III. EL INGRESO AL SUBSUELO
EN ESTE capítulo incursionaremos en el mundo de los materiales más terrestres: los suelos; nos ocuparemos de algunos de los temas que surgen al emprender su estudio como material utilizado por el hombre. Después de trabajar en temas espaciales, de estudiar los diseños de las naves para ir a Marte, y los aviones más avanzados aeronáuticamente, ¿qué pueden tener los suelos y el subsuelo para atraer la atención de una persona curiosa, tanto como lo hizo el tema anterior? Para contestar, apelamos a una característica de la mente humana: su interminable e insaciable inquietud por lo nuevo y lo complejo, lo desconocido y lo práctico. Tanto en el trabajo científico como en el eminentemente práctico, se aprende pronto a reconocer que cada tema es tan difícil o fácil como otro, y que las preguntas sencillas que uno se formula pueden tomar caminos de extraordinario interés y dificultad. Exhorto pues al lector que no se sienta muy atraído por el tema del subsuelo, a que prosiga con la lectura y se convenza de que lo dicho es una verdad propia de cada tema.
El suelo y lo que está directamente debajo de éste, el subsuelo, están constituidos por materiales muy complejos aunque parezcan muy simples. Muchos desconocen que los suelos se estudian desde muy diversos puntos de vista. La mayoría, incluso los más urbanos de nosotros, sabemos que no todos los suelos son buenos para sembrar, pero son pocos los que saben que para construir un edificio (sólo en el espacio se construirían sin tocar el suelo) es necesario analizar las propiedades del sitio, un "estudio de mecánica de suelos", el cual tiene como finalidad conocer si el suelo soportará el peso del edificio, si tendrá asentamientos excesivos y también si resistirá durante sismos.
UNA DESCRIPCIÓN DEL SUBSUELO: EL CASO DE LA CIUDAD DE MÉXICO
El subsuelo de la ciudad de México es fascinante. Esa fascinación aumenta constantemente según se le vaya conociendo; antes que ciudad este subsuelo fue un lago, o una serie de lagos, algunos de ellos salados, que se fueron secando por varias razones: el acarreo de material de las laderas montañosas y las actividades humanas, entre las más importantes. Si los aztecas decidieron fundar una ciudad en medio de un lago, empresa nada fácil, tendrían sus razones (militares, culturales y otras, conocidas o no). El hecho es que lo hicieron, y con ello propiciaron las condiciones que siglos después obligan a cientos de ingenieros y científicos a estudiar los suelos con mucho detenimiento. Para vivir aquí, los aztecas tuvieron que aprender y saber muchas cosas: cómo aliviar el efecto de inundaciones catastróficas, cómo lograr que sus construcciones no se hundieran de lado, y con qué medios evitar que los sismos no destruyeran ni a sus edificaciones ni a sus familias. Hoy, al igual que en el tiempo de los aztecas, una de las mayores concentraciones de habitantes del planeta se asienta en el Valle de México y sobre su interesante subsuelo. Pero ahora los problemas de la ciudad se han multiplicado: hay obras de drenaje profundo, transporte subterráneo, pozos de extracción de agua, instalaciones bajo tierra de todo tipo, edificios más altos, contaminación y un tráfico interminable, entre otros; todos estos problemas nuevos y viejos nos llevan a intentar comprender lo que sucede y, sobre todo, lo que sucederá en esta ciudad. El caso concreto del subsuelo, interconectado por todas las obras mencionadas, nos obliga a tratar de conocer el problema en todos sus detalles, comenzando desde su origen.
EL ORIGEN DEL VALLE Y DE LA CIUDAD DE MÉXICO
El Valle de México comenzó a formarse cuando una importante actividad volcánica cerró el paso de una cuenca formada por dos macizos montañosos paralelos: hacia el poniente, corriendo alargadamente de norte a sur, la Sierra de las Cruces, y hacia el oriente, con alturas imponentes, la Sierra Nevada, que incluye a los volcanes Iztaccíhuatl (mujer blanca, en la lengua náhuatl) y Popocatépetl (montaña humeante). Por el sur, en la parte más baja de la cuenca, surge después la llamada sierra del Chichinautzin, que acabó por unir la base sur de la Sierra Nevada con la Sierra de las Cruces, con lo que convirtió una amplia zona en un nuevo valle rodeado con grandes montañas por tres lados y por tierras altas en su lado norte (véase la figura 1). Desde ese momento, todo el material de los volcanes (el lavado de sus laderas, y el transportado por los vientos), se empezó a acumular en los puntos más bajos del flamante valle. Si llovía mucho, era un gran lago, si no, un pantano inmenso con islotes secos y aislados, uno de los cuales fue escogido como lugar de asentamiento por los aztecas, pequeño pueblo teocrático, disciplinado y tenaz, y dispuesto a dominar tanto su entorno físico como cultural.
Figura 1. Perspectiva del valle de México desde el sur. 1) México-Tenochtitlan,
2) Texcoco, 3)Sierra de Chichinautzin, 4) lago de Texcoco, 5) volcán Xitle,
último activo en el valle.
Los aztecas desarrollaron un sistema de aprovechamiento de la tierra que se basó principalmente en el acondicionamiento de chinampas, confeccionadas con fango extraído por medio de canastillas del fondo del lago, y amontonado hasta formar una fértil parcela de tierra firme, que sobresalía del lago menos de un metro; entre las chinampas dejaban canales para transportar productos y personas en chalupas o barcazas, sistema que subsiste hasta nuestros días, como podemos observar en la figura 2. Las construcciones más grandes fueron hechas de tezontle, piedra volcánica porosa y muy ligera (algunas de ellas flotan), que cimentaban sobre numerosos y pequeños pilotes o estacas de madera, colocados uno cerca del otro. Cuando el peso y el tiempo sumían o ladeaban las construcciones importantes, construían sobre los restos una nueva, cada vez más grande y majestuosa, hasta que formaron una gran ciudad.
Figura 2.
Se ha escrito o conservado muy poco sobre cómo era aquello; sin embargo, la
emoción de observar la magna obra por primera vez, se puede volver a vivir brevemente
cuando leemos a Bernal Díaz del Castillo, que con sus ojos de soldado y cruda
pluma, describe una impresión de la ciudad viéndola desde uno de los templos
más altos:
| ... He ansí como llegamos salió el Montezuma de un adoratorio, a donde estaban sus malditos ídolos, que era en lo alto del gran cu, y vinieron con él dos papas, y con mucho acato que hicieron a Cortés e a todos nosotros, le dijo: "Cansado estaréis, señor Malinche, de subir a este nuestro gran templo". Y Cortés le dijo con nuestras lenguas, que iban con nosotros, que él ni nosotros no nos cansábamos en cosa ninguna. Y luego le tomó por la mano y le dijo que mirase su gran ciudad y todas las más ciudades que había dentro en el agua, e otros muchos pueblos alrededor de la misma laguna en tierra, y que sí no había visto muy bien su gran plaza, que desde allí la podría ver muy mejor, e ansí lo estuvimos mirando, porque desde aquel grande y maldito templo estaba tan alto que todo lo señoreaba muy bien; y de allí vimos las tres calzadas que entran a Méjico, ques la de Iztapalapa, que fue por la que entramos cuatro días hacía, y la de Tacuba, que fue por donde después salimos huyendo la noche de nuestro gran desbarate, cuando Cuedlavaca, nuevo señor, nos echó de la ciudad, como adelante diremos, y la de Tepeaquilla. Y víamos el agua dulce que venía de Chapultepec, de que se proveía la ciudad, y en aquellas tres calzadas, las puentes que tenían echas de trecho a trecho, por donde entraba y salía el agua de la laguna de una parte a la otra; e víamos en aquella gran laguna tanta multitud de canoas, unas que venían con bastimentos e otras que volvían con cargas y mercaderías; e víamos que cada casa de aquella gran ciudad, y de todas las más ciudades questaban pobladas en el agua, de casa a casa no se pasaba sino por unas puentes levadizas que tenían echas de madera, o en canoas; y víamos en aquellas ciudades cues y adoratorios a manera de torres e fortalezas, y todas blanqueando, que era cosa de admiración, y las casas de azoteas, y en las calzadas otras torrecillas y adoratorios que eran como fortalezas. Y después de bien mirado y considerado todo lo que habíamos visto, tornamos a ver la gran plaza y la multitud de gente que en ella había, unos comprando e otros vendiendo, que solamente el rumor y zumbido de las voces y palabras que allí había sonaba más que de una legua, e entre nosotros hobo soldados que habían estado en muchas partes del mundo, e en Constantinopla e en toda Italia y Roma, y dijeron que plaza tan bien compasada y con tanto concierto y tamaño e llena de tanta gente no la habían visto... |
Hábiles fueron aquellos constructores y hábiles tendrían que ser quienes siguieran sus pasos, si difícil fue construir en un suelo pantanoso, difícil y peligroso seguiría siendo al paso de los siglos.
La productividad de sus métodos agrícolas, de su caza y pesca, así como sus considerables habilidades militares, convirtieron en poco tiempo a los aztecas en próspero pueblo, cuyos emperadores además de sus conocidas conquistas del entorno, impulsaron el auge de la gran urbe en pleno lago, unida a tierra firme por amplias calzadas, interrumpidas por puentes estratégicos —como habría de comprobar en carne propia el invasor— cuyo centro ceremonial estaba provisto de imponentes edificios y plazas, hecho que demuestra lo bien que llegaron a entender las propiedades mecánicas del subsuelo que los sustentaba.
Así pues, con los aztecas comienza el estudio experimental de los suelos del Valle de México. Como han demostrado recientes investigaciones sobre la cimentación del Templo Mayor (realizadas por Mazan, Marsal y Alberro, de la Universidad Nacional), los aztecas fueron progresando cautelosamente en el tamaño y altura de sus templos, con el fin de garantizar el éxito constructivo. Seis etapas de construcción se dieron antes de alcanzar las alturas de las pirámides que vería maravillado el conquistador.
LAS PARTICULARIDADES DEL VALLE
Los efectos de la conquista también habrían de sentirse en la ingeniería de cimentaciones; con métodos nuevos y tradicionales, los constructores de la colonia fueron construyendo y reconstruyendo sus edificios hasta que comprendieron, como antes lo hicieron los aztecas, que con un suelo donde casi todo el volumen se debe al agua, debe acostumbrarse primero el terreno a una carga o peso, para que las construcciones puedan quedarse en su lugar. Hoy podemos observar que cuando en alguna construcción nueva no se consideraron estas sencillas pero novedosas necesidades de cimentación, los edificios, o cuando menos partes de edificios nuevos no construidos sobre antiguas construcciones, tienen hasta nuestros días hundimientos diferenciales (véase la figura 3).
Figura 3.
Como este efecto, muchos otros hay que responden a la mentalidad del colonizador. Éste siempre pensó que su ventaja militar suponía ventajas en todos los ámbitos, y se negó a aceptar que sus predecesores habían acumulado más conocimientos en ciertos campos del que ellos hubieran admitido. Todo esto es parte de cualquier proceso o mentalidad colonizadora, y sabemos que con estas torpezas se pierden valores inimaginables de una civilización conquistada, y en esto no sólo nos referimos a la ingeniería de cimentaciones.
En un reciente libro, el profesor Bonfil Batalla señala algunos hechos de la invasión extranjera del siglo XVI vigentes hasta nuestros días: "...la multiplicidad de culturas del México conquistado fue negada y repudiada desde el primer momento..." y añade: "...en el fondo no hay una cultura única mexicana, porque hubo la presencia de dos civilizaciones que no se fusionaron, ni han coexistido en armonía..." y más adelante, para ilustrar este punto, dice: "Cuando el alarife García Bravo hizo el trazo de linderos de la ciudad española propia de los dominadores, fue más para poner fuera de ésta a los dominados, no para crear una ciudad que ya estaba estructuralmente hecha...".
Hasta nuestros días se pretende vivir de manera exclusiva dentro de la cultura occidental (ignorando y a veces despreciando nuestra realidad multicultural) y este hecho impide de diversas maneras nuestro desarrollo y autonomía plena.
Aparte de los problemas del subsuelo, las inundaciones fueron siempre una amenaza adicional. Viviendo como vivimos en la parte más baja de un valle, y con los torrenciales aguaceros que caen en estas tierras, las inundaciones estaban garantizadas. Nuevo reto, resuelto sólo hasta nuestros días —e incluso hoy de manera parcial, pues todavía hay muchas zonas del Valle que se inundan año con año. La precipitación pluvial en el Valle es francamente impresionante: en sólo unos minutos pueden caer cientos de miles de toneladas de agua, y ya que éste es un terreno bastante plano, típico de un lago desecado, el agua no tiene mucho apuro por escurrir; por otro lado, los drenajes, aunque ahora son monumentales, siguen siendo insuficientes, por lo menos durante algunas horas o días y en algunas zonas.
Por si fuera poco, a todo lo anterior hay que añadir varios problemas más: el más importante es desde luego el de los temblores y terremotos. Los habitantes de la ciudad de México estamos acostumbrados a algunos temblores, pero a los terremotos, que ahora sabemos bien que pueden ocurrir con devastadoras consecuencias, nadie se puede acostumbrar. Apenas hoy día se comienza a estudiar el mecanismo que hace que un temblor concentre sus daños en zonas relativamente pequeñas, no sólo del país, sino en la misma ciudad, lo que deja buena parte de las construcciones intactas y destruye otras bien edificadas. Esto perfila un desafío adicional: entender cómo las particularidades de nuestro subsuelo lacustre actúan junto con las ondas sísmicas durante un terremoto, es actualmente uno de los mayores retos para la investigación en ingeniería y para la ciencia del país.
Pocos expertos dudan hoy de que éste y otros subsuelos difíciles, requieren de estudios en los que el enfoque de diversas disciplinas se unan para explicar lo que algunos llaman amplificación sísmica local, como la que se observó en ciertas zonas de la ciudad durante el sismo del 19 de septiembre de 1985. En las investigaciones sobre este fenómeno se usan modelos, tanto matemáticos como de laboratorio, que simulan las formaciones geológicas cercanas a la superficie y se intenta reproducir en condiciones de laboratorio los movimientos del suelo por medio de ondas sísmicas simuladas para estudiar los efectos. Es previsible y deseable que ingenieros y físicos trabajen conjuntamente en la búsqueda de tales resultados. Su alianza producirá información de gran utilidad práctica para los habitantes de una de las urbes más castigadas del planeta.
Pero la ciudad de México tenía que enfrentar más retos. Por lo general la contaminación se relaciona con el aire y el agua, pero también en este renglón el subsuelo de las ciudades está en peligro. La industria desecha sustancias contaminantes de manera irresponsable que se difunden en el subsuelo, como es el caso de la contaminación del subsuelo con cromo, constatado por los especialistas, aunque se desconozcan por ahora muchas de sus consecuencias en el futuro. Es posible que la difusión contaminante en el subsuelo proceda lentamente, durante años quizá, pero es probable por ejemplo, que estos procesos alcancen mantos acuíferos (los depósitos de agua subterránea de donde se bombea hasta la superficie para uso de la población), caso en el que las consecuencias serían desastrosas. Este tipo de situaciones es muy delicado porque al principio pueden pasar inadvertidas hasta que el problema se manifieste claramente, estando ya muy avanzado, y las soluciones resulten o imposibles o costosísimas. Se tiene pues la necesidad de vigilar las actividades industriales con potencial contaminante, y de fomentar programas de investigación que se adelanten a los hechos, y elaboren planes para enfrentar accidentes de esta naturaleza antes de que se conviertan en una catástrofe irreparable para el medio.
Para completar un poco más este cuadro, recordemos que buena parte del subsuelo de la ciudad de México se formó con materiales volcánicos que provienen de erupciones cercanas, y que los volcanes no suelen dar aviso de su próxima actividad y mucho menos de la intensidad con la que ocurrirá (recuérdese el Chichonal en 1982 en Chiapas, México, y el Nevado del Ruiz, en Colombia). Luego entonces, es también posible que, de la misma manera en que encontramos en el subsuelo depósitos espesos, que atestiguan la caída de arenas finas y cenizas con varios metros de espesor, fruto de la actividad volcánica, en el futuro algo equivalente podría suceder. Vale la pena detenernos un momento para señalar que no se trata aquí de crear temor hacia la naturaleza, ni a la "ira de los dioses", pero sí de preguntarnos si los científicos que trabajan en geofísica cuentan con los fondos suficientes para estudiar los volcanes más importantes, como el de Colima o el Popocatépetl por ejemplo; antes de que el peligro sea inminente y que no sea en ese momento cuando se dé a esas investigaciones un financiamiento abundante, como ocurrió con la investigación sismológica después del gran sismo de 1985.
Los casos anteriores, insistimos, no se presentan para alimentar el alarmismo simplón, o el ecologismo de fin de semana; lo que sí se pretende es mantenernos alerta sobre lo complicado y serio que son los efectos directos e indirectos de nuestras actividades e industrias, y que tengamos presente la necesidad de conocer los agentes desfavorables que nos rodean y nos pueden afectar.
Por cierto, de la predicción y prevención trata en gran medida la investigación en ingeniería y la científica, y para desgracia y detrimento de todos, todavía muy pocos ciudadanos (y gobernantes) aprecian el potencial que la ciencia y la tecnología tienen como fuerza productiva en nuestro país, ignorando que estas actividades constituyen probablemente la única salida real para encauzar a los países latinoamericanos en la vía del desarrollo y la prosperidad, que sin duda nos aguardan.
Si consideramos lo impotentes que somos ante ciertas fuerzas de la naturaleza, como los sismos y volcanes, lo que nos queda en esos casos es estudiarlos, y de esta manera planear las medidas que podemos tomar para minimizar sus efectos indeseables o destructores, que siempre nos acecharán, por ser parte de las condiciones geológicas de nuestro medio. Todos estos temas son complicados y requieren ser estudiados por personas responsables y preparadas en la investigación. Pero sobre todo, por aquellos que demuestren la creatividad y disciplina suficientes para abordar temas que demandan dedicación, paciencia, y también, como en las artes, una buena dosis de pasión. Antes de seguir con el subsuelo, y sus exquisitas particularidades que lo hacen tan complejo e interesante, vamos a mezclar un poco el tema de los suelos y el espacial; acomódese en su asiento.
CONTACTOS ESPACIALES CON LO TERRESTRE
Por primera vez intentemos aquí encontrar contacto entre los temas centrales del libro. ¿Qué conexiones encontramos entre las actividades aeroespaciales y el subsuelo, al que más adelante volveremos? En primer término podemos referir toda una serie de relaciones más o menos directas, entre las que destaca la exploración de los suelos desde el espacio y la geología, que tiene como finalidad clasificar, identificar y localizar fallas, tipos de minerales, formas geológicas y mantos petrolíferos, entre otras muchas.
Desde una nave en órbita no se ve el petróleo, como algunas personas podrían creer, pero sí se ven las sierras y montañas o estructuras geológicas como las denominan los geólogos. El estudio de estas estructuras hace posible que los especialistas determinen antiguos movimientos de la corteza terrestre, que a su vez pudieron sepultar regiones selváticas o boscosas. Descubrimiento importante si se tiene en cuenta que la descomposición del contenido orgánico (plantas principalmente) de dichas regiones es la que generó, con los años y la temperatura del subsuelo, el petróleo, según se cree. Las compañías que buscan petróleo son por esto las principales consumidoras de imágenes de satélites de prospección o percepción remota. En la actualidad, más de siete países están preparando satélites para realizar sus propios estudios, a pesar de que se dice que con un solo satélite bastaría para todos (esto es técnicamente hablando, aunque la realidad política sea otra y pocos compartan datos e información, lo que a fin de cuentas puede afectarlos, reduciendo su control de los mercados internacionales). América Latina también tendrá que preparar, seguramente unida, sus satélites propios. De nuevo, esta es otra idea que ha sido planteada por investigadores espaciales mexicanos en un foro de especialistas de la región en percepción remota, y es posible que en un futuro cercano se den los primeros pasos concretos para elaborar un proyecto al respecto; el talento y el conocimiento suficientes ya existen.
El uso y caracterización de los suelos también se realiza ya desde el espacio, utilizando la visión amplia que se tiene desde allá. Teniendo como base estas observaciones, pueden ser estimados el tipo y la cantidad de producción agrícola, la mineralogía del suelo, la humedad, el grado de erosión y la topografía, entre otras cosas. Estas estimaciones no son cosa sencilla; tendremos que analizar y adentrarnos, con cierto detenimiento, en los hechos que sustentan este novedoso e importante tema. Cuando el Sol ilumina la Tierra, parte de esa radiación se refleja en el espacio. Si a bordo de una nave colocamos una cámara, o simplemente lo vemos, fácilmente podremos captar una imagen del terreno iluminada por el Sol. Las cámaras que se utilizan para esto se llaman multiespectrales, es decir, que son capaces de captar imágenes en bandas selectas del espectro.
No es nuestro propósito hacer aquí una descripción detallada de lo que es el espectro electromagnético, pues ya hay quienes lo han hecho con más detalle y claridad dentro de esta misma serie (véase el libro de A. M. Cetto, La luz). Solamente se da alguna información de lo que es el espectro, para poder explicar después cómo se usa en la percepción remota para localizar minerales, estudiar cultivos, registrar actividad nocturna y clasificar uso de suelos, entre otros.
La manera más conveniente de comprender algunos aspectos del espectro electromagnético es a través del ejemplo de los colores, la manifestación más conocida del espectro. Cuando el Sol ilumina un cristal cortado en ángulos, vemos los colores del arcoiris: o sea, un espectro. Este efecto, llamado descomposición espectral, se da porque la luz del Sol está compuesta de todos estos colores que vemos, y al atravesar el cristal, cada color se desvía o refracta de manera diferente: el violeta menos que el verde y el rojo más que todos; cada componente de la luz sale por caminos distintos y el ojo detecta este fenómeno en forma de colores.
Los colores son distinguidos por el lugar que ocupan en el espectro electromagnético y se identifican por una serie de medidas, una de ellas, la llamada longitud de onda, la utilizaremos aquí para referirnos a las diversas radiaciones que componen el espectro. Por ejemplo, el azul tiene una longitud de onda de cerca de 0.45 micras, el rojo, de 0.65, y el verde pasto esta entre los dos (0.54 micras). Con el aparato llamado fotocolorímetro se puede medir la longitud de onda de los colores para diferenciarlos y clasificarlos objetivamente, más allá de las opiniones personales. Ahora bien, los colores son sólo una pequeña parte del espectro, las otras partes también las conocemos y utilizamos, pero no todos saben que cada uno de los componentes del espectro que vamos a mencionar comparten buena parte de las propiedades de los colores, y que están asociadas por características esenciales; los colores se diferencian de otras radiaciones precisamente por su longitud de onda.
Los colores se llaman también espectro visible, porque son la única parte del espectro que vemos a simple vista, los colores se encuentran enmarcados en el extremo del violeta; por el ultravioleta, que nuestros ojos ya no ven, y más allá de donde está el rojo, por el otro lado, está el infrarrojo, que a su vez los expertos dividen, para fines prácticos, en cercano, medio y lejano. Al infrarrojo lejano (cuyas longitudes de onda van de 5 a 30 micras) se le conoce como infrarrojo térmico, pues en esta parte o banda del espectro se percibe el calor de las cosas. Hay cámaras que detectan imágenes térmicas, que en lugar de los colores "visualizan" las temperaturas. En estas imágenes se diferencia lo caliente de lo frío a tal grado que es posible ver partes del cuerpo humano en donde la circulación de sangre es mayor, y por lo tanto están más calientes, como ocurre cerca de los tumores.
Pero si esta misma cámara térmica está a bordo de un satélite o estación espacial, en una de sus imágenes se puede ver, por ejemplo, un pequeño avión (o cohete) a miles de kilómetros de distancia, por los chorros de gas caliente que arrojan sus reactores; también, y de más interés para nosotros, se puede ver un volcán que comienza a activarse. Si seguimos aumentando la longitud de onda, recorriendo el espectro más allá del infrarrojo, entraremos en las frecuencias de las microondas; y más allá, a las señales de radio, donde las longitudes de onda comienzan en los milímetros y terminan en los kilómetros. Regresando al otro extremo, sobrepasando el sector visible de los colores y el ultravioleta ya mencionado, están los rayos X, y más allá, los rayos gamma. La figura 4 muestra un esquema del espectro electromagnético donde se incluyen las radiaciones descritas.
Figura 4. Esquema del espectro electromagnético. Nótese que el sector visible
es el más angosto de todas las radiaciones que conocemos.
Volviendo ahora a las cámaras multiespectrales de los satélites de teleobservación, éstas captan imágenes de la Tierra en varias regiones o bandas del espectro, a saber, algunas en el visible y otras en el infrarrojo. Al pasar sobre una zona de estudio, las cámaras multiespectrales toman imágenes a través de filtros que sólo permiten "ver" la escena dentro de una estrecha banda del espectro, por ejemplo, una banda podría abarcar desde 0.45 micras hasta 0.52, lo que cae dentro del azul (desde el azul marino hasta el turquesa), otra banda pudiera localizarse en el amarillo o en el verde, pero siempre entre dos longitudes de onda fijas y muy bien definidas: a este tipo de imágenes se les denomina multiespectrales, pues se componen de imágenes tomadas en múltiples bandas del espectro. Los filtros espectrales que logran tal especificidad se fabrican depositando sobre algún cristal capas ultrafinas de materiales especiales para cada color o banda. De esta manera, la cámara capta varias imágenes de la misma zona terrestre, pero cada una tomada en segmentos estrechos del espectro. La figura 5 a modo de ejemplo muestra la radiación que deja pasar uno de los filtros. (Por cierto que estos filtros están siendo fabricados en laboratorios de centros de investigación del país, donde ya se cuenta con la experiencia para su diseño, fabricación y prueba, y han dado resultados muy alentadores, ya que muchos aparatos ópticos de medición los usan como componentes principales.)
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Figura 5. Imagen aérea de una zona urbana. Nótese en el centro inferior
izquierdo cuatro cuadros de calibración. De arriba hacia abajo: filtros infrarrojo,
rojo, verde y azul.
Para el caso concreto de los proyectos espaciales que actualmente llevamos a cabo en la Universidad Nacional, se ha solicitado a investigadores del Centro de Investigaciones en Óptica de León, Guanajuato, la fabricación de una serie de filtros para realizar experimentos con cámaras multiespectrales montadas en un avión, para preparar un equipo que subirá al espacio, probablemente en 1990 o 1991, y que tiene entre sus objetivos tomar imágenes del territorio mexicano en diferentes bandas del espectro. Este esfuerzo, a su vez, se encamina a la preparación del equipo óptico que irá a bordo de uno de los futuros satélites de investigación, que también forma parte del programa espacial que realizamos en la UNAM en colaboración con otros centros del país y del extranjero.
Las imágenes multiespectrales son de utilidad para estudiar los recursos de la naturaleza. Al igual que los ojos, estas cámaras captan, identifican y clasifican cosas por su color, textura y forma. Las imágenes de satélite se analizan con computadoras para extraer información útil para muchos usuarios. Digamos, a modo de ejemplo, que hubiera interés en saber cuáles son los cultivos en una extensa región agrícola; si la recorriéramos a pie o en algún vehículo para preparar mapas de cultivo, esta labor se llevaría mucho tiempo, sin hablar ya de que nos propusiéramos conocer todo un país o todo el planeta. Aprovechando la visión amplia que logran los satélites, obtener imágenes de todo un país sería relativamente fácil, aunque en la actualidad esto es muy costoso, pues muy pocas empresas venden estas imágenes. Sin embargo, hay múltiples proyectos que justifican el gasto.
Si ya contáramos con las tomas de nuestra zona de estudio, comenzaríamos el proceso de análisis y extracción de información de la siguiente manera: primero, haríamos una corrección geométrica de las imágenes, es decir, haríamos coincidir la imagen espacial o aérea, con un mapa de la zona: carreteras con carreteras, ríos con ríos y estructuras geológicas consigo mismas. Este es un proceso matemático que se realiza automáticamente metiendo las imágenes a una computadora con un programa especial; de esta manera observaríamos los procesos y resultados en una pantalla de televisión en color.
Después, procederíamos a observar la imagen de cada banda, por ejemplo, la imagen en el azul o en el amarillo, y comenzaríamos una paciente mezcla de imágenes, que poco a poco iría cediendo la información buscada. Veamos.
Cuando la radiación solar llega a la Tierra, ilumina la superficie de extensas zonas de una manera uniforme, especialmente cuando hay poca nubosidad. Esta iluminación nos permite observar las cosas con los ojos; sin embargo, cuando nuestros "ojos" son los instrumentos a bordo de un satélite, a éstos llega una radiación diferente a la del Sol que ilumina la Tierra. La diferencia resulta del efecto de absorción selectiva que tienen los diversos materiales en la superficie terrestre y en la atmósfera, o sea que cada material tiene una manera única de absorber la radiación solar. Un ejemplo, que nos ayuda a comprender la diferente absorción de la radiación solar es éste: aunque la gran mayoría de las plantas son verdes, todos sabemos, por experiencia, que hay muchos tonos de verde; los tonos de verde son precisamente el resultado de cómo cada planta absorbe y en consecuencia refleja de modo diferente la luz solar. Es la experiencia práctica la que ha permitido a los especialistas desarrollar ciertos métodos, y hasta recetas, que les indican cuáles imágenes de diferentes bandas deben mezclar para obtener información de diverso tipo. En el análisis de imágenes de zonas cultivadas por ejemplo, se aprovecha la propiedad de absorción diferencial de las plantas para distinguir diferentes cultivos desde el espacio, y se ha llegado al grado de poder clasificar con una precisión mayor al 85% el tipo de cultivos de amplias zonas productivas de un país. Este logro tiene enormes consecuencias económicas: por medio de estas técnicas se puede determinar la presencia y avance de plagas en ciertos cultivos, o el rendimiento que van a presentar algunas regiones agrícolas; lo que permite, por ejemplo, preparar esquemas especulativos para el control del mercado internacional de productos agrícolas. La técnica del análisis de imágenes por computadora tiene gran importancia en el futuro de muchos campos del saber: desde las imágenes médicas tomográficas, hasta las observaciones militares más increíbles para nosotros.
Veamos, para comenzar, un ejemplo de lo que puede lograr un satélite militar de reconocimiento: los satélites dedicados al espionaje electrónico observan en muchas bandas del espectro, incluyendo las que posibilitan la visión nocturna; y tienen más bandas que las cinco o siete que se utilizan en los satélites civiles, y tampoco están limitados a la resolución de éstos (que por cierto no es nada despreciable, pues pueden diferenciar desde el espacio objetos separados por unos diez metros, como edificios, barcos y aviones); los satélites militares de las grandes potencias están equipados para diferenciar hasta doscientas bandas espectrales, y su resolución, es decir, su capacidad para distinguir objetos en la superficie terrestre, no se cuenta en metros sino en centímetros (son capaces de distinguir objetos de unos cuantos centímetros en la superficie de la Tierra o en el mar). La gran cantidad de bandas o ventanas por las que registran las imágenes hace posibles detecciones que se asemejan más a la ciencia ficción, que a la realidad. Por medio de la manipulación por computadora de imágenes de tantas bandas, los especialistas militares pueden diferenciar los materiales con los que se construyen los equipos bélicos de sus enemigos potenciales, reales o, como bien suele ser, imaginarios. De esta manera se logra tal especificidad, que les es posible saber el tipo de aleaciones que utiliza el contrario en los tubos de escape de aviones a reacción, el de los cañones de su armamento o los componentes de aspas de sus helicópteros, entre muchas otras cosas que desafían la imaginación.
Más que impresionar, estos datos nos demuestran que la era espacial no sólo consiste en noticias de aventuras o logros científicos, sino que es un medio eficaz de observación, que reduce la privacía y viola la soberanía de los pueblos, "amigos" o enemigos". En el tristemente famoso caso de las Malvinas por ejemplo, un aliado se unió a otro aliado para minimizar la eficacia militar de un tercer aliado, que es un país en desarrollo y por tanto menos aliado que el segundo. Con las imágenes de satélite, se detectaron los movimientos de la flota y aviación argentinas para reducir sorpresas desagradables a los británicos que, solos, hubieran pagado un costo aún mayor en pérdidas de combate; quizá esto lo sabrán muy pocos, pero tal vez la misma operación hubiera fracasado sin esta ayuda entre cómplices.
EL PROCESAMIENTO DE IMÁGENES POR COMPUTADORA
Para que una computadora analice una imagen, es preciso traducir previamente la imagen al lenguaje de las computadoras: los números. Es decir, la imagen debe ser representada como una lista de números, ya que las computadoras fueron originalmente creadas para su manejo. El paso de imágenes a números es un proceso llamado digitación, aunque hay maneras más complicadas de llamarlo. La digitación se efectúa dividiendo la imagen en los pequeños elementos que forman un cuadro (constituido por una cuadrícula de columnas y filas); las filas van de izquierda a derecha y las columnas de arriba hacia abajo y, tomadas en conjunto, forman un cuadro compuesto a su vez de cuadritos alineados; la posición de cada cuadrito o elemento de imagen, que los especialistas llaman PIXEL (de la contracción del inglés PIXcture-ELement), se logra identificando la fila y la columna en la que se encuentra (véase la figura 6). Ahora bien, para ahondar y facilitar esta explicación, tendremos que revisar un poco cómo funciona el equipo íntimamente ligado con esta técnica: la conocida pantalla de televisión.
Figura 6. Ejemplo de imagen digital. La ampliación de un fragmento, a la
derecha, muestra los elementos individuales de la imagen.
Las imágenes de televisión están formadas por secuencias rápidas de cuadros, y éstos, a su vez, de líneas; que son visibles cuando algo falla en nuestro aparato. La TV nos presenta muchos cuadros por segundo, por lo que cuando funciona normalmente no se nota que las escenas estén formadas por secuencias de cuadros, y éstos por secuencias de líneas. Las líneas se trazan sobre la pantalla de TV por medio del movimiento de un fino rayo de electrones que se produce con un filamento incandescente (semejante al de los focos domésticos) y que, manipulado electrónicamente, barre la pantalla, como quien barre un patio, de izquierda a derecha, o sea, en la dirección de las filas. Durante el barrido, el rayo va cambiando de intensidad; en algunos lugares es muy brillante y en otros puede ser oscuro, dependiendo de los cambios de intensidad que registra la cámara de televisión en la escena original. Las líneas de barrido de una televisión, en conjunto, constituyen la imagen.
Entendidos ya algunos de los rudimentos del funcionamiento de la TV, regresemos a la técnica de digitación: las líneas de barrido de una TV se pueden representar como una fila o una secuencia de pixeles, en la que cada pixel tiene una determinada intensidad. Esta intensidad corresponde al brillo que tiene la imagen original, vista por la cámara. Si a cada cuadrito le adjudicamos un valor numérico, por ejemplo, del 1 al 16 (o al 32, o al 256, o sea siempre una potencia de 2 ), donde el número 1 es el de mayor brillo o blanco total, y el 16 el negro, o menor brillo posible, y entre ellos hay una escala gradual de grises, entonces, si ya una línea se puede representar por una serie de números (equivalentes a los tonos de gris), que van del 1 al 16, por extensión, podemos representar un cuadro de TV como un conjunto de líneas con valores numéricos definidos, que es precisamente lo que necesitábamos para poder manejar las imágenes con una computadora. ¿Y ahora qué?
LA EXTRACCIÓN DE INFORMACIÓN DE UNA IMAGEN, POR COMPUTADORA
La mejor manera de explicar cómo un programa de computadora extrae información de una imagen es quizá con un ejemplo sencillo: imaginemos que con la cámara de TV captamos la imagen de un círculo totalmente negro, frente a un fondo blanco; en la pantalla, veríamos naturalmente una imagen del círculo negro con el fondo blanco (véase la figura 7). Ahora, no sólo vamos a digitar la imagen, sino además la guardaremos en una memoria, algo tan común como una videograbadora o la memoria de una computadora.
Figura 7. Fotografía de pantalla de computadora mostrando el círculo negro
sobre un fondo blanco.
Al entrar en la memoria donde guardamos el círculo negro con el fondo blanco, el programa detectará que en toda la memoria sólo hay dos valores o tonos, el blanco y el negro, correspondientes al círculo y su fondo. No es nada difícil lograr una respuesta a ¿cuánto hay del negro y cuánto hay del blanco?; en la pantalla veremos por ejemplo, unos números que dicen blanco = 32 000, negro = 33 500. Si sabemos que el negro es el círculo, podemos calcular, o mejor pedirle a la máquina que lo haga, de qué diámetro es un círculo en el que caben 33 500 pixeles, cuyo tamaño conocemos con anterioridad, ya que para esto antes vimos un objeto de dimensiones conocidas, para calibrar el sistema. Los que se inquietan con las computadoras, porque no las entienden, dirían, ¿y de qué me sirve ese cálculo por computadora si lo puedo hacer más rápido a mano? Claro que ese solo cálculo se hace más rápido a mano, pero ¿qué tal si en vez de un círculo tenemos cien círculos en la imagen, y si hay cientos de imágenes como ésa? En los casos en los que el trabajo es repetitivo y sin reto ni gloria para la exquisita mente humana, es donde son buenas las computadoras; aunque, es justo mencionarlo, las nuevas generaciones de computadoras ya realizan algunas verdaderas exquisiteces, siempre y cuando el programador las sepa instruir.
El ejemplo de los círculos no salió de la imaginación: un caso similar se nos ha planteado en el laboratorio para resolver un problema práctico y de importancia económica, que vamos a describir a continuación para validar ante el lector la utilidad de los programas de cómputo para procesar imágenes, aun así de sencillos. Además, nos proponemos continuar con la cita de ejemplos que ilustren cómo muchas veces se ha enriquecido el conocimiento de un campo de aplicación por caminos indirectos como, por ejemplo, cuando la ingeniería civil y los ciudadanos que costean sus obras se han beneficiado con la técnica del procesamiento digital de imágenes, que originalmente tenía como propósito el estudio de la Tierra desde el espacio.
Cuando un ingeniero va a edificar una gran obra, digamos una presa, necesita utilizar materiales de construcción baratos y que de preferencia se encuentren cerca del sitio de construcción, ya que es muy caro su transporte. Así, recorre la zona cercana a la futura obra y estudia los depósitos geológicos de los cerros; en eso se encuentra con que una carretera tiene unas altas paredes a los lados, que él llama taludes; en los taludes observa que hay cantos rodados o rocas de río, dentro de una matriz de tierra, que él llama arena arcillosa. Las rocas se asoman un poco, por lo que puede ver que hay muchas. Pero eso no basta: para estimar de manera certera los costos del transporte, él tiene que saber cuántas rocas hay ahí aproximadamente; no exactamente, pero si se equivoca por mucho, lo pueden despedir del trabajo por inepto. Así pues, trata de estimar cuántas toneladas de piedras hay entre la arcilla. Para hacer esto, observa un talud o excava con una máquina o a mano, y ve cuánta roca hay en un volumen que excava de la pared o de un hoyo y, con la experiencia, a veces de muchos años, va aprendiendo a estimar cada vez mejor estos volúmenes. Pero cuando el tamaño de una obra requiere de estimaciones más precisas, y no es permisible equivocarse ni por poco, es cuando trata de encontrar un mejor método de estimación, y para esto se pone en contacto con otros ingenieros, que trabajan dentro de los institutos de investigación y manejan métodos avanzados. Y conjuntamente, tratan de resolver el problema. Después de estudiarlo, llegan a la conclusión de que el meollo del asunto está en poder estimar el volumen de rocas viendo sólo algunos de esos taludes, contar el número de rocas que se asoman y medir su diámetro aparente, para después, con métodos matemáticos, estimar con mayor precisión lo que antes hacía "a ojo de buen cubero".
Pero, y siempre salen más peros, ahora resulta que para que el método funcione con la precisión necesaria, tiene que ver muchos taludes y esto le resulta poco práctico, así que decide inyectar más tecnología, y pide fotografías de los taludes, con las que puede medir precisa y rápidamente todo esto, sin moverse de su escritorio. Logra su objetivo y hasta cierta fama entre sus colegas, porque ha hecho las mejores estimaciones y ha bajado los costos en cantidades muy respetables. Tanto, que de todo el país, y hasta de fuera, le llegan pedidos para estimar nuevas obras, y no sólo le piden estimar la proporción de rocas en arcillas con su flamante método, sino hasta contar el número de grietas que hay en macizos rocosos, pero ya son tantas las fotografías que recibe, que su problema ya cambió: ¿cómo estudiar tal cantidad de fotografías? ¿Saben cómo lo resolvió? Procesando imágenes por computadora. Primero, pidió a su fotógrafo que tomara las fotografías de tal manera que se notara el contraste entre las rocas y la matriz de arena arcillosa lo más posible; después, durante el revelado, forzaba también el proceso para aumentar el contraste, tanto que parecían fotos mal tomadas, pero eso era lo que quería: alto contraste entre rocas y matriz. Posteriormente, con una cámara de TV y un equipo para digitar, adquiría cada imagen y la almacenaba en memoria para procesarla después con los programas de computación. El programa inicial aumentaba el contraste corriendo los tonos hacia los extremos, es decir, si tenía 16 tonos del blanco al negro, todos los tonos arriba del 5 los convertía en 16 y los de abajo de 5, en 1. Así, la imagen resultante sólo presentaba dos tonos muy contrastados: o negro, o blanco. Esta imagen en la pantalla (véase la figura 8) la comparaba con la fotografía original, para ver si las rocas mostraban su tamaño real; de lo contrario, en vez de usar como umbral el tono 5, usaba otro cuyos artificios no cambiaran de tamaño las cosas. Ya que tenía la imagen en alto contraste, entraba en acción un segundo programa, que hacía algo muy similar al descrito en un principio, el del círculo negro con fondo blanco, y que más o menos funciona así: este programa tiene un interrogador que pregunta ordenadamente (de pixel a pixel hasta completar todos los que constituyen la imagen), el tono guardado en la memoria. Si el interrogador que viaja fila por fila por toda la imagen encuentra un tono blanco, que corresponde a las rocas, toma nota y prosigue contando los pixeles blancos hasta llegar a un tono negro, que es una nueva frontera (la arcilla), y que esta vez no atraviesa, sino que, cambiando la dirección de exploración, pasa a otra columna o fila y continúa su exploración programada. Cada punto recorrido es acumulado o sumado, para que al finalizar el recorrido por una roca en particular, tenga apuntado el número de pixeles blancos que conforman esta unidad. Si en las fotografías se incluye una escala, una regla graduada por ejemplo, podemos saber fácilmente cuántos elementos de imagen se requieren para un centímetro y, con la misma información, calcular el área que ocupa cada roca o mancha blanca de la imagen. Es evidente que las rocas asoman una parte solamente, por lo que se realiza entonces una serie de operaciones llamadas operaciones de morfología matemática, para que a partir de los datos fotográficos evaluados, se calcule el volumen que ocupan las rocas en relación con la matriz.
Figura 8. Imagen de alto contraste que simula piedras de río en una matriz
arcillosa.
Esto ejemplifica algunos de los tenues hilos que conectan campos disímiles, pero a la vez con amplias equivalencias. Lo mismo ocurre cuando al desarrollar un método para estudiar un suelo natural, avanzamos, sin saberlo ni planearlo, y a veces sin descubrirlo nunca, en la técnica que resuelve el problema de un material aeroespacial.
Veamos con más detenimiento semejante aseveración: el subsuelo y los materiales de uso aeroespacial comparten el hecho de que sus materiales son difíciles de conocer. Se diferencian completamente en cuanto a su uso, de esto no cabe duda, aunque ambos poseen una microestructura compleja que determina su manera de comportarse, deformarse o fallar al someterlos a cargas. Para entender sus afinidades y diferencias, analicemos con algún detalle su esencia; comencemos por el subsuelo.
Primero, el subsuelo no está constituido de un solo material, sino que es una mezcla de tres: agua, algunos minerales, y aire o gases —que a veces no se perciben pues están en solución o forman burbujas tan pequeñas que no se aprecian a simple vista. Entre los tres componentes de un suelo se da toda una serie de interacciones complejas, de las que conocemos poco, aunque sepamos que de ellas depende su comportamiento al usarlos para construir algo. En los suelos siempre encontramos minerales mezclados de una manera muy particular, es decir, cada suelo es único. Tan único que los policías que hacen investigación, usan el lodo pegado a los zapatos de un sospechoso para saber si estuvo en la escena de un crimen, pues ahí y sólo ahí, hay ese tipo de suelo. Así que, si todos los suelos son diferentes, ¿se comportan todos también de manera diferente? Sí. Por eso, cada vez que se construye una edificación costosa o importante, se hace un estudio de mecánica de suelos, que realizan grupos de investigación utilizando toda la técnica a su alcance, para resolver problemas de suelos con propiedades tan especiales como el subsuelo de la ciudad de México, por ejemplo.
Como los suelos, los materiales usados para construir aviones y naves espaciales tienen también particularidades que los hacen únicos. Entre los más conocidos están las aleaciones metálicas (mezclas de diferentes metales que unidos superan las ventajas de sus componentes), cuyas propiedades y modo de comportarse son bastante predecibles. Por lo menos eso se pensó en un inicio. Ahora se sabe que la industria aeroespacial ha tenido que desarrollar una gran variedad de materiales especiales, como pocas industrias. Esto por la necesidad de contar con naves seguras o lo más seguras posibles. Además de los metales, se buscan siempre materiales de poco peso, alta resistencia y que, cuando vayan a fallar, no lo hagan de manera catastrófica, por lo que la aeronáutica ha incluido desde sus inicios una serie de materiales no metálicos, como aquellos con base en fibras de vidrio y cerámicas (preparadas con suelos seleccionados), maderas, telas de tipos muy variados, adhesivos y, más recientemente, con fibras ultrafinas de carbono, boro y cosas más exóticas (véase la figura 9).
Figura 9. Micrografía de zona de fractura en un material carbono-termoplástico.
Nótese las fibras estriadas de carbono ( 6 µm de diámetro ) con rotura frágil
y matriz de plástico heterogénea con signos de deslizamiento de fibras.
En los materiales aeroespaciales reforzados con fibras se presentan también, como en los suelos, interacciones sustanciales de sus componentes. Por ejemplo, las fibras rígidas —y lisas— que son el componente que soporta buena parte de la carga, pueden deslizarse de la matriz (como puede apreciarse en el centro de la microfotografía) o medio que las contiene, por lo general adhesivos epoxis y otros plásticos. Cuando dichos materiales se fabrican por capas, éstas pueden separarse o delaminarse (como las capas encimadas de varias pinturas viejas) deteriorando drásticamente la resistencia. Los materiales carbono-epoxi, cuyo desarrollo se ha orientado más a los productos aeroespaciales, que requieren comportamientos especiales, son poco conocidos por el público, y el que los conoce, lo hace a través de artículos deportivos como raquetas de tenis, cañas para pescar, mástiles de veleros, etcétera. En la fabricación de estos materiales se requiere generalmente de mucha mano de obra y de un control de calidad riguroso, por lo que los países con salarios relativamente bajos, con respecto a los países más industrializados, pueden aprovechar esta situación, y generar empleo con un producto de un considerable valor agregado, y un mercado de exportación en continua expansión.
MICROMECÁNICA DE LOS MATERIALES
La observación de gran diversidad de materiales tiene ciertos denominadores comunes; uno de los más notables es que todos los materiales poseen una microestructura, es decir, observados al microscopio, presentan una serie de elementos repetitivos que, en su conjunto, constituyen la esencia y dan origen a las propiedades particulares —exclusivas— de cada material. La madera, por ejemplo, desde un punto de vista micromecánico, está compuesta de innumerables celdas alargadas y huecas, de paredes sólidas, adheridas entre ellas con contactos hasta con diez celdas vecinas, y que vistas en corte longitudinal, parecen ladrillos de un muro (véase la figura 10). Esta disposición de elementos estructurales determina todas sus propiedades en cuanto a resistencia, peso y modo de fracturarse; es por las celdas vacías por lo que flota cuando está seca. A partir del estudio de la microestructura se ha podido revolucionar la larga historia de los metales y sus múltiples aleaciones. El comportamiento de estos elementos ante esfuerzos y deformaciones es resultado de la interacción de sus componentes microscópicos: los pequeños cristales o granos que los conforman (véase la figura 11). Con seguridad se debió a un accidente histórico el descubrimiento de que un metal calentado al rojo vivo, cuando se enfría rápidamente aumenta notablemente su resistencia y dureza superficial. Sólo hace falta imaginar un ejército primitivo que antes de la lucha hubiera purificado con fuego sus hachas y puntas de lanza, o una ama de casa que cocinando hubiera calentado inadvertidamente un rudo utensilio, y que al querer usarlo, lo hubiera enfriado con agua, notando que después el metal se había endurecido o mejorado de alguna manera. Cómo haya sucedido esto no importa: seguramente ocurrió en varios sitios simultáneamente. Lo que sí importa es que alguien con esa incesante curiosidad que la naturaleza favorece en algunas mentes, observó el hecho con cuidado y se dio a la tarea de demostrar, tal vez ante la risa de los más "prácticos", que su hallazgo era útil.
Figura 10. Micrografía de un pedazo de madera mostrando corte longitudinal (a la izquierda) de celdas, y corte transversal a la derecha. La longitud de la línea de calibración es de 1 000 µm = 1 milímetro.
Figura 11. Micrografía de una zona de fractura en acero para herramientas.
Se observan granos individuales de unas 20-30 micras con fronteras irregulares.
Hoy en día, el tratamiento térmico de los metales es una ciencia casi exacta, en la que se determina con toda precisión el tipo de proceso a seguir, según los componentes iniciales y el uso que se dará a la pieza metálica a elaborar. Para explicar lo que ocurre en el metal con esos calentamientos y enfriamientos contamos con el microscopio. Con él, se ha podido entender y posteriormente explicar qué le ocurre a las aleaciones metálicas. Según el tamaño y forma de los granos de la microestructura, los metales cambian ampliamente sus propiedades. Al colocar un acero en una máquina de tracción, para estirarlo y anotar su resistencia a una carga creciente, vemos que si variamos la proporción de componentes, como el carbono o el cromo, o si lo tratamos con calor, los aceros resistirán más carga, o se elongarán o estirarán más antes de romperse. Lo que pasa internamente en la microestructura de un material es objeto de toda una nueva ciencia, la micromecánica, de la que ya se han publicado miles de trabajos.
El carbono es el componente más socorrido y barato para obtener un acero duro. Añadiéndole al acero proporciones de menos de 1% por lo general, el carbono aumenta la dureza y la resistencia; cuando se aumenta hasta varios porcientos la proporción de carbono, los aceros son tan duros que se vuelven frágiles y se rompen con un golpe, como si fueran de vidrio. En proporciones pequeñas, de unas décimas de porcentaje, adquieren una combinación de propiedades más útiles. Además del carbono, en estos procesos se utilizan principalmente níquel, cromo, vanadio, molibdeno y muchos otros elementos químicos. Cada mezcla presentará propiedades nuevas y útiles, que a lo largo de la historia se han venido conociendo y aplicando; propiedades como la resistencia a la corrosión, las fallas dúctiles, que son un tipo de falla donde el refuerzo metálico no se rompe súbitamente, sino que "avisa" que se va romper con el agrietamiento de la matriz que lo soporta, el cual puede ser de concreto, por ejemplo, como en los casos de agrietamiento o laminación de las matrices de termoplásticos que soportan las fibras de carbono de los aparatos de la ingeniería espacial.
En los inicios de la aviación se utilizaron los materiales que había: madera, telas de algodón y lino, cola como adhesivo, etcétera. Cuando aumentó la potencia de los motores, la velocidad de vuelo y las consecuentes vibraciones de la estructura, las demandas de un comportamiento más controlable de los materiales aeronáuticos exigieron materiales especialmente diseñados para las nuevas tareas. Así, entraron en juego nuevos metales: manganeso, berilio, titanio, tungsteno, niobio y litio, entre otros. Buena parte resultan de la investigación motivada, no por el afán de conocer los materiales, sino por algo mucho más primitivo: las guerras, esa actividad febril que todo acelera, menos la civilización. Como veremos en el último capítulo, dicha aceleración es en realidad una ilusión: el impulso a proyectos con base en las necesidades bélicas es un método muy poco eficaz para motivar el desarrollo de la ciencia y la técnica. Mientras llegamos al capítulo VII, pensemos en el ejemplo que al respecto nos da el Japón de la posguerra, un país avanzado con uno de los más bajos presupuestos militares en relación con su producto interno.