron unenigma para los astrónomos antiguos y continuabansiéndolo al terminar la Edad Media.

La explicación no se podía elaborar mientras sepersistiera en creer en el sistema planetariogeocéntrico, es decir, con la Tierra en el centro; encambio, el vagar de los planetas quedaba explicadocon sólo hacer el mismo sistema planetarioheliocéntrico, esto es, con el Sol en el centro. Talsimple enunciado es obra de Copérnico.Recientemente se ha comprobado que ya en laantigüedad Aristarco de Samos y Arquímedessospecharon que el Sol era el centro del sistema

planetario. En época de Copérnico, no se habíainventado todavía los telescopios, por lo queobservaba las estrellas a través de unas rendijaspracticadas en las paredes de su casa.Convenientemente colocado dentro de la habitación,espiaba el tránsito o paso de cada estrella por elmeridiano, al divisarla por la rendija. La altura, oángulo sobre el horizonte, la medía con un simplecuadrante. Con estos primitivos y deficientes métodosde observación, invirtió Copérnico casi cuarenta añospara observar lo que un astrónomo moderno, provistode un telescopio ecuatorial, puede observar en unanoche. Consignó sus observaciones y conclusionesen un libro que tituló “De Revolutionibus OrbiumCoelestium”.

Quien continuó con la obra de Copérnico fue JuanKepler, quien siendo estudiante manifestó que sentíagrandes deseos de “ examinar la naturaleza de loscielos, de las almas, de los genios; la esencia del fuego,el origen de las fuentes, el ascenso y descenso de lasmareas, la forma de los continentes y de los mares”.Inició el estudio del número, las distancias y losmovimientos de los cuerpos celestes, pero prontorecae en su incorregible imaginación y fantasía,observando que los planetas son sólo cinco, y comohabían sido cinco los cuerpos geométricos regulares,era indudable que debía haber una razón divina, causade esta igualdad y concordancia. El ordenadorjuicioso de la imaginación de Kepler fue el astrónomodanés Tycho Brahe, quien le decía “ No construyáisuna cosmografía fundada en abstractasespeculaciones, basadla en los sólidos cimientos dela observación y desde allí ascended gradualmentepara averiguar las causas”. Durante varios años,valiéndose de los instrumentos de la época, y con suterquedad para repetir observaciones, Tycho Brahecompiló en Uraniborg – Dinamarca, millares de datosque después sirvieron a Kepler para formular susfamosas leyes, las cuales fueron:

Primera ley: Los planetas describen órbital elípticasalrededor del Sol y éste se halla en un foco de laselipses.

Segunda ley: Las líneas imaginarias que van del Sola cada planeta recorren espacios iguales en elmismo tiempo.

Tercera ley: El cuadrado del tiempo que emplea unplaneta en girar alrededor del Sol es proporcionalal cubo de su distancia media al Sol.


La observación del cielo produjo un gran avance enlas leyes de la mecánica.


LAS LEYES DEL MOVIMIENTOGalileo e Isaac Newton.

Galileo nació en Pisa en el año 1564. Empezóestudiando para médico en la Universidad Pisana,pero pronto su vocación por las matemáticas y lafísica le desvió de la medicina. Su primerdescubrimiento, la ley del péndulo, lo realizó cuandosólo tenía diez y siete años. Estaba en la catedral dePisa cuando vio que para encender una lámpara, laretiraban hacia un lado. Al dejar de retenerla, unavez encendida, la lámpara oscilaba como un péndulo,con movimientos que eran cada vez menores, perode igual duración. A falta de cronómetro, Galileo midióel compás regular de las oscilaciones de la lámparavaliéndose de los latidos de su propio pulso.

En el año 1586 realizó interesantesdescubrimientos de hidrostática, que le dieroncelebridad y pronto fue nombrado profesor dematemáticas de la Universidad de Pisa. Allí continuósus estudios sobre la caída de los cuerpos. Galileollegó a la conclusión de que la velocidad de un cuerpoal caer depende del tiempo que ha estado cayendo,esto es, que al empezar va despacio y aumenta suvelocidad a cada unidad de tiempo, y que los espaciosrecorridos al caer son proporcionales a los cuadradosde los periodos de tiempo durante los cuales el cuerpoha estado cayendo. Como se ve en la formulaciónde estos principios, Galileo podía formular la Ley dela Gravedad, aunque sin darle el carácter de Ley delUniverso, que es lo que hace sublime la Ley deGravitación Universal de Newton.

Mientras el estudio de la estática se remonta altiempo de los filósofos griegos, la primera contribuciónimportante a la dinámica fue hecha por Galileo (1564-1642). Los experimentos de Galileo sobre cuerposuniformemente acelerados condujeron a Newton( 1642-1727) a formular sus leyes fundamentales delmovimiento.

La primera y tercera leyes de Newton delmovimiento se usaron ampliamente en estática paraestudiar a los cuerpos en reposo y las fuerzas queactuaban sobre ellos. Estas dos leyes se empleantambién en dinámica; de hecho son suficientes parael estudio del movimiento de los cuerpos cuando nohay aceleración. Pero cuando los cuerpos estánacelerados, es necesario utilizar la segunda ley deNewton para relacionar el movimiento del cuerpocon las fuerzas que actúan sobre él.

Nota del editor:Las partes II y III de esta historia de la Ingeniería

Mecánica se publicarán en nuestros números 20 y21, respectivamente.

Breve historia de la ingeniería mecánica. Parte I / Oscar Mauricio Barajas Pinzóno

Páginas del libro de Galileo, Diálogos acerca de dosnuevas ciencias, ilustrando principios de la mecánica.

Isaac Newton (1642-1727) completó la estructura dela mecánica clásica.

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