A lo largo de la historia de la humanidad, los avances que se realizaron en el ámbito de las ciencias y de la técnica fueron, en un principio, extraordinariamente lentos. Empezaron a acelerarse en el siglo XVI y han alcanzado en nuestro tiempo una velocidad casi inquietante. En los últimos ochenta años se han adquirido más conocimientos y habilidades técnicas que en los mil años anteriores, gracias a lo cual nuestra vida ha experimentado un gran cambio. A continuación se describen los progresos que ha experimentado el saber humano en el campo de la ingeniería mecánica.
Desde
las épocas más remotas el hombre intentó fabricar útiles e instrumentos
(principalmente de sílex, madera y hueso) que le permitiesen aumentar su poder
de acción o defenderse de los peligros que podían amenazarle. De hecho,
la historia del homo sapiens se inicia con los primeros instrumentos hallados
por los arqueólogos y prosigue a través de diversas culturas y civilizaciones
hasta llegar a la época actual del ordenador y los viajes espaciales. La técnica
humana se puede rastrear hasta los primeros momentos de la aparición misma de
los seres humanos.
Posteriormente, a medida que el modo de vida se fue haciendo más
sedentario, muchos de estos instrumentos primitivos se perfeccionaron y
aparecieron la rueda (como medio de transporte o para moler grano) y el arado
(al desarrollarse el bronce en el II milenio a.C., aproximadamente, y el
hierro en el siguiente).
Con
la civilización helénica se considera que nace la Mecánica como ciencia. Aristóteles
(384-322 a.C.), en su tratado de Física, compendia la mayor parte de los
conocimientos de la época. En su estudio sobre el movimiento de los
cuerpos, afirma que todo movimiento necesita de una causa (fuerza). Este
error perdurará hasta el siglo XIV, debido a la gran influencia posterior de
la escuela aristotélica.
Arquímedes (287-212 a.C.) desarrolla las leyes de la palanca y discute
el problema de encontrar el centro de gravedad de un cuerpo dado. Descubre el
principio de la hidrostática que lleva su nombre, y construye diversos ingenios
mecánicos, siendo el más conocido el llamado tornillo de Arquímedes empleado
para elevar agua.
Durante este período de tiempo se inventaron algunas máquinas de
sorprendente complejidad. Así, por ejemplo, Ctesibio, contemporáneo de Arquímedes,
construyó un órgano hidráulico, bombas contra incendio, varios autómatas y
perfeccionó el reloj de agua o clepsidra. Filón, probablemente discípulo de
Ctesibio, inventó el termoscopio, el primer termómetro que registra la
historia.
Vitruvius (88-26 a.C.), arquitecto e ingeniero romano, en su tratado De Architectura (que consta de diez libros sobre arquitectura, maquinaria, hidráulica y cronometría), describe diversas máquinas. Dicha obra, conocida en la Edad Media, ha ejercido gran influencia a través de los siglos.
Con la decadencia del poder político y económico de Atenas, el centro de la cultura se trasladó a Alejandría, donde la importancia dada a los estudios mecánicos, a las aplicaciones de toda categoría, no dejó de aumentar desde el siglo de Arquímedes. En el campo de la Mecánica, la escuela alejandrina estuvo representada por Herón (I d.C.), el “ingeniero” más importante de esta época. En su libro titulado Mecánica, el autor describe máquinas simples y máquinas compuestas, efectuando una clasificación de las mismas. En sus dispositivos emplea combinaciones de ruedas dentadas, engranajes a cremallera, la transmisión de fuerza mediante un tornillo a un eje perpendicular al suyo y hace un uso amplio y variado de la palanca. Otros aparatos de Herón utilizan el vapor como fuente de fuerza motriz. Entre sus invenciones destacan el odómetro, un sistema de engranajes que permite leer sobre un cuadrante el número de vueltas que da la rueda de un carro y medir así la longitud del camino recorrido, y su dioptra, el teodolito de la antigüedad.
Al extinguirse la cultura griega, quedó virtualmente detenido el desarrollo de la Ciencia en general, no existiendo un gran estímulo para la creación mecánica. Tampoco después de la caída del Imperio Romano la situación mejoró, pues los Estados Feudales que se formaron sobre sus ruinas no constituían un suelo fértil para ningún tipo de desarrollo científico. Los únicos centros intelectuales fueron las abadías y monasterios, que solamente se preocupaban de temas teológicos.
Afortunadamente, la ciencia griega encontró refugio en el recién nacido Imperio Árabe. En el año 800 d.C. se fundó una escuela de ciencias en Bagdad, mientras que Córdoba se convertía en un centro cultural en suelo europeo. Los eruditos árabes estudiaron y tradujeron manuscritos griegos salvados de las bibliotecas helénicas parcialmente destruidas, y realizaron considerables progresos en Matemáticas, Astronomía y Química. En el campo tecnológico, desarrollaron y perfeccionaron diversas máquinas para el aprovechamiento de las fuerzas eólica (en Afganistán erigieron los primeros molinos de viento) e hidráulica (la saqiya es el más extendido y útil de todos los ingenios hidráulicos mejorados por el Islam medieval).
Cabe destacar el trabajo de al-Jazari (siglo XII), uno de los mejores ingenieros mecánicos anteriores al Renacimiento. Siguiendo sus especificaciones, dadas con un detalle insólito, se han reconstruido varias máquinas de aquel tiempo.
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Guirnalda de cazos o saqiya, para elevar agua destinada al consumo humano o animal. El dibujo está basado en el realizado por al-Jazar, ingeniero iraquí de finales del siglo XII. |
La Edad
Media
En
el año 748, Carlomagno decretó que todas las abadías debían tener escuelas
agregadas; y hacia el siglo XII, se fundaron las Universidades de Nápoles,
Padua, Bolonia, París, Oxford y Salamanca, que se tornaron en famosos centros
de actividad intelectual. Los estudios estaban basados casi por completo en la
obra de Aristóteles (que llegaba a Europa en versión árabe) y bajo la
vigilante supervisión de la Iglesia.
En la alta edad media se produjo un cambio notable en la concepción y actitud de la humanidad respecto de la naturaleza. Este cambio estuvo relacionado con un conjunto importante de inventos fundamentales que lo acompañaron y cuya importancia última trascendió con mucho su utilidad inmediata. Entre ellos aparecen la prensa tipográfica, el reloj de pesas, el torno de hilar, el cañón y el alto horno.
El reloj de pesas es, sin lugar a dudas, un invento medieval (la primera referencia segura proviene del año 1286). El problema residía en disponer de un mecanismo impulsor adecuado y un dispositivo de regulación conveniente, que era el elemento esencial. La única fuerza impulsora natural disponible era un peso en caída libre, pero, lamentablemente, los pesos se aceleran a medida que caen, de modo que un reloj impulsado así se adelantaría progresivamente. El invento del mecanismo de escape resolvió el problema. El escape funciona emitiendo cantidades iguales de energía mecánica a intervalos de tiempo cortos idénticos.
Podemos ahora afirmar que, en el periodo conocido como Edad Media, la civilización europea experimentó un cambio fundamental e irreversible que preparó la llegada del Renacimiento.
El
Renacimiento
Desde finales del Siglo XIV
, el grupo que sustituyó a los filósofos académicos en el cometido de marcar
el paso de la vida intelectual fueron los ingenieros artistas. Se trataba en
esencia de un producto de la sociedad urbana italiana. Su logro consistió en
sumar al dominio lógico de la argumentación alcanzado por los filósofos el
control racional de diferentes tipos de materiales en pintura, escultura,
arquitectura, ingeniería, construcción de canales, fortificaciones, armamento
y música. Esta generalización es igualmente aplicable a Alemania, si
modificamos la lista de tecnologías y hacemos mayor hincapié en la minería,
la metalurgia y las artes químicas relacionadas con ellas. Además, la invención
de la imprenta, a mediados del siglo XV, constituyó uno de los factores de
mayor importancia en la difusión de la cultura.
Leonardo da Vinci (1452-1519), pintor, escultor, ingeniero, arquitecto, biólogo, músico y filósofo italiano, recopiló en sus escritos los conocimientos del siglo en que vivió. Concibió diversas maquinas innovadoras, ejecutando modelos a escala. También son de destacar sus contribuciones al estudio del movimiento sobre un plano inclinado, la rotura de vigas y las observaciones sobre el movimiento de fluidos.
Vannocio Biringuccio (1480-1539), en su obra titulada De la pirotechnia, explicaba la manera de separar el oro y la plata, las técnicas de ensayo y las propiedades del cobre, el cinc y otros metales y aleaciones. Describía el proceso de elaboración del acero. Contenía una descripción temprana, con ilustraciones, de barrenos para cañones (probablemente la primera descripción de una máquina herramienta industrial) y ofrecía explicaciones sobre la fundición de cañones y campanas, así como del trefilado de alambre y la fabricación de objetos pirotécnicos.
Diferente y complementaria
de De la pirotechnia fue la obra De re metallica (Basilea, 1556), cuyo autor,
Georg Bauer (1494-1555), había latinizado su nombre en Agricola. Trata
exhaustivamente cuestiones de minería y maquinaria minera, así como de metales
y su tratamiento. Un problema particular era el transporte de minerales a lo
largo del suelo desigual de las tortuosas galerías desde el frente de extracción
hasta la entrada. Uno de los medios utilizados, que Agrícola describe, es un
carretón llamado “perro”. En el “perro” tenemos los orígenes del
ferrocarril moderno. Por su parte, A. Ramelli (1531-1590), en su libro Artificiose Machine, describe un gran número de bombas y ruedas
hidráulicas.
Simón Stevinus (1548-1620) amplía los trabajos de Arquímedes sobre el equilibrio mecánico. Su principal contribución fue la solución al problema del equilibrio sobre un plano inclinado, que resolvió utilizando una cadena sin fin.
Por tanto, cien años después de la invención de la prensa de imprimir y de la publicación de la Biblia de Gutemberg salieron a la luz varios libros que indicaban, efectivamente, el estado de la tecnología y resumían los logros de la Edad Media y las aportaciones más recientes en el campo de la ingeniería. Durante este periodo el ritmo de la innovación no aminoró en toda Europa.
Francis Bacon ( 1561-1626), lord Verulam, fue un abogado capaz y un hábil cortesano que llegó a ocupar el cargo de Lord Canciller de Inglaterra en 1618. Fue, además, un singular y persuasivo defensor y profeta de la tecnología y la primera persona que expuso un programa global para la ciencia y la tecnología; su influencia en este aspecto se extendió por la Europa civilizada.
El primer gran impulsor del método científico basado en la experimentación y análisis fue Galileo Galilei (1564-1642). Galileo se presentaba así mismo como matemático, ingeniero y filosofo, y podía reinvidicar con justicia todos esos títulos. Galileo era discípulo de Arquímedes . Al igual que éste, estaba convencido de que las leyes de la naturaleza eran a un tiempo sencillas y esencialmente matemáticas. Lo que aquí nos interesa es la contribución de Galileo a la mecánica y a la ciencia de las máquinas, más que sus aportaciones a lo que ahora llamaríamos física. Galileo transformó nuestra comprensión de las máquinas y del modo como debía evaluarse su funcionamiento; además, hizo posible la determinación de los conceptos clave de trabajo, fuerza y energía. Galileo planteó las reglas básicas por las que el funcionamiento de una máquina podía evaluarse con rigor matemático.
Los dos componentes esenciales de cualquier máquina son el agente motor y el mecanismo mediante el cual se consigue que la fuerza aplicada, o agente, logre realizar la tarea requerida. Ahora bien, Arquímedes es famoso por sus observaciones sobre la palanca, así como por sus estudios sobre hidrostática y gravedad específica. Cuando hizo su comentario sobre una palanca que podría servir para alzar el mundo, estaba hablando, en realidad, de una máquina: una máquina muy sencilla, pero, en cualquier caso, una máquina. Galileo desarrolló el planteamiento de Arquímedes y demostró que toda máquina –sistema de poleas, engranajes y planos inclinados- es equivalente a un sistema de palancas. A partir de este resultado, mostró como calcular, en el caso de cualquier máquina perfecta, la carga que puede trasladar, o el trabajo que puede realizar, si conocemos la potencia o fuerza de un agente motor. Si tenemos en cuenta la carga representada por la fricción y otras imperfecciones, podremos calcular el rendimiento y eficiencia de cualquier máquina. Antes de Galileo, la máquinas podían ser juzgadas tan sólo cualitativamente, después de él fue posible evaluarlas cuantitativamente.
Después de Galileo, todas las máquinas tienen la función común de aplicar fuerza con la máxima eficacia posible. Esto significa la posibilidad de cuantificar el funcionamiento de la máquinas; idealmente hablando, el producto del peso impulsor, o fuerza, multiplicado por su velocidad equivale al producto de la carga por su velocidad. Una vez aceptado esto, resulta posible una ciencia racional de las máquinas y se puede estudiar el diseño y función de cada componente con el fin de optimizar su eficiencia.
Sobre la base de los trabajos de Galileo se produjeron una serie de avances entre los que destacan las primeras nociones sobre el concepto mecánico de trabajo, los teoremas de conservación de la cantidad de movimiento y de la energía, el principio de los trabajos virtuales, las leyes de los choques elásticos y los estudios sobre el péndulo físico y la fuerza centrífuga. Sus principales artífices fueron R. Descartes (1596-1650), Ch. Huygens (1629-1695) y G. Leibniz (1646-1716). Hay que indicar que los conceptos no estaban enunciados con la precisión con la que los conocemos hoy en día, sino de forma relativamente cualitativa utilizando términos como "causa", "efecto", "tendencia", etc.
En 1687, Isaac Newton (1643-1727) publica los Philosophiae Naturalis Principia Mathemática que constituyen el primer tratado general de la Mecánica estructurado y deducido a partir de unas leyes fundamentales. En ellos define los conceptos de masa, cantidad de movimiento, inercia y fuerza, introduciendo la noción de sistema de referencia inercial. A continuación, enuncia sus tres conocidas leyes, que constituyen los principios fundamentales de la Mecánica. Para efectuar las deducciones, tuvo que desarrollar lo que denominó "cálculo de fluxiones" (hoy conocido como cálculo diferencial e integral), simultáneamente descubierto por Leibniz.
Contemporáneo de Newton es el astrónomo y matemático Robert Hooke (1635-1703). Además de su obra sobre astronomía, su defensa de la teoría ondulatoria de la luz o sus varias y originales invenciones, descubrió que la extensión de un cuerpo elástico es proporcional a la tensión que la produce, enunciando así la ley que lleva su nombre.
Leonardo Euler (1707-1783) formalizó el análisis cinemático, enfocándolo
desde un punto de vista geométrico. Introdujo la idea de descomponer un movimiento
plano en una traslación y una rotación, y aplicó el concepto de vector a
velocidades y aceleraciones. En sus trabajos sobre la dinámica de cuerpos rígidos,
desarrolla la noción de tensor de inercia y obtiene, en 1776, las ecuaciones
generales de movimiento.
Al igual que otros contemporáneos suyos como Jacques, Jean y Daniel Bernouilli y D'Alembert, principalmente, Euler realizó diversos estudios sobre cuerdas vibrantes, equilibrio de cuerpos funiculares, tensiones internas en vigas cargadas (a partir de los trabajos de R. Hooke), dinámica de fluidos (donde Daniel Bernouilli descubrió el principio que lleva su nombre) y en diversas ramas de las Matemáticas. En 1788, J. L. Lagrange (1736-1813) publica la Méchanique Analitique (basada en sus trabajos y en los de Maupertuis, Dirichlet y Euler), que supone la culminación formal de la Mecánica.
En el siglo XVIII comienza también el estudio sistemático de los mecanismos. Leupold (1674-1727) introduce la idea de modificación del movimiento, y describe algunos mecanismos con independencia de las máquinas donde van acoplados.
A
mediados del siglo XVIII se inicia la revolución industrial en Inglaterra,
favorecida por una particular combinación de factores económicos, sociales y
políticos. En ella, la máquina de vapor de Watt jugará un papel esencial,
sustituyendo a las ruedas hidráulicas como fuente de potencia. Los principales
focos de desarrollo se encontraban en la industria textil (con la introducción
del primer telar mecánico por Arkwright), y en la minería.
La máquina de Watt se debe al perfeccionamiento, en 1765, de la máquina de vapor desarrollada por otros ingenieros anteriores: Papin, Savery, Newcomen y Smeaton.
Denis Papin (1647-1714), ideó una bomba se succión y fuerza movida por energía hidráulica y descrita en un artículo presentado ante la Royal Society en 1685 y que, según su propuesta, podía emplearse para drenar minas.
Thomas Savery (1650-1715) hizo, en 1699, una demostración práctica de su modelo de motor para elevar agua por medio de fuego en la Royal Society.
Thomas Newcomen (1664-1729) y su ayudante John Calley montaron en 1712 la primera máquina de vapor que funcionó con éxito en una mina de carbón. Fue ciertamente una máquina de gran tamaño, de unos 17 m de altura. Funcionado normalmente realizaba unas doce carreras de bombeo por minuto y desarrollaba, según cálculos, algo más de cinco caballos de fuerza. Podía funcionar sin reposo 24 horas al día y siete días a la semana. La máquina de Newcomen fue la precursora de todos los motores térmicos posteriores.
John Smeaton (1724-1792) es considerado el fundador de la ingeniería civil británica. Sus construcciones, muchas de la cuales se conservan todavía, iban desde puentes hasta faros. Estudió la eficiencia de la rueda hidráulica y mejoró el notablemente el diseño de la máquina de Newcomen,
La invención y realización de una máquina eficaz accionada por vapor, y no por presión atmosférica, para impulsar maquinaria sin el empleo de una rueda hidráulica intermedia se debieron enteramente a una persona: James Watt (1736-1819). La novedad consistió en añadir un dispositivo independiente para condensar el vapor. De esta forma, mejoraba el rendimiento térmico, haciendo la máquina rentable. Le incorporó, así mismo, el regulador de bolas que lleva su nombre.
El
éxito de aquella máquina no sólo incrementó la demanda de hierro, sino que
amplió enormemente el ámbito de aplicación de la energía térmica,
transformando así las condiciones de vida en los países industrializados.
Otro factor importante de la Revolución Industrial fue el desarrollo de la industria textil. Richard Arkwright (1732-1792) fue, más que ningún otro, quien llevó a cabo la revolución textil que abriría el camino a un nuevo mundo industrial. En lugar de un único par de rodillos, Arkwright empleó tres. El primer par, alimentado por la mecha, rotaba relativamente despacio , mientras que el siguiente giraba con mayor rapidez y el último era el más rápido de todos El resultado era un estiramiento o adelgazamiento de la mecha antes de alcanzar la aleta, que impartía el giro y enrollaba el hilo en la bobina. Arkwright demostró su dominio del proceso al hacer que la separación de los pares de rodillos fuera igual a la longitud media de las fibras.
El especializado proceso
manual de la hilatura fue descompuesto así en varias fases distintas, cada una
de las cuales puedo mecanizarse haciendo innecesaria la anterior pericia e
incrementando enormemente la producción.
La revolución textil, a la que tanto contribuyó Arkwright, supuso el
inicio de la industria de producción masiva, creó una enorme riqueza a
consecuencia de una elevada productividad y estimuló, además, la innovación e
invención de varias otras actividades; de hecho, dio vida a industrias y
tecnologías nuevas.
El
Siglo XIX
Ya en el siglo XVIII la máquina de vapor se aplicó a la locomoción de coches de vapor. Nicolás Cougnot (1725-1804) había construido para 1769 un vehículo propulsado por vapor, pero su fabricación fu prematura.
No fue
hasta el siglo XIX cuando se diseñaron y construyeron las primeras
máquinas
de vapor de alta presión y, posteriormente, las primeras locomotoras de vapor.
En la segunda mitad de este siglo, la máquina de vapor se adueñó del mundo
civilizado. Entre 1840 y 1880 la potencia de las máquinas instaladas pasó de 2
a 28 millones de CV. Con la aparición de las turbinas de vapor de Gustav de
Laval , Charles Parsons, y C. G. Curtis fue posible la propulsión naval de
grandes barcos.
Dos de los primeros en construir máquinas de vapor de alta presión fueron Oliver Evans (1755-1819) en Norteamérica, y Richard Trevithick (1771-1833), en Gran Bretaña. Su primera utilización notable de máquinas de vapor a alta presión estuvo dirigida a impulsar un vehículo en vías públicas.
George Stephenson (1781-1848), junto con su hijo Robert (1803-1859) transformaron la idea de Trevithick de una locomotora de vapor sobre placas de hierro en L en el sistema de ferrocarril que cambiaría el mundo. George Stephenson fue el ingeniero responsable del diseño y puesta en marcha del primer ferrocarril para el transporte de pasajeros inaugurado en 1825 entre Stockton y Darlington (Inglaterra). También George Stephenson y su hijo Robert diseñaron y construyeron la famosa locomotora de vapor que a unos 50 kn/h circuló a partir de 1830 entre Liverpool y Manchester. El ferrocarril Liverpool y Manchester fue el modelo de todas la líneas férreas posteriores y la locomotora de vapor se convirtió en el medio de tracción tanto del tráfico de pasajeros como del de mercancías.
Con la puesta en marcha del ferrocarril enseguida se observó que los ejes de los vagones fabricados de acero dúctil, mostraban fallo súbito de tipo frágil. En 1843 Rankine publicó un estudio On the Causes of Unexpected Breakage of Journals of Railway Axles, en el cual postuló que el material se había cristalizado y hecho frágil debido a los esfuerzos fluctuantes. Los ejes se habían diseñado según todos los conocimientos de ingeniería disponibles a la fecha, conocimientos que se basaban en experiencia adquirida con estructuras cargadas estáticamente. Las cargas dinámicas eran entonces un fenómeno nuevo, resultado de la introducción de maquinaria movida por vapor.
Parece ser que fue Poncelet, en 1839, el primero en utilizar el término fatiga para describir la fractura de elementos sometidos a carga dinámica por debajo de su tensión de rotura, al especular que de alguna manera el material se había cansado y hecho frágil debido a la oscilación de las cargas.
Un ingeniero alemán, A.
Wohler, hizo, a lo largo de un periodo de 12 años, la primera investigación
experimental en lo que ya se conocía como fallo por fatiga. Publicó sus
resultados en 1870 sobre el comportamiento de hierros y aceros sometidos a
cargas repetidas, que identificaban como culpable al número de ciclos de
esfuerzo y encontró la existencia de un límite de resistencia a la fatiga
para aceros. El diagrama S-N de Wohler se convirtió en la forma estándar
de caracterizar el comportamiento de los materiales bajo cargas completamente
alternantes. Bauschinger realizó experiencias complementarias en 1886.
A
principios de la década de 1880, Tower llevó a cabo experimentos sobre la
lubricación de los cojinetes de vagones de ferrocarril. Motivado por los
resultados obtenidos, Reynolds efectuó un estudio teórico, que condujo a la
actual Teoría de la Lubricación Hidrodinámica.
Richard Roberts (1789-1844) está relacionado con la mayor aplicación del diferencial, que había llevado una vida intermitente al ser olvidado y reinventado a lo largo de los siglos, casi siempre por relojeros. Roberts obtuvo una patente par su utilización las en ruedas de tracción de los locomóviles de carretera. El transporte por carretera de tracción vapor o con caballos fue desplazado pronto por los ferrocarriles y la aplicación del diferencial a vehículos de transporte por carretera de tracción mecánica habría de esperar al automóvil, a finales de siglo.
Las máquinas textiles alcanzaron un alto nivel de desarrollo con el telar inventado por Jacquard (1752-1834) en 1801. Esta notable máquina dio solución completa al problema de producir telas con dibujos repetidos exactamente. La gran contribución de Jacquard fue la utilización de tarjetas perforadas para codificar un dibujo textil. Cada una de las resistentes tarjetas de una serie cerrada llevaba un patrón formado por pequeños orificios que representaban el dibujo que debía tejerse. Mediante un ingenioso mecanismo la plantilla de orificios determinaba qué hebras de color se alzaban y cuáles no, tejiendo así el dibujo deseado.
El telar
de Jacquard
Aunque
ocupó la cátedra Lucasian de matemáticas –la cátedra de Newton- en la
Universidad de Cambridge durante once años, Charles Babbage (1792-1871) fue un
ingeniero genial de características nada habituales e, incluso singulares; un
ingeniero de procesos mentales o, quizá, intelectuales.
Su libro On the Economy of Machines and Manufactures no tuvo precedentes
en cuanto a su materia y penetración. Si se puede decir de alguien que ha
nacido fuera de tiempo, ése sería
Babbage; sus ideas sobre el ordenador no encontrarían su lugar correcto hasta
mediados del siglo XX, con el advenimiento de la electrónica. Durante las
cuatro primeras décadas del siglo XIX, Babbage proyectó dos máquinas matemáticas
muy originales: la máquina de diferencias (1823), una máquina calculadora
pensada para reproducir tablas matemáticas, y la máquina analítica (1834), un
ordenador en sentido moderno. La máquina analítica era enteramente mecánica.
Consistía en una serie de engranajes dispuestos para proporcionar una memoria;
había previsto, además, lo que actualmente se llama ramificación condicional.
La máquina analítica podía realizar una gama
amplia de diferentes tareas y llevar a cabo los cálculos más complejos.
Aunque los trenes de engranajes de la máquina se basaban en la aritmética
decimal, la máquina estaría programada y recibiría instrucciones en código
binario mediante tarjetas perforadas -técnica utilizada con anterioridad en el
telar de Jacquard-.
La ingenio analítico de Babbage nunca se construyó en su forma original mecánica. En realidad, consiste en una serie de diseños que Babbage fue refinando y perfeccionando hasta su fallecimiento en 1871.
En
cuanto a las aportaciones teóricas, durante el siglo XIX se produce la
verdadera eclosión de la Teoría de Mecanismos y Máquinas (TMM). En 1811, J.
N. P. Hachette publica el Traité élémentaire des machines, clasificando los
mecanismos en orden a la transformación del movimiento.
A. M. Ampère (1775-1836) introduce, en 1834, el término Cinemática para designar la "ciencia que se ocupa de la
investigación matemática de movimientos que tienen lugar en mecanismos y máquinas
considerados en sí mismos".
Diversos investigadores trabajaron en este campo, contribuyendo con
importantes aportaciones. Entre otros, se pueden citar: Bobililier, Cauchy,
Chasles, Coriolis, Poncelet y Savary. La clasificación de mecanismos de R.
Willis (1800-1875), contenida en su libro Principles
of Mechanisms, publicado en 1841, ha continuado vigente durante mucho
tiempo.
Sin
embargo, el punto de inflexión se encuentra en F. Reuleaux (1829-1905) que, en
sus obras sobre Cinemática – particularmente en la titulada The kinematics of
Machinery de 1876-, sienta las bases de la moderna TMM. Estudia sistemáticamente
los mecanismos, introduciendo los conceptos de par (con la clasificación en
pares inferiores y superiores), barra, cadena cinemática e inversión. Su
idea de síntesis prevalece en la actualidad: transformación de unas
exigencias de diseño (geométricas, cinemáticas o dinámicas) en un
mecanismo. Sobre la base de los trabajos de Reuleaux, se producen otras
aportaciones debidas a Aronhold, Burmester, Cayley, Chebychev, Roberts y Smith,
principalmente.
En
el siglo XIX, la Resistencia de Materiales también goza de un gran avance con
los estudios de Navier y Castigliano. Los trabajos de Culmann, Ritter y
Cremona sistematizan los estudios de sistemas articulados.
En la segunda mitad del siglo XIX se desarrollan los motores de gas. J. J. E. Lenoir (1822-1900) inventó en 1860 un motor de gas de combustión interna que, a pesar de sus imperfecciones, tuvo un modesto éxito comercial.
N. A. Otto (1832-1891) de introdujo notables mejoras en el motor de Lenoir. Otto junto con otros socios fundó en 1872 la empresa GDF y a ella se unieron los ingenieros Gottlieb Daimler (1834-1900) y Wilhelm Maybach (1846-1929) . En conjunto la empresa y sus concesionarios fabricaron unos 6000 de aquellos pequeños motores que iban de 1 a 3 caballos de vapor
El éxito del motor atmosférico de gas permitió a Otto seguir adelante con un el desarrollo de un tipo de motor radicalmente distinto “Otto el silencioso”, un motor con un cilindro horizontal , un pistón convencional, una biela y un volante. Desarrollaba un ciclo de cuatro tiempos. Su motor silencioso de marcha uniforme y eficiente tuvo un éxito inmenso. Los diversos concesionarios lo adoptaron al momento y se construyó en grandes cantidades, y su tamaño iba desde las fracciones de caballo –el tipo de motor que podía utilizarse en una pequeña tienda- hasta los gigantes que desarrollaban muchos miles de caballos de potencia.
Daimler abandonó la GDF en 1882 tras una disputa. Se llevó con él a Maybach y empleó el dinero que había hecho con Otto en crear un motor que funcionara con gasolina. En 1883 él y Maybach construyeron un motor con una carburador simple para vaporizar la gasolina y con encendido incandescente. Dos años después fabricaron la primera motocicleta del mundo y, al año siguiente, 1886, el primer automóvil. En 1890 se fundó la Compañía de Motores Daimler. La Peugeot en Francia construiría pronto automóviles con esos motores. Karl Benz fue otra de las personas que se dedicaron a desarrollar y manufacturar el nuevo motor. Benz utilizaba el encendido eléctrico, que se universalizó pronto en los motores de automóviles de combustible líquido.
A los 20 años de la primera motocicleta, el nuevo motor de gasolina, de alta velocidad y poco peso, se empleó para realizar el primer vuelo en una máquina más pesada que el aire.
A
partir del descubrimiento por Faraday, en 1831, de la inducción electromagnética,
los adelantos en este campo se suceden con rapidez. Destacan las figuras de Ampère,
Edison, Siemens y Wheastone, entre otras. La generación de electricidad se
lleva a cabo mediante máquinas de vapor, introduciéndose la producción
hidroeléctrica por Westinghouse, en 1893.
El
Siglo XX
La utilización generalizada de la energía eléctrica y el petróleo
durante el siglo XX, ha supuesto grandes cambios en la sociedad en general, y en
la industria en particular. Entre otros, se puede mencionar que los centros de
producción no tienen por qué estar próximos a las minas de carbón, y que el
uso de motores eléctricos permite prescindir de grandes árboles y correas de
transmisión. En cuanto al transporte, el petróleo, junto con el
perfeccionamiento del motor de explosión, ha permitido un desarrollo
impresionante.
Con
el inicio del siglo, se inicia la automatización de los procesos industriales
con las líneas de producción en masa (automatización rígida). Después
aparecen las máquinas herramienta con un control automático simple, como
paneles de clavijas, para realizar una secuencia fija de operaciones. A
principios de la década de los cincuenta se les añade el control numérico
mediante tarjetas o cinta perforadas, abriendo una nueva era en la
automatización de procesos.
Los
materiales empleados en la construcción de máquinas han dejado de limitarse al
hierro y sus aleaciones. Se utilizan cada vez más otros metales (aluminio,
magnesio, níquel, etc.), vidrios, y plásticos.
En el plano teórico, el desarrollo más espectacular de la TMM ocurre en
la primera mitad del siglo XX, en las escuelas alemana (dedicada principalmente
a la síntesis dimensional) y rusa (aproximación de curvas, magnitudes duales
para el análisis de mecanismos espaciales, etc.). Con el surgimiento de la
escuela norteamericana (Denavit, Freudenstein, Goodman, Hall, Hartenberg,
Shigley, etc.), se intensifica de manera creciente la investigación en este
campo. También ha influido la creación de organismos internacionales, como el
IFToMM ("International Federation for the Theory of Machines and Mechanisms"),
que han contribuido a fecundos intercambios de puntos de vista.
Con
la llegada del microprocesador a principios de la década de los setenta, se
inicia una verdadera revolución en el mundo industrial. En el ámbito de la
producción, su aplicación a las máquinas herramienta con control numérico
conduce al CNC ("Computerized Numerical Control"), que se desarrolla
simultáneamente con los robots industriales.
La
utilización cada vez mayor del ordenador en todos los campos puede considerarse
una característica que define la última parte del pasado siglo y el principio
del XXI. Sus repercusiones han alcanzado todos los ámbitos del conocimiento,
incluido el de la Ingeniería Mecánica.
