III. EL INGRESO AL SUBSUELO
EN ESTE cap�tulo incursionaremos en el mundo de los materiales m�s terrestres: los suelos; nos ocuparemos de algunos de los temas que surgen al emprender su estudio como material utilizado por el hombre. Despu�s de trabajar en temas espaciales, de estudiar los dise�os de las naves para ir a Marte, y los aviones m�s avanzados aeron�uticamente, �qu� pueden tener los suelos y el subsuelo para atraer la atenci�n de una persona curiosa, tanto como lo hizo el tema anterior? Para contestar, apelamos a una caracter�stica de la mente humana: su interminable e insaciable inquietud por lo nuevo y lo complejo, lo desconocido y lo pr�ctico. Tanto en el trabajo cient�fico como en el eminentemente pr�ctico, se aprende pronto a reconocer que cada tema es tan dif�cil o f�cil como otro, y que las preguntas sencillas que uno se formula pueden tomar caminos de extraordinario inter�s y dificultad. Exhorto pues al lector que no se sienta muy atra�do 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 est� directamente debajo de �ste, el subsuelo, est�n constituidos por materiales muy complejos aunque parezcan muy simples. Muchos desconocen que los suelos se estudian desde muy diversos puntos de vista. La mayor�a, incluso los m�s urbanos de nosotros, sabemos que no todos los suelos son buenos para sembrar, pero son pocos los que saben que para construir un edificio (s�lo en el espacio se construir�an sin tocar el suelo) es necesario analizar las propiedades del sitio, un "estudio de mec�nica de suelos", el cual tiene como finalidad conocer si el suelo soportar� el peso del edificio, si tendr� asentamientos excesivos y tambi�n si resistir� durante sismos.
UNA DESCRIPCI�N DEL SUBSUELO: EL CASO DE LA CIUDAD DE M�XICO
El subsuelo de la ciudad de M�xico es fascinante. Esa fascinaci�n aumenta constantemente seg�n 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 monta�osas y las actividades humanas, entre las m�s importantes. Si los aztecas decidieron fundar una ciudad en medio de un lago, empresa nada f�cil, tendr�an sus razones (militares, culturales y otras, conocidas o no). El hecho es que lo hicieron, y con ello propiciaron las condiciones que siglos despu�s obligan a cientos de ingenieros y cient�ficos a estudiar los suelos con mucho detenimiento. Para vivir aqu�, los aztecas tuvieron que aprender y saber muchas cosas: c�mo aliviar el efecto de inundaciones catastr�ficas, c�mo lograr que sus construcciones no se hundieran de lado, y con qu� 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 M�xico y sobre su interesante subsuelo. Pero ahora los problemas de la ciudad se han multiplicado: hay obras de drenaje profundo, transporte subterr�neo, pozos de extracci�n de agua, instalaciones bajo tierra de todo tipo, edificios m�s altos, contaminaci�n y un tr�fico interminable, entre otros; todos estos problemas nuevos y viejos nos llevan a intentar comprender lo que sucede y, sobre todo, lo que suceder� 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 M�XICO
El Valle de M�xico comenz� a formarse cuando una importante actividad volc�nica cerr� el paso de una cuenca formada por dos macizos monta�osos 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 Iztacc�huatl (mujer blanca, en la lengua n�huatl) y Popocat�petl (monta�a humeante). Por el sur, en la parte m�s baja de la cuenca, surge despu�s la llamada sierra del Chichinautzin, que acab� por unir la base sur de la Sierra Nevada con la Sierra de las Cruces, con lo que convirti� una amplia zona en un nuevo valle rodeado con grandes monta�as por tres lados y por tierras altas en su lado norte (v�ase la figura 1). Desde ese momento, todo el material de los volcanes (el lavado de sus laderas, y el transportado por los vientos), se empez� a acumular en los puntos m�s bajos del flamante valle. Si llov�a 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, peque�o pueblo teocr�tico, disciplinado y tenaz, y dispuesto a dominar tanto su entorno f�sico como cultural.
Figura 1. Perspectiva del valle de M�xico desde el sur. 1) M�xico-Tenochtitlan,
2) Texcoco, 3)Sierra de Chichinautzin, 4) lago de Texcoco, 5) volc�n Xitle,
�ltimo activo en el valle.
Los aztecas desarrollaron un sistema de aprovechamiento de la tierra que se bas� principalmente en el acondicionamiento de chinampas, confeccionadas con fango extra�do por medio de canastillas del fondo del lago, y amontonado hasta formar una f�rtil parcela de tierra firme, que sobresal�a 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 d�as, como podemos observar en la figura 2. Las construcciones m�s grandes fueron hechas de tezontle, piedra volc�nica porosa y muy ligera (algunas de ellas flotan), que cimentaban sobre numerosos y peque�os pilotes o estacas de madera, colocados uno cerca del otro. Cuando el peso y el tiempo sum�an o ladeaban las construcciones importantes, constru�an sobre los restos una nueva, cada vez m�s grande y majestuosa, hasta que formaron una gran ciudad.
Figura 2.
Se ha escrito o conservado muy poco sobre c�mo era aquello; sin embargo, la
emoci�n de observar la magna obra por primera vez, se puede volver a vivir brevemente
cuando leemos a Bernal D�az del Castillo, que con sus ojos de soldado y cruda
pluma, describe una impresi�n de la ciudad vi�ndola desde uno de los templos
m�s altos:
| ... He ans� como llegamos sali� el Montezuma de un adoratorio, a donde estaban sus malditos �dolos, que era en lo alto del gran cu, y vinieron con �l dos papas, y con mucho acato que hicieron a Cort�s e a todos nosotros, le dijo: "Cansado estar�is, se�or Malinche, de subir a este nuestro gran templo". Y Cort�s le dijo con nuestras lenguas, que iban con nosotros, que �l ni nosotros no nos cans�bamos en cosa ninguna. Y luego le tom� por la mano y le dijo que mirase su gran ciudad y todas las m�s ciudades que hab�a dentro en el agua, e otros muchos pueblos alrededor de la misma laguna en tierra, y que s� no hab�a visto muy bien su gran plaza, que desde all� la podr�a ver muy mejor, e ans� lo estuvimos mirando, porque desde aquel grande y maldito templo estaba tan alto que todo lo se�oreaba muy bien; y de all� vimos las tres calzadas que entran a M�jico, ques la de Iztapalapa, que fue por la que entramos cuatro d�as hac�a, y la de Tacuba, que fue por donde despu�s salimos huyendo la noche de nuestro gran desbarate, cuando Cuedlavaca, nuevo se�or, nos ech� de la ciudad, como adelante diremos, y la de Tepeaquilla. Y v�amos el agua dulce que ven�a de Chapultepec, de que se prove�a la ciudad, y en aquellas tres calzadas, las puentes que ten�an echas de trecho a trecho, por donde entraba y sal�a el agua de la laguna de una parte a la otra; e v�amos en aquella gran laguna tanta multitud de canoas, unas que ven�an con bastimentos e otras que volv�an con cargas y mercader�as; e v�amos que cada casa de aquella gran ciudad, y de todas las m�s ciudades questaban pobladas en el agua, de casa a casa no se pasaba sino por unas puentes levadizas que ten�an echas de madera, o en canoas; y v�amos en aquellas ciudades cues y adoratorios a manera de torres e fortalezas, y todas blanqueando, que era cosa de admiraci�n, y las casas de azoteas, y en las calzadas otras torrecillas y adoratorios que eran como fortalezas. Y despu�s de bien mirado y considerado todo lo que hab�amos visto, tornamos a ver la gran plaza y la multitud de gente que en ella hab�a, unos comprando e otros vendiendo, que solamente el rumor y zumbido de las voces y palabras que all� hab�a sonaba m�s que de una legua, e entre nosotros hobo soldados que hab�an 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 tama�o e llena de tanta gente no la hab�an visto... |
H�biles fueron aquellos constructores y h�biles tendr�an que ser quienes siguieran sus pasos, si dif�cil fue construir en un suelo pantanoso, dif�cil y peligroso seguir�a siendo al paso de los siglos.
La productividad de sus m�todos agr�colas, de su caza y pesca, as� como sus considerables habilidades militares, convirtieron en poco tiempo a los aztecas en pr�spero pueblo, cuyos emperadores adem�s 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 estrat�gicos —como habr�a 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 mec�nicas del subsuelo que los sustentaba.
As� pues, con los aztecas comienza el estudio experimental de los suelos del Valle de M�xico. Como han demostrado recientes investigaciones sobre la cimentaci�n del Templo Mayor (realizadas por Mazan, Marsal y Alberro, de la Universidad Nacional), los aztecas fueron progresando cautelosamente en el tama�o y altura de sus templos, con el fin de garantizar el �xito constructivo. Seis etapas de construcci�n se dieron antes de alcanzar las alturas de las pir�mides que ver�a maravillado el conquistador.
LAS PARTICULARIDADES DEL VALLE
Los efectos de la conquista tambi�n habr�an de sentirse en la ingenier�a de cimentaciones; con m�todos 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 construcci�n nueva no se consideraron estas sencillas pero novedosas necesidades de cimentaci�n, los edificios, o cuando menos partes de edificios nuevos no construidos sobre antiguas construcciones, tienen hasta nuestros d�as hundimientos diferenciales (v�ase la figura 3).
Figura 3.
Como este efecto, muchos otros hay que responden a la mentalidad del colonizador. �ste siempre pens� que su ventaja militar supon�a ventajas en todos los �mbitos, y se neg� a aceptar que sus predecesores hab�an acumulado m�s 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 civilizaci�n conquistada, y en esto no s�lo nos referimos a la ingenier�a de cimentaciones.
En un reciente libro, el profesor Bonfil Batalla se�ala algunos hechos de la invasi�n extranjera del siglo XVI vigentes hasta nuestros d�as: "...la multiplicidad de culturas del M�xico conquistado fue negada y repudiada desde el primer momento..." y a�ade: "...en el fondo no hay una cultura �nica mexicana, porque hubo la presencia de dos civilizaciones que no se fusionaron, ni han coexistido en armon�a..." y m�s adelante, para ilustrar este punto, dice: "Cuando el alarife Garc�a Bravo hizo el trazo de linderos de la ciudad espa�ola propia de los dominadores, fue m�s para poner fuera de �sta a los dominados, no para crear una ciudad que ya estaba estructuralmente hecha...".
Hasta nuestros d�as 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 autonom�a plena.
Aparte de los problemas del subsuelo, las inundaciones fueron siempre una amenaza adicional. Viviendo como vivimos en la parte m�s baja de un valle, y con los torrenciales aguaceros que caen en estas tierras, las inundaciones estaban garantizadas. Nuevo reto, resuelto s�lo hasta nuestros d�as —e incluso hoy de manera parcial, pues todav�a hay muchas zonas del Valle que se inundan a�o con a�o. La precipitaci�n pluvial en el Valle es francamente impresionante: en s�lo unos minutos pueden caer cientos de miles de toneladas de agua, y ya que �ste es un terreno bastante plano, t�pico 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 d�as y en algunas zonas.
Por si fuera poco, a todo lo anterior hay que a�adir varios problemas m�s: el m�s importante es desde luego el de los temblores y terremotos. Los habitantes de la ciudad de M�xico 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 d�a se comienza a estudiar el mecanismo que hace que un temblor concentre sus da�os en zonas relativamente peque�as, no s�lo del pa�s, sino en la misma ciudad, lo que deja buena parte de las construcciones intactas y destruye otras bien edificadas. Esto perfila un desaf�o adicional: entender c�mo las particularidades de nuestro subsuelo lacustre act�an junto con las ondas s�smicas durante un terremoto, es actualmente uno de los mayores retos para la investigaci�n en ingenier�a y para la ciencia del pa�s.
Pocos expertos dudan hoy de que �ste y otros subsuelos dif�ciles, requieren de estudios en los que el enfoque de diversas disciplinas se unan para explicar lo que algunos llaman amplificaci�n s�smica local, como la que se observ� en ciertas zonas de la ciudad durante el sismo del 19 de septiembre de 1985. En las investigaciones sobre este fen�meno se usan modelos, tanto matem�ticos como de laboratorio, que simulan las formaciones geol�gicas cercanas a la superficie y se intenta reproducir en condiciones de laboratorio los movimientos del suelo por medio de ondas s�smicas simuladas para estudiar los efectos. Es previsible y deseable que ingenieros y f�sicos trabajen conjuntamente en la b�squeda de tales resultados. Su alianza producir� informaci�n de gran utilidad pr�ctica para los habitantes de una de las urbes m�s castigadas del planeta.
Pero la ciudad de M�xico ten�a que enfrentar m�s retos. Por lo general la contaminaci�n se relaciona con el aire y el agua, pero tambi�n en este rengl�n el subsuelo de las ciudades est� en peligro. La industria desecha sustancias contaminantes de manera irresponsable que se difunden en el subsuelo, como es el caso de la contaminaci�n del subsuelo con cromo, constatado por los especialistas, aunque se desconozcan por ahora muchas de sus consecuencias en el futuro. Es posible que la difusi�n contaminante en el subsuelo proceda lentamente, durante a�os quiz�, pero es probable por ejemplo, que estos procesos alcancen mantos acu�feros (los dep�sitos de agua subterr�nea de donde se bombea hasta la superficie para uso de la poblaci�n), caso en el que las consecuencias ser�an 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 costos�simas. Se tiene pues la necesidad de vigilar las actividades industriales con potencial contaminante, y de fomentar programas de investigaci�n que se adelanten a los hechos, y elaboren planes para enfrentar accidentes de esta naturaleza antes de que se conviertan en una cat�strofe irreparable para el medio.
Para completar un poco m�s este cuadro, recordemos que buena parte del subsuelo de la ciudad de M�xico se form� con materiales volc�nicos que provienen de erupciones cercanas, y que los volcanes no suelen dar aviso de su pr�xima actividad y mucho menos de la intensidad con la que ocurrir� (recu�rdese el Chichonal en 1982 en Chiapas, M�xico, y el Nevado del Ruiz, en Colombia). Luego entonces, es tambi�n posible que, de la misma manera en que encontramos en el subsuelo dep�sitos espesos, que atestiguan la ca�da de arenas finas y cenizas con varios metros de espesor, fruto de la actividad volc�nica, en el futuro algo equivalente podr�a suceder. Vale la pena detenernos un momento para se�alar que no se trata aqu� de crear temor hacia la naturaleza, ni a la "ira de los dioses", pero s� de preguntarnos si los cient�ficos que trabajan en geof�sica cuentan con los fondos suficientes para estudiar los volcanes m�s importantes, como el de Colima o el Popocat�petl por ejemplo; antes de que el peligro sea inminente y que no sea en ese momento cuando se d� a esas investigaciones un financiamiento abundante, como ocurri� con la investigaci�n sismol�gica despu�s del gran sismo de 1985.
Los casos anteriores, insistimos, no se presentan para alimentar el alarmismo simpl�n, o el ecologismo de fin de semana; lo que s� 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 predicci�n y prevenci�n trata en gran medida la investigaci�n en ingenier�a y la cient�fica, y para desgracia y detrimento de todos, todav�a muy pocos ciudadanos (y gobernantes) aprecian el potencial que la ciencia y la tecnolog�a tienen como fuerza productiva en nuestro pa�s, ignorando que estas actividades constituyen probablemente la �nica salida real para encauzar a los pa�ses latinoamericanos en la v�a 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 acechar�n, por ser parte de las condiciones geol�gicas de nuestro medio. Todos estos temas son complicados y requieren ser estudiados por personas responsables y preparadas en la investigaci�n. Pero sobre todo, por aquellos que demuestren la creatividad y disciplina suficientes para abordar temas que demandan dedicaci�n, paciencia, y tambi�n, como en las artes, una buena dosis de pasi�n. 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; acom�dese en su asiento.
CONTACTOS ESPACIALES CON LO TERRESTRE
Por primera vez intentemos aqu� encontrar contacto entre los temas centrales del libro. �Qu� conexiones encontramos entre las actividades aeroespaciales y el subsuelo, al que m�s adelante volveremos? En primer t�rmino podemos referir toda una serie de relaciones m�s o menos directas, entre las que destaca la exploraci�n de los suelos desde el espacio y la geolog�a, que tiene como finalidad clasificar, identificar y localizar fallas, tipos de minerales, formas geol�gicas y mantos petrol�feros, entre otras muchas.
Desde una nave en �rbita no se ve el petr�leo, como algunas personas podr�an creer, pero s� se ven las sierras y monta�as o estructuras geol�gicas como las denominan los ge�logos. El estudio de estas estructuras hace posible que los especialistas determinen antiguos movimientos de la corteza terrestre, que a su vez pudieron sepultar regiones selv�ticas o boscosas. Descubrimiento importante si se tiene en cuenta que la descomposici�n del contenido org�nico (plantas principalmente) de dichas regiones es la que gener�, con los a�os y la temperatura del subsuelo, el petr�leo, seg�n se cree. Las compa��as que buscan petr�leo son por esto las principales consumidoras de im�genes de sat�lites de prospecci�n o percepci�n remota. En la actualidad, m�s de siete pa�ses est�n preparando sat�lites para realizar sus propios estudios, a pesar de que se dice que con un solo sat�lite bastar�a para todos (esto es t�cnicamente hablando, aunque la realidad pol�tica sea otra y pocos compartan datos e informaci�n, lo que a fin de cuentas puede afectarlos, reduciendo su control de los mercados internacionales). Am�rica Latina tambi�n tendr� que preparar, seguramente unida, sus sat�lites propios. De nuevo, esta es otra idea que ha sido planteada por investigadores espaciales mexicanos en un foro de especialistas de la regi�n en percepci�n 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 caracterizaci�n de los suelos tambi�n se realiza ya desde el espacio, utilizando la visi�n amplia que se tiene desde all�. Teniendo como base estas observaciones, pueden ser estimados el tipo y la cantidad de producci�n agr�cola, la mineralog�a del suelo, la humedad, el grado de erosi�n y la topograf�a, 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 radiaci�n se refleja en el espacio. Si a bordo de una nave colocamos una c�mara, o simplemente lo vemos, f�cilmente podremos captar una imagen del terreno iluminada por el Sol. Las c�maras que se utilizan para esto se llaman multiespectrales, es decir, que son capaces de captar im�genes en bandas selectas del espectro.
No es nuestro prop�sito hacer aqu� una descripci�n detallada de lo que es el espectro electromagn�tico, pues ya hay quienes lo han hecho con m�s detalle y claridad dentro de esta misma serie (v�ase el libro de A. M. Cetto, La luz). Solamente se da alguna informaci�n de lo que es el espectro, para poder explicar despu�s c�mo se usa en la percepci�n remota para localizar minerales, estudiar cultivos, registrar actividad nocturna y clasificar uso de suelos, entre otros.
La manera m�s conveniente de comprender algunos aspectos del espectro electromagn�tico es a trav�s del ejemplo de los colores, la manifestaci�n m�s conocida del espectro. Cuando el Sol ilumina un cristal cortado en �ngulos, vemos los colores del arcoiris: o sea, un espectro. Este efecto, llamado descomposici�n espectral, se da porque la luz del Sol est� compuesta de todos estos colores que vemos, y al atravesar el cristal, cada color se desv�a o refracta de manera diferente: el violeta menos que el verde y el rojo m�s que todos; cada componente de la luz sale por caminos distintos y el ojo detecta este fen�meno en forma de colores.
Los colores son distinguidos por el lugar que ocupan en el espectro electromagn�tico y se identifican por una serie de medidas, una de ellas, la llamada longitud de onda, la utilizaremos aqu� 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 fotocolor�metro se puede medir la longitud de onda de los colores para diferenciarlos y clasificarlos objetivamente, m�s all� de las opiniones personales. Ahora bien, los colores son s�lo una peque�a parte del espectro, las otras partes tambi�n 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 est�n asociadas por caracter�sticas esenciales; los colores se diferencian de otras radiaciones precisamente por su longitud de onda.
Los colores se llaman tambi�n espectro visible, porque son la �nica 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 m�s all� de donde est� el rojo, por el otro lado, est� el infrarrojo, que a su vez los expertos dividen, para fines pr�cticos, en cercano, medio y lejano. Al infrarrojo lejano (cuyas longitudes de onda van de 5 a 30 micras) se le conoce como infrarrojo t�rmico, pues en esta parte o banda del espectro se percibe el calor de las cosas. Hay c�maras que detectan im�genes t�rmicas, que en lugar de los colores "visualizan" las temperaturas. En estas im�genes se diferencia lo caliente de lo fr�o a tal grado que es posible ver partes del cuerpo humano en donde la circulaci�n de sangre es mayor, y por lo tanto est�n m�s calientes, como ocurre cerca de los tumores.
Pero si esta misma c�mara t�rmica est� a bordo de un sat�lite o estaci�n espacial, en una de sus im�genes se puede ver, por ejemplo, un peque�o avi�n (o cohete) a miles de kil�metros de distancia, por los chorros de gas caliente que arrojan sus reactores; tambi�n, y de m�s inter�s para nosotros, se puede ver un volc�n que comienza a activarse. Si seguimos aumentando la longitud de onda, recorriendo el espectro m�s all� del infrarrojo, entraremos en las frecuencias de las microondas; y m�s all�, a las se�ales de radio, donde las longitudes de onda comienzan en los mil�metros y terminan en los kil�metros. Regresando al otro extremo, sobrepasando el sector visible de los colores y el ultravioleta ya mencionado, est�n los rayos X, y m�s all�, los rayos gamma. La figura 4 muestra un esquema del espectro electromagn�tico donde se incluyen las radiaciones descritas.
Figura 4. Esquema del espectro electromagn�tico. N�tese que el sector visible
es el m�s angosto de todas las radiaciones que conocemos.
Volviendo ahora a las c�maras multiespectrales de los sat�lites de teleobservaci�n, �stas captan im�genes 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 c�maras multiespectrales toman im�genes a trav�s de filtros que s�lo permiten "ver" la escena dentro de una estrecha banda del espectro, por ejemplo, una banda podr�a 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 im�genes se les denomina multiespectrales, pues se componen de im�genes tomadas en m�ltiples bandas del espectro. Los filtros espectrales que logran tal especificidad se fabrican depositando sobre alg�n cristal capas ultrafinas de materiales especiales para cada color o banda. De esta manera, la c�mara capta varias im�genes de la misma zona terrestre, pero cada una tomada en segmentos estrechos del espectro. La figura 5 a modo de ejemplo muestra la radiaci�n que deja pasar uno de los filtros. (Por cierto que estos filtros est�n siendo fabricados en laboratorios de centros de investigaci�n del pa�s, donde ya se cuenta con la experiencia para su dise�o, fabricaci�n y prueba, y han dado resultados muy alentadores, ya que muchos aparatos �pticos de medici�n los usan como componentes principales.)
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Figura 5. Imagen a�rea de una zona urbana. N�tese en el centro inferior
izquierdo cuatro cuadros de calibraci�n. 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 �ptica de Le�n, Guanajuato, la fabricaci�n de una serie de filtros para realizar experimentos con c�maras multiespectrales montadas en un avi�n, para preparar un equipo que subir� al espacio, probablemente en 1990 o 1991, y que tiene entre sus objetivos tomar im�genes del territorio mexicano en diferentes bandas del espectro. Este esfuerzo, a su vez, se encamina a la preparaci�n del equipo �ptico que ir� a bordo de uno de los futuros sat�lites de investigaci�n, que tambi�n forma parte del programa espacial que realizamos en la UNAM en colaboraci�n con otros centros del pa�s y del extranjero.
Las im�genes multiespectrales son de utilidad para estudiar los recursos de la naturaleza. Al igual que los ojos, estas c�maras captan, identifican y clasifican cosas por su color, textura y forma. Las im�genes de sat�lite se analizan con computadoras para extraer informaci�n �til para muchos usuarios. Digamos, a modo de ejemplo, que hubiera inter�s en saber cu�les son los cultivos en una extensa regi�n agr�cola; si la recorri�ramos a pie o en alg�n veh�culo para preparar mapas de cultivo, esta labor se llevar�a mucho tiempo, sin hablar ya de que nos propusi�ramos conocer todo un pa�s o todo el planeta. Aprovechando la visi�n amplia que logran los sat�lites, obtener im�genes de todo un pa�s ser�a relativamente f�cil, aunque en la actualidad esto es muy costoso, pues muy pocas empresas venden estas im�genes. Sin embargo, hay m�ltiples proyectos que justifican el gasto.
Si ya cont�ramos con las tomas de nuestra zona de estudio, comenzar�amos el proceso de an�lisis y extracci�n de informaci�n de la siguiente manera: primero, har�amos una correcci�n geom�trica de las im�genes, es decir, har�amos coincidir la imagen espacial o a�rea, con un mapa de la zona: carreteras con carreteras, r�os con r�os y estructuras geol�gicas consigo mismas. Este es un proceso matem�tico que se realiza autom�ticamente metiendo las im�genes a una computadora con un programa especial; de esta manera observar�amos los procesos y resultados en una pantalla de televisi�n en color.
Despu�s, proceder�amos a observar la imagen de cada banda, por ejemplo, la imagen en el azul o en el amarillo, y comenzar�amos una paciente mezcla de im�genes, que poco a poco ir�a cediendo la informaci�n buscada. Veamos.
Cuando la radiaci�n solar llega a la Tierra, ilumina la superficie de extensas zonas de una manera uniforme, especialmente cuando hay poca nubosidad. Esta iluminaci�n nos permite observar las cosas con los ojos; sin embargo, cuando nuestros "ojos" son los instrumentos a bordo de un sat�lite, a �stos llega una radiaci�n diferente a la del Sol que ilumina la Tierra. La diferencia resulta del efecto de absorci�n selectiva que tienen los diversos materiales en la superficie terrestre y en la atm�sfera, o sea que cada material tiene una manera �nica de absorber la radiaci�n solar. Un ejemplo, que nos ayuda a comprender la diferente absorci�n de la radiaci�n solar es �ste: aunque la gran mayor�a de las plantas son verdes, todos sabemos, por experiencia, que hay muchos tonos de verde; los tonos de verde son precisamente el resultado de c�mo cada planta absorbe y en consecuencia refleja de modo diferente la luz solar. Es la experiencia pr�ctica la que ha permitido a los especialistas desarrollar ciertos m�todos, y hasta recetas, que les indican cu�les im�genes de diferentes bandas deben mezclar para obtener informaci�n de diverso tipo. En el an�lisis de im�genes de zonas cultivadas por ejemplo, se aprovecha la propiedad de absorci�n diferencial de las plantas para distinguir diferentes cultivos desde el espacio, y se ha llegado al grado de poder clasificar con una precisi�n mayor al 85% el tipo de cultivos de amplias zonas productivas de un pa�s. Este logro tiene enormes consecuencias econ�micas: por medio de estas t�cnicas se puede determinar la presencia y avance de plagas en ciertos cultivos, o el rendimiento que van a presentar algunas regiones agr�colas; lo que permite, por ejemplo, preparar esquemas especulativos para el control del mercado internacional de productos agr�colas. La t�cnica del an�lisis de im�genes por computadora tiene gran importancia en el futuro de muchos campos del saber: desde las im�genes m�dicas tomogr�ficas, hasta las observaciones militares m�s incre�bles para nosotros.
Veamos, para comenzar, un ejemplo de lo que puede lograr un sat�lite militar de reconocimiento: los sat�lites dedicados al espionaje electr�nico observan en muchas bandas del espectro, incluyendo las que posibilitan la visi�n nocturna; y tienen m�s bandas que las cinco o siete que se utilizan en los sat�lites civiles, y tampoco est�n limitados a la resoluci�n de �stos (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 sat�lites militares de las grandes potencias est�n equipados para diferenciar hasta doscientas bandas espectrales, y su resoluci�n, es decir, su capacidad para distinguir objetos en la superficie terrestre, no se cuenta en metros sino en cent�metros (son capaces de distinguir objetos de unos cuantos cent�metros en la superficie de la Tierra o en el mar). La gran cantidad de bandas o ventanas por las que registran las im�genes hace posibles detecciones que se asemejan m�s a la ciencia ficci�n, que a la realidad. Por medio de la manipulaci�n por computadora de im�genes de tantas bandas, los especialistas militares pueden diferenciar los materiales con los que se construyen los equipos b�licos 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 reacci�n, el de los ca�ones de su armamento o los componentes de aspas de sus helic�pteros, entre muchas otras cosas que desaf�an la imaginaci�n.
M�s que impresionar, estos datos nos demuestran que la era espacial no s�lo consiste en noticias de aventuras o logros cient�ficos, sino que es un medio eficaz de observaci�n, que reduce la privac�a y viola la soberan�a de los pueblos, "amigos" o enemigos". En el tristemente famoso caso de las Malvinas por ejemplo, un aliado se uni� a otro aliado para minimizar la eficacia militar de un tercer aliado, que es un pa�s en desarrollo y por tanto menos aliado que el segundo. Con las im�genes de sat�lite, se detectaron los movimientos de la flota y aviaci�n argentinas para reducir sorpresas desagradables a los brit�nicos que, solos, hubieran pagado un costo a�n mayor en p�rdidas de combate; quiz� esto lo sabr�n muy pocos, pero tal vez la misma operaci�n hubiera fracasado sin esta ayuda entre c�mplices.
EL PROCESAMIENTO DE IM�GENES POR COMPUTADORA
Para que una computadora analice una imagen, es preciso traducir previamente la imagen al lenguaje de las computadoras: los n�meros. Es decir, la imagen debe ser representada como una lista de n�meros, ya que las computadoras fueron originalmente creadas para su manejo. El paso de im�genes a n�meros es un proceso llamado digitaci�n, aunque hay maneras m�s complicadas de llamarlo. La digitaci�n se efect�a dividiendo la imagen en los peque�os elementos que forman un cuadro (constituido por una cuadr�cula 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 posici�n de cada cuadrito o elemento de imagen, que los especialistas llaman PIXEL (de la contracci�n del ingl�s PIXcture-ELement), se logra identificando la fila y la columna en la que se encuentra (v�ase la figura 6). Ahora bien, para ahondar y facilitar esta explicaci�n, tendremos que revisar un poco c�mo funciona el equipo �ntimamente ligado con esta t�cnica: la conocida pantalla de televisi�n.
Figura 6. Ejemplo de imagen digital. La ampliaci�n de un fragmento, a la
derecha, muestra los elementos individuales de la imagen.
Las im�genes de televisi�n est�n formadas por secuencias r�pidas de cuadros, y �stos, a su vez, de l�neas; 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 est�n formadas por secuencias de cuadros, y �stos por secuencias de l�neas. Las l�neas 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 dom�sticos) y que, manipulado electr�nicamente, barre la pantalla, como quien barre un patio, de izquierda a derecha, o sea, en la direcci�n 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 c�mara de televisi�n en la escena original. Las l�neas de barrido de una televisi�n, en conjunto, constituyen la imagen.
Entendidos ya algunos de los rudimentos del funcionamiento de la TV, regresemos a la t�cnica de digitaci�n: las l�neas 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 c�mara. Si a cada cuadrito le adjudicamos un valor num�rico, por ejemplo, del 1 al 16 (o al 32, o al 256, o sea siempre una potencia de 2 ), donde el n�mero 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 l�nea se puede representar por una serie de n�meros (equivalentes a los tonos de gris), que van del 1 al 16, por extensi�n, podemos representar un cuadro de TV como un conjunto de l�neas con valores num�ricos definidos, que es precisamente lo que necesit�bamos para poder manejar las im�genes con una computadora. �Y ahora qu�?
LA EXTRACCI�N DE INFORMACI�N DE UNA IMAGEN, POR COMPUTADORA
La mejor manera de explicar c�mo un programa de computadora extrae informaci�n de una imagen es quiz� con un ejemplo sencillo: imaginemos que con la c�mara de TV captamos la imagen de un c�rculo totalmente negro, frente a un fondo blanco; en la pantalla, ver�amos naturalmente una imagen del c�rculo negro con el fondo blanco (v�ase la figura 7). Ahora, no s�lo vamos a digitar la imagen, sino adem�s la guardaremos en una memoria, algo tan com�n como una videograbadora o la memoria de una computadora.
Figura 7. Fotograf�a de pantalla de computadora mostrando el c�rculo negro
sobre un fondo blanco.
Al entrar en la memoria donde guardamos el c�rculo negro con el fondo blanco, el programa detectar� que en toda la memoria s�lo hay dos valores o tonos, el blanco y el negro, correspondientes al c�rculo y su fondo. No es nada dif�cil lograr una respuesta a �cu�nto hay del negro y cu�nto hay del blanco?; en la pantalla veremos por ejemplo, unos n�meros que dicen blanco = 32 000, negro = 33 500. Si sabemos que el negro es el c�rculo, podemos calcular, o mejor pedirle a la m�quina que lo haga, de qu� di�metro es un c�rculo en el que caben 33 500 pixeles, cuyo tama�o 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, dir�an, �y de qu� me sirve ese c�lculo por computadora si lo puedo hacer m�s r�pido a mano? Claro que ese solo c�lculo se hace m�s r�pido a mano, pero �qu� tal si en vez de un c�rculo tenemos cien c�rculos en la imagen, y si hay cientos de im�genes como �sa? 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 c�rculos no sali� de la imaginaci�n: un caso similar se nos ha planteado en el laboratorio para resolver un problema pr�ctico y de importancia econ�mica, que vamos a describir a continuaci�n para validar ante el lector la utilidad de los programas de c�mputo para procesar im�genes, aun as� de sencillos. Adem�s, nos proponemos continuar con la cita de ejemplos que ilustren c�mo muchas veces se ha enriquecido el conocimiento de un campo de aplicaci�n por caminos indirectos como, por ejemplo, cuando la ingenier�a civil y los ciudadanos que costean sus obras se han beneficiado con la t�cnica del procesamiento digital de im�genes, que originalmente ten�a como prop�sito el estudio de la Tierra desde el espacio.
Cuando un ingeniero va a edificar una gran obra, digamos una presa, necesita utilizar materiales de construcci�n baratos y que de preferencia se encuentren cerca del sitio de construcci�n, ya que es muy caro su transporte. As�, recorre la zona cercana a la futura obra y estudia los dep�sitos geol�gicos de los cerros; en eso se encuentra con que una carretera tiene unas altas paredes a los lados, que �l llama taludes; en los taludes observa que hay cantos rodados o rocas de r�o, dentro de una matriz de tierra, que �l 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, �l tiene que saber cu�ntas rocas hay ah� aproximadamente; no exactamente, pero si se equivoca por mucho, lo pueden despedir del trabajo por inepto. As� pues, trata de estimar cu�ntas toneladas de piedras hay entre la arcilla. Para hacer esto, observa un talud o excava con una m�quina o a mano, y ve cu�nta roca hay en un volumen que excava de la pared o de un hoyo y, con la experiencia, a veces de muchos a�os, va aprendiendo a estimar cada vez mejor estos vol�menes. Pero cuando el tama�o de una obra requiere de estimaciones m�s precisas, y no es permisible equivocarse ni por poco, es cuando trata de encontrar un mejor m�todo de estimaci�n, y para esto se pone en contacto con otros ingenieros, que trabajan dentro de los institutos de investigaci�n y manejan m�todos avanzados. Y conjuntamente, tratan de resolver el problema. Despu�s de estudiarlo, llegan a la conclusi�n de que el meollo del asunto est� en poder estimar el volumen de rocas viendo s�lo algunos de esos taludes, contar el n�mero de rocas que se asoman y medir su di�metro aparente, para despu�s, con m�todos matem�ticos, estimar con mayor precisi�n lo que antes hac�a "a ojo de buen cubero".
Pero, y siempre salen m�s peros, ahora resulta que para que el m�todo funcione con la precisi�n necesaria, tiene que ver muchos taludes y esto le resulta poco pr�ctico, as� que decide inyectar m�s tecnolog�a, y pide fotograf�as de los taludes, con las que puede medir precisa y r�pidamente 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 pa�s, y hasta de fuera, le llegan pedidos para estimar nuevas obras, y no s�lo le piden estimar la proporci�n de rocas en arcillas con su flamante m�todo, sino hasta contar el n�mero de grietas que hay en macizos rocosos, pero ya son tantas las fotograf�as que recibe, que su problema ya cambi�: �c�mo estudiar tal cantidad de fotograf�as? �Saben c�mo lo resolvi�? Procesando im�genes por computadora. Primero, pidi� a su fot�grafo que tomara las fotograf�as de tal manera que se notara el contraste entre las rocas y la matriz de arena arcillosa lo m�s posible; despu�s, durante el revelado, forzaba tambi�n el proceso para aumentar el contraste, tanto que parec�an fotos mal tomadas, pero eso era lo que quer�a: alto contraste entre rocas y matriz. Posteriormente, con una c�mara de TV y un equipo para digitar, adquir�a cada imagen y la almacenaba en memoria para procesarla despu�s con los programas de computaci�n. El programa inicial aumentaba el contraste corriendo los tonos hacia los extremos, es decir, si ten�a 16 tonos del blanco al negro, todos los tonos arriba del 5 los convert�a en 16 y los de abajo de 5, en 1. As�, la imagen resultante s�lo presentaba dos tonos muy contrastados: o negro, o blanco. Esta imagen en la pantalla (v�ase la figura 8) la comparaba con la fotograf�a original, para ver si las rocas mostraban su tama�o real; de lo contrario, en vez de usar como umbral el tono 5, usaba otro cuyos artificios no cambiaran de tama�o las cosas. Ya que ten�a la imagen en alto contraste, entraba en acci�n un segundo programa, que hac�a algo muy similar al descrito en un principio, el del c�rculo negro con fondo blanco, y que m�s o menos funciona as�: 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 direcci�n de exploraci�n, pasa a otra columna o fila y contin�a su exploraci�n programada. Cada punto recorrido es acumulado o sumado, para que al finalizar el recorrido por una roca en particular, tenga apuntado el n�mero de pixeles blancos que conforman esta unidad. Si en las fotograf�as se incluye una escala, una regla graduada por ejemplo, podemos saber f�cilmente cu�ntos elementos de imagen se requieren para un cent�metro y, con la misma informaci�n, calcular el �rea 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 morfolog�a matem�tica, para que a partir de los datos fotogr�ficos evaluados, se calcule el volumen que ocupan las rocas en relaci�n con la matriz.
Figura 8. Imagen de alto contraste que simula piedras de r�o en una matriz
arcillosa.
Esto ejemplifica algunos de los tenues hilos que conectan campos dis�miles, pero a la vez con amplias equivalencias. Lo mismo ocurre cuando al desarrollar un m�todo para estudiar un suelo natural, avanzamos, sin saberlo ni planearlo, y a veces sin descubrirlo nunca, en la t�cnica que resuelve el problema de un material aeroespacial.
Veamos con m�s detenimiento semejante aseveraci�n: el subsuelo y los materiales de uso aeroespacial comparten el hecho de que sus materiales son dif�ciles 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 alg�n detalle su esencia; comencemos por el subsuelo.
Primero, el subsuelo no est� 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 est�n en soluci�n o forman burbujas tan peque�as 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 �nico. Tan �nico que los polic�as que hacen investigaci�n, usan el lodo pegado a los zapatos de un sospechoso para saber si estuvo en la escena de un crimen, pues ah� y s�lo ah�, hay ese tipo de suelo. As� que, si todos los suelos son diferentes, �se comportan todos tambi�n de manera diferente? S�. Por eso, cada vez que se construye una edificaci�n costosa o importante, se hace un estudio de mec�nica de suelos, que realizan grupos de investigaci�n utilizando toda la t�cnica a su alcance, para resolver problemas de suelos con propiedades tan especiales como el subsuelo de la ciudad de M�xico, por ejemplo.
Como los suelos, los materiales usados para construir aviones y naves espaciales tienen tambi�n particularidades que los hacen �nicos. Entre los m�s conocidos est�n las aleaciones met�licas (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 pens� 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 m�s seguras posibles. Adem�s de los metales, se buscan siempre materiales de poco peso, alta resistencia y que, cuando vayan a fallar, no lo hagan de manera catastr�fica, por lo que la aeron�utica ha incluido desde sus inicios una serie de materiales no met�licos, como aquellos con base en fibras de vidrio y cer�micas (preparadas con suelos seleccionados), maderas, telas de tipos muy variados, adhesivos y, m�s recientemente, con fibras ultrafinas de carbono, boro y cosas m�s ex�ticas (v�ase la figura 9).
Figura 9. Micrograf�a de zona de fractura en un material carbono-termopl�stico.
N�tese las fibras estriadas de carbono ( 6 µm de di�metro ) con rotura fr�gil
y matriz de pl�stico heterog�nea con signos de deslizamiento de fibras.
En los materiales aeroespaciales reforzados con fibras se presentan tambi�n, como en los suelos, interacciones sustanciales de sus componentes. Por ejemplo, las fibras r�gidas —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 microfotograf�a) o medio que las contiene, por lo general adhesivos epoxis y otros pl�sticos. Cuando dichos materiales se fabrican por capas, �stas pueden separarse o delaminarse (como las capas encimadas de varias pinturas viejas) deteriorando dr�sticamente la resistencia. Los materiales carbono-epoxi, cuyo desarrollo se ha orientado m�s a los productos aeroespaciales, que requieren comportamientos especiales, son poco conocidos por el p�blico, y el que los conoce, lo hace a trav�s de art�culos deportivos como raquetas de tenis, ca�as para pescar, m�stiles de veleros, etc�tera. En la fabricaci�n de estos materiales se requiere generalmente de mucha mano de obra y de un control de calidad riguroso, por lo que los pa�ses con salarios relativamente bajos, con respecto a los pa�ses m�s industrializados, pueden aprovechar esta situaci�n, y generar empleo con un producto de un considerable valor agregado, y un mercado de exportaci�n en continua expansi�n.
MICROMEC�NICA DE LOS MATERIALES
La observaci�n de gran diversidad de materiales tiene ciertos denominadores comunes; uno de los m�s 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 micromec�nico, est� compuesta de innumerables celdas alargadas y huecas, de paredes s�lidas, adheridas entre ellas con contactos hasta con diez celdas vecinas, y que vistas en corte longitudinal, parecen ladrillos de un muro (v�ase la figura 10). Esta disposici�n de elementos estructurales determina todas sus propiedades en cuanto a resistencia, peso y modo de fracturarse; es por las celdas vac�as por lo que flota cuando est� seca. A partir del estudio de la microestructura se ha podido revolucionar la larga historia de los metales y sus m�ltiples aleaciones. El comportamiento de estos elementos ante esfuerzos y deformaciones es resultado de la interacci�n de sus componentes microsc�picos: los peque�os cristales o granos que los conforman (v�ase la figura 11). Con seguridad se debi� a un accidente hist�rico el descubrimiento de que un metal calentado al rojo vivo, cuando se enfr�a r�pidamente aumenta notablemente su resistencia y dureza superficial. S�lo hace falta imaginar un ej�rcito 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 despu�s el metal se hab�a endurecido o mejorado de alguna manera. C�mo haya sucedido esto no importa: seguramente ocurri� en varios sitios simult�neamente. Lo que s� importa es que alguien con esa incesante curiosidad que la naturaleza favorece en algunas mentes, observ� el hecho con cuidado y se dio a la tarea de demostrar, tal vez ante la risa de los m�s "pr�cticos", que su hallazgo era �til.
Figura 10. Micrograf�a de un pedazo de madera mostrando corte longitudinal (a la izquierda) de celdas, y corte transversal a la derecha. La longitud de la l�nea de calibraci�n es de 1 000 µm = 1 mil�metro.
Figura 11. Micrograf�a de una zona de fractura en acero para herramientas.
Se observan granos individuales de unas 20-30 micras con fronteras irregulares.
Hoy en d�a, el tratamiento t�rmico de los metales es una ciencia casi exacta, en la que se determina con toda precisi�n el tipo de proceso a seguir, seg�n los componentes iniciales y el uso que se dar� a la pieza met�lica a elaborar. Para explicar lo que ocurre en el metal con esos calentamientos y enfriamientos contamos con el microscopio. Con �l, se ha podido entender y posteriormente explicar qu� le ocurre a las aleaciones met�licas. Seg�n el tama�o y forma de los granos de la microestructura, los metales cambian ampliamente sus propiedades. Al colocar un acero en una m�quina de tracci�n, para estirarlo y anotar su resistencia a una carga creciente, vemos que si variamos la proporci�n de componentes, como el carbono o el cromo, o si lo tratamos con calor, los aceros resistir�n m�s carga, o se elongar�n o estirar�n m�s antes de romperse. Lo que pasa internamente en la microestructura de un material es objeto de toda una nueva ciencia, la micromec�nica, de la que ya se han publicado miles de trabajos.
El carbono es el componente m�s socorrido y barato para obtener un acero duro. A�adi�ndole 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 proporci�n de carbono, los aceros son tan duros que se vuelven fr�giles y se rompen con un golpe, como si fueran de vidrio. En proporciones peque�as, de unas d�cimas de porcentaje, adquieren una combinaci�n de propiedades m�s �tiles. Adem�s del carbono, en estos procesos se utilizan principalmente n�quel, cromo, vanadio, molibdeno y muchos otros elementos qu�micos. Cada mezcla presentar� propiedades nuevas y �tiles, que a lo largo de la historia se han venido conociendo y aplicando; propiedades como la resistencia a la corrosi�n, las fallas d�ctiles, que son un tipo de falla donde el refuerzo met�lico no se rompe s�bitamente, 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 laminaci�n de las matrices de termopl�sticos que soportan las fibras de carbono de los aparatos de la ingenier�a espacial.
En los inicios de la aviaci�n se utilizaron los materiales que hab�a: madera, telas de algod�n y lino, cola como adhesivo, etc�tera. Cuando aument� la potencia de los motores, la velocidad de vuelo y las consecuentes vibraciones de la estructura, las demandas de un comportamiento m�s controlable de los materiales aeron�uticos exigieron materiales especialmente dise�ados para las nuevas tareas. As�, entraron en juego nuevos metales: manganeso, berilio, titanio, tungsteno, niobio y litio, entre otros. Buena parte resultan de la investigaci�n motivada, no por el af�n de conocer los materiales, sino por algo mucho m�s primitivo: las guerras, esa actividad febril que todo acelera, menos la civilizaci�n. Como veremos en el �ltimo cap�tulo, dicha aceleraci�n es en realidad una ilusi�n: el impulso a proyectos con base en las necesidades b�licas es un m�todo muy poco eficaz para motivar el desarrollo de la ciencia y la t�cnica. Mientras llegamos al cap�tulo VII, pensemos en el ejemplo que al respecto nos da el Jap�n de la posguerra, un pa�s avanzado con uno de los m�s bajos presupuestos militares en relaci�n con su producto interno.
