XIV. LAS MATEMÁTICAS Y EL ESTUDIO DE LOS OCÉANOS. LA INGENIERÍA
OCURRE cada vez con mayor frecuencia que los jóvenes dotados para el conocimiento de las matemáticas encuentran ocupación en casi todas las esferas de la actividad científica, incluidas las ciencias del mar. Las matemáticas cobran cada día mayor interés en todos los aspectos de la investigación científica. Su campo de acción se extiende desde el estudio de los fenómenos físicos, químicos y biológicos hasta el de los económicos y sociales.
La investigación que se utiliza en las ciencias del mar, sea cual fuere la índole de su especialidad, basada en la observación de fenómenos colectivos o en numerosas observaciones respecto a uno en particular, debe siempre representarse numéricamente para lograr una comprobación experimental. Esto da, en gran medida, mayor rigor y validez a la mirada de conjunto y a la proposición de las conclusiones. Permite, asimismo, hacer predicciones, sobre todo de aquellos fenómenos cuya variación es tan grande que difícilmente se pueden expresar con rígidas fórmulas matemáticas, como en el caso de los fenómenos biológicos, psicológicos y sociológicos.
En los últimos tiempos, se ha manifestado una fuerte tendencia en las ciencias hacia la formulación de modelos matemáticos que consisten en la representación numérica de los elementos que forman un sistema en la naturaleza, los que permiten conocer sus interrelaciones y predecir su comportamiento, ya que constituyen la única forma de manejar situaciones muy complicadas y de probar hipótesis científicas básicas. Sin embargo todavía no se cuenta con modelos matemáticos enteramente satisfactorios en relación con los fenómenos que se suceden en la biología, especialmente en el océano.
En la actualidad la aplicación de las matemáticas en las ciencias del mar ha experimentado un progreso considerable, y muchos de los fenómenos que ocurren en el océano se han podido entender mejor contando con su apoyo.
Las matemáticas tienen relación directa con la investigación en la oceanografía física, auxiliándola en estudios de dinámica de las corrientes oceánicas, el comportamiento de las olas en sus índices de amplitud, las mareas, etcétera. Es por ello que el oceanógrafo físico tiene que dominar conocimientos en las siguientes áreas de las matemáticas: álgebra, análisis, cálculo diferencial e integral, análisis de vectores, métodos numéricos y programación de computadoras.
Los oceanógrafos químicos deben conocer las matemáticas hasta las ecuaciones diferenciales, siendo también de utilidad la información sobre estadística y programación de computadoras, sobre todo para estudiar los fenómenos fisicoquímicos que se presentan en el océano.
En la oceanografía geológica se utiliza álgebra, geometría, trigonometría, cálculo diferencial e integral, siendo convenientes algunos conocimientos de estadística y programación de computadoras. Los oceanógrafos que se especialicen en geofísica deben poseer sólidos conceptos de matemáticas, similares a los de los oceanógrafos físicos. Estos científicos pueden aplicar las matemáticas para resolver problemas de sedimentos, relacionados con la ingeniería de costas y fondos oceánicos, entre otros.
Los biólogos que se dedican al estudio del mar tienen que estar capacitados en estadística, cálculo y álgebra, siendo para ellos también conveniente el conocimiento de programación de computadoras, ya que infinidad de problemas biológicos necesitan de los métodos numéricos para poderlos cuantificar; como en los estudios sobre comunidades; que se hacen con el fin de conocer su crecimiento, reproducción y mortalidad.
Uno de los dominios más importantes de la oceanografía biológica actual es la productividad marina, cuyo estudio se basa, en parte, en las matemáticas y utiliza la estadística para comprender la dinámica de las poblaciones.
El uso de las computadoras en la oceanografía biológica es fundamental, por los grandes volúmenes de información que permiten manejar, por la velocidad con que se realizan los cálculos y por la confiabilidad que ofrecen.
Las matemáticas son la base en la formulación de programas de las computadoras electrónicas para el estudio de los seres vivos del mar y sus relaciones con el medio ambiente ya que en estos estudios se manejan miles de muestras de agua para estudiar la existencia de multitud y su relación con las características fisicoquímicas del océano, como la concentración de sales y las variaciones en el pH.
En las investigaciones pesqueras, las dimensiones de los organismos o de sus conjuntos no pueden ser medidas en su totalidad directamente. Por ejemplo, no es posible medir todos los peces capturados y, menos aún, todos los peces, que existen en el mar. Se acostumbra examinar una parte o muestra de la población para deducir las características que la definen, porcentaje de peces maduros, la talla media de los mismos, etcétera. Con esta muestra, que es una representación del conjunto de la población, se puede hacer una estimación de los valores reales del todo.
Como ejemplo de lo anterior, se puede tener al estudio de la pesquería de la anchoveta, pez semejante a la sardina, con el que se elabora la mayor parte de la harina de pescado en el mundo y que forma una de las poblaciones de peces más grandes, llegándose a capturar hasta 12 millones de toneladas por año en la corriente del Perú. Esta especie, por su gran magnitud, constituye un sistema de la naturaleza, compuesto por múltiples elementos, cada uno con variadas características en que muchas de ellas se interrelacionan, permitiendo estas condiciones elaborar un modelo matemático en el que se puede simular el hecho real.
En el modelo se tienen que tomar en cuenta las existencias naturales de los organismos, lo que se llama stock, de la población de anchoveta, que se mueve en un escenario o marco ambiental, formado por los factores fisicoquímicos que constituyen el clima acuático.
El modelo matemático permitiría predecir muchos factores: las existencias capturables de la población de anchoveta, las variaciones de óptimo aprovechamiento de la captura, la reproducción de la especie en cuanto a número de huevos y larvas, el número de estas larvas que llegan al tamaño que les permite ser consideradas como parte de la población pescable (es decir reclutas), el esfuerzo pesquero, su mortalidad natural y la mortalidad por pesca, así como consideraciones de tipo socioeconómico y de rentabilidad de la captura.
Es decir, población pescable es igual a población natural más reproducción
y reclutamiento, menos mortalidad natural y mortalidad por pesca.
El propósito de una pesquería es aprovechar racionalmente un recurso con el
fin de obtener materia prima que sirva, directa o indirectamente, para la alimentación
humana; y con modelos matemáticos como el anterior, se puede establecer el régimen
de pesca, la duración de las temporadas de captura, los días de pesca de cada
semana, el número de barcos que deben emplearse, la cantidad de producto que
se ha de obtener, etcétera, lo que permitiría manejar correctamente la industria
en favor de la especie humana.
Las matemáticas también pueden tener aplicación interdisciplinaria en el estudio del océano como en el caso de la percepción remota, técnica que permite obtener información sobre un objeto a cierta distancia del mismo, utilizando naves aéreas o espaciales (satélites). La captación de información se hace en estaciones colocadas en el mar y es transmitida a estaciones en tierra, a través de la atmósfera y espacio.
En las estaciones en tierra esta información se analiza por medio de computadoras, que permiten observar un mayor número de datos. Por ejemplo en una fotografía que se toma del océano, el ojo humano sólo diferenciará 16 tonos de gris, mientras que la computadora permite analizar hasta 240, lo que es útil para ver los cambios que la contaminación produce en los factores fisicoquímicos del océano, y usando la fotografía infrarroja, se pueden localizar seres vivos y conocer su abundancia y distribución. Estos estudios del océano también tienen aplicación en investigaciones meteorológicas, de contaminación y de pesca, entre otras. El análisis de la percepción remota en la computadora permite resolver algunas dificultades que se presentan en la fotografía, producidas por la curvatura de la Tierra o por el exceso de nubosidad.
Las matemáticas, junto con las otras ciencias exactas, física y química, cuando se aplican a optimizar los recursos, los tiempos, las construcciones, etcétera, forman el campo de la ingeniería. Los ingenieros desempeñan un papel en muchos aspectos de la ciencia marina, que van desde el diseño de nuevos instrumentos hasta la construcción de obras monumentales en las costas. Las diferentes especialidades de la ingeniería (civil, mecánica, electrónica y química) intervienen en la construcción de puertos.
El ingeniero civil junto con los oceanógrafos físicos se encargará de estudiar las características hidrográficas y de la costa, para poder elaborar los planos de construcción de las obras, como aquellas que sirven para su mantenimiento, como por ejemplo las de dragado y las de protección de las costas como los espigones que son muros de piedra que se colocan en el mar perpendiculares u oblicuos a la orilla y que evitan la erosión.
Se ha definido a los puertos como "el lugar de la costa, natural o artificial,
protegido de los temporales, en el cual los barcos pueden permanecer al abrigo
de éstos, y realizar tanto las operaciones de carga o descarga de mercancía
como las reparaciones y trabajos de mantenimiento necesarios". La mayoría de
los puertos tradicionales del mundo estuvieron, en principio, localizados en
la desembocadura de un río grande, como Rotterdam, Amsterdam y Amberes en el
Rin; Nueva York en el Hudson; Nueva Orleáns en el Misisipí; Alvarado en el Papaloapan
y Buenos Aires en el Río de la Plata.
El concepto moderno de puerto se ha modificado y no sólo se les considera como lugares de abrigo, sino que representan sitios con complejas instalaciones especializadas, las cuales permiten diferenciar distintos tipos de puertos: comerciales, pesqueros, de recreo y militares, y su construcción y manejo está a cargo de los ingenieros civiles.
En estos puertos las instalaciones se pueden agrupar en cuatro tipos básicos: las obras de abrigo y los accesos marítimos y terrestres; las construcciones para el atraque de tráfico y el almacenamiento; instalaciones y equipo para el manejo de las cargas; y las de construcción, reparación y mantenimiento de las embarcaciones.
Entre las instalaciones de abrigo se encuentran los diques o rompeolas que
forman las escolleras, especie de paredes sobre las que rompe la ola y que protegen
de la acción del viento; pueden ser paralelas, convergentes y recurvadas y limitan
la zona de aguas tranquilas donde pueden fondear los barcos, llamada dársena.
Los accesos marítimos son los canales de navegación para la entrada de las embarcaciones al puerto, los cuales deben tener el calado suficiente. Para construirlos se toman en cuenta las mareas, el oleaje y el transporte de sedimentos y para mantenerlos navegables, generalmente se usa el dragado. El acceso por tierra se encuentra en la zona de servicio del puerto y éste puede incluir carretera y ferrocarril.
Las construcciones para el atraque están representadas por aquellas en que
las embarcaciones quedan inmovilizadas, denominadas muelles, que pueden tener
diseños y tamaños muy variados, según el tipo de puerto de que se trate; lo
mismo sucede con las obras para el tráfico, es decir, estacionamientos y andenes;
con las de almacenamiento, bodegas, frigoríficos, etcétera; y con las instalaciones
y equipo para el manejo de las cargas.
Las instalaciones para construcción, reparación y mantenimiento de las embarcaciones están formadas por los diques secos, los diques flotantes y los varaderos, que son construcciones que permiten dejar a la embarcación en seco para poder limpiar su casco de los organismos marinos que se les adhieren o para reparar las vías de agua por medio del calafateo y pintar con preparados anticorrosivos el casco.
Además de estas instalaciones de los puertos, se encuentra el área administrativa, la de producción de energía eléctrica, la de combustibles y las habitacionales.
El sistema de puertos comerciales en el mundo cada día se extiende más, siendo los principales los del Mediterráneo, donde se puede considerar que se establecieron los primeros: Génova, Marsella y Barcelona.
En la zona industrial de Europa están los puertos de Amberes, Rotterdam, Amsterdam,
Hamburgo, Bremen, Lñbeck, Londres, y el de El Havre entre otros. Es también
notable el puerto de Esbjerg en Dinamarca, que fue construido para dar salida
a las exportaciones industriales y agropecuarias de este país, pero que por
su proximidad con las ricas aguas del Mar del Norte, se ha transformado en uno
de los principales puertos pesqueros del mundo, en donde actualmente se maneja
un medio millón de toneladas de productos pesqueros.
El área asiática, que es una región industrial y comercial activa, cuenta principalmente con los puertos de Hong-Kong, Singapur y Kobe.
En África del Sur y Australia destacan los de Durban y El Cabo, así como los de Sydney, Melbourne y Adelaida.
Los países sudamericanos que producen grandes cantidades de materias primas e importan productos manufacturados, han construido grandes puertos, como Río Grande, Buenos Aires, Montevideo, Río de Janeiro y Recife, en el Atlántico; y Guayaquil, El Callao, Antofagasta y Valparaíso en el Pacífico.
La costa este de Norteamérica y el Golfo de México representan una de las zonas más productivas del mundo y por lo tanto de las más activas comercialmente. Sus puertos más importantes son: Toronto, en Canadá; Boston, Nueva York, Baltimore, en Estados Unidos, y Tampico, Veracruz, Campeche y Progreso en México.
En la costa oeste de Norteamérica también se localizan puertos comerciales importantes, como el Vancouver, en Canadá; Oakland, San Francisco, Los Angeles y San Diego con su base naval militar, en Estados Unidos; y Ensenada, Guaymas, Mazatlán y Salina Cruz, en México.
Los ingenieros mecánicos electrónicos y los ingenieros químicos, colaboran en el diseño de la infraestructura portuaria, es decir, plantas de procesamiento de productos pesqueros, fábricas de hielo, bodegas, destilerías, talleres mecánicos, así como diseño de equipo y aparatos.
Otro campo en el que la ingeniería colabora es en el aprovechamiento de la fuerzas hidráulicas para la producción de energía eléctrica, instalando turbinas accionadas por el flujo de las mareas.
También, por necesidad de la propia industria pesquera, se ha desarrollado una nueva especialidad de la ingeniería, la ingeniería pesquera, profesión que prepara y capacita a técnicos en el diseño y utilización de métodos y artes de pesca y de técnicas para la elaboración de los productos pesqueros.
Proyectos complejos de ingeniería y de avanzada organización industrial son necesarios para edificar estructuras submarinas o enviar hombres al océano profundo. Este tipo de proyectos se lleva a cabo por los países desarrollados, que cuentan con el capital requerido para su construcción, como el túnel subacuático más grande del mundo que está siendo construido por Japón. Este túnel fue proyectado desde hace 20 años y se inició esta obra dentro de la corteza terrestre del estrecho de Tsugaru, a una profundidad de 100 metros bajo el lecho marino; tiene 54 kilómetros de largo, en ciertos lugares 17 metros de altura, y es recorrido por vías ferroviarias. Se espera terminarlo dentro de tres años.
También la arquitectura ha sido utilizada en el aprovechamiento de los recursos marinos. Considerada a su vez un arte, ha formado una especialidad: la arquitectura naval, que se ocupa de la construcción de las embarcaciones, dividiéndose en dos grandes grupos: la teoría del buque y la construcción naval.
En la teoría del buque se estudia a la embarcación considerada como flotador con las siguientes condiciones: estabilidad, navegabilidad, mínima resistencia a la marcha, máximo rendimiento económico en su propulsión y rentabilidad comercial. Una vez hecho el diseño, tomando en cuenta estas características, se pasa a la construcción naval propiamente dicha.
Como se puede observar, la utilización básica o aplicada de las matemáticas y la ingeniería en las ciencias del mar tiene un campo amplísimo, y seguramente estimulará a los científicos a emplearlas para obtener mejores resultados en sus aplicaciones y en sus investigaciones, y a los jóvenes para atender un nuevo reto que las ciencias del mar les presentan.
